CC BY
57
НАНОЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИЕ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ С АВТОЭЛЕКТРОННОЙ ЭМИССИЕЙ
ДфЭст
Н.А. БЕДРО, вед. специалист ОАО «НПО Геофизика-НВ»,
И.В. ВОРОНИН, инженер ОАО «НПО Геофизика-НВ»,
М.Н. КОМАРОВА, вед. инженер ОАО «НПО Геофизика-НВ»
[email protected], [email protected], [email protected]
Вмикроэлектромеханических датчиках получили широкое применение емкостные преобразователи механического перемещения в напряжение. В настоящее время емкостные преобразователи являются самыми высокоточными, имеющими большой динамический диапазон измерения. В классических маятниковых акселерометрах при рабочих емкостях несколько десятков пикофарад погрешность масштабного коэффициента доходит до 0,01 %, а динамический диапазон - до 107. В микромеханических датчиках рабочие емкости составляют несколько десятых пикофарады и разрешение определяется выходными и паразитными емкостями предварительных усилителей обслуживающей электроники, которые у самых лучших операционных усилителей несколько тысячных пикофарады. Поэтому у МЭМС датчиков погрешность масштабного коэффициента не превышает (0,05^0,1 ) %, а спектральная плотность шума нулевого сигнала 0,15 мВ^Гц.
В нанодатчиках рабочая емкость еще ниже и составляет (0,1^1) фемтофарады и соответственно использование емкостных преобразователей практически невозможно.
Использование автоэлектронных преобразователей позволяет при наноразмерных вискерах получить более чем на порядок ниже спектральную плотность шума нулевого сигнала и минимальную погрешность масштабного коэффициента и при этом сохранить точностные характеристики.
Под наноэлектромеханическими измерительными преобразователями (НЭМИП) подразумевается три класса датчиков:
- наноэлектромеханический измерительный преобразователь линейного ускорения (НМА);
- наноэлектромеханический измерительный преобразователь угловой скороси и линейного ускорения (НМГА)
- наноэлектромеханический измерительный преобразователь для обнаружения и определения параметров тепловых полей малой интенсивности в инфракрасной и тера-герцовой области спектра (НТЭМП)
Принцип действия НЭМИП-НМА состоит в следующем. Между нижней поверхностью консоли и эмиссионным слоем задается электрическое поле. При изменении проекции линейного ускорения на ось Y происходит механическая деформация консоли, в результате чего изменяется электрическое поле, величина которого прямо пропорциональна линейному ускорению вдоль оси Y. Измеряя величину электрического поля, можно получить информацию о составляющей линейного ускорения.
Принцип действия НЭМИП-НМГА основан на измерении амплитуд угловых колебаний консоли, вызванных Кориолисовыми силами инерции или поступательными движениями чувствительной массы. Чувствительная масса с помощью электростатических сил приводится в колебательное движение.
нование; 2,3 - контактные площадки катода и анода соответственно; 4 - ЧЭ консольного типа
ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 6/2012
135
Ф^сТуЛ---------------------------
При вращении основания относительно оси чувствительности НЭМИП-НМГА возникает Кориолисова сила инерции. При наличии упругого подвеса Кориолисова сила инерции вызывает поступательные колебания чувствительной массы (угловые колебания консо-
Рис. 2. Функциональная схема НЭМИП-НМГА на основе микроконтроллера. 0 - основание; 1, 2, 3, 4 - контактные площадки катода, 1-го электрода возбуждения, анода, 2- электрода возбуждения соответственно; 5 - ЧЭ консольного типа; 6 - электроды возбуждения; 7 - катод; МК -микроконтроллер; ПУ - предварительный усилитель; ОУ - операционный усилитель
НЭМИП-НТЭМП (при T = T0)
ли) с амплитудой, которая пропорциональна измеряемой угловой скорости. Для того чтобы амплитуда вынужденных колебаний обладала необходимой величиной и точность ее снятия была приемлемой, необходимо, чтобы уровень шумов, порожденный электронными элементами, был небольшим. Этого можно добиться, если НЭМИП-НМГА изготовить, воспользовавшись тонкопленочной технологией.
Функциональная схема НЭМИП-НМГА представлена на рис. 2. В конструкции НЭМИП-НМГА применяется динамическая настройка, которая обеспечивает строгое совпадение возбуждаемой частоты с собственной частотой чувствительной массы в упругом подвесе. Для обеспечения требуемой полосы пропускания в приборе применяется обратная связь.
Электронная схема обработки сигнала включает в себя также сопротивление нагрузки, предварительный усилитель и микроконтроллер. Сигнал, снимаемый с маятника через предварительный усилитель, поступает на аналого-цифровой вход микроконтроллера. Микроконтроллер обрабатывает аналоговый входной сигнал и выдает в цифровом виде величину проекции линейного ускорения и угловой скорости.
Принцип действия принципиально нового чувствительного элемента терагерцо-вого наноэлектромеханического приемника (НЭМИП-НТЭМП) основан на преобразовании терагерцового (теплового) излучения в механическую деформацию наноразмерной биметаллической пластинки, установленной на микроминиатюрной опоре. Для преобразования данной деформации в электрический сигнал используется автоэлектронная эмиссия. Структура чувствительного элемента представлена на рис. 3, а принцип действия элемента под действием ТГц излучения иллюстрируется на рис. 4 и рис. 5. В состав матрицы НЭМИП-НТЭМП будут входить совокупность чувствительных элементов (ЧЭ) с электронными ключами опроса, строчный и столбцовый мультиплексоры, вакуумирован-ный корпус с возможностью термостабилизации.
136
ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 6/2012
Основой НЭМИП-НТЭМП является ЧЭ, структура которого приведена на рис. 3. чувствительный элемент НТЭМП с автоэлектронной эмиссией расположен на подложке 1, выполненной из кремния или сапфира, и состоит из микробиметаллической площадки преобразователя 3, преобразующей инфракрасное излучение в тепло. Биметаллический преобразователь 3 состоит из двух слоев 3.1 и 3.2. Слой 3.1 выполнен из алюминия, а слой 3.2 из вольфрама, имеющих технологические отверстия 3.3. На поверхность площадки 3 для повышения эффективности регистрации ТГц излучения (теплового) наносится слой висмута с подложкой из титаната стронция. Биметаллическая площадка 2 закреплена на подложке 1 с помощью опоры 4 в центре рамочного катода, состоящего из проводящей площадки 2, на верхней поверхности которой расположены вискер 5.
Работа данного чувствительного элемента при регистрации терагерцового (теплового) излучения заключается в следующем. ТГц-излучение (тепловое излучение), попадая на чувствительную микробиметаллическую пластину, нагревает микробиметаллическую пластину. Микробиметаллическая площадка под действием тепловой энергии прогибается, изменяя зазор между нижней стороной пластины и катодом. Таким образом, изменение температуры чувствительного элемента НЭМИП-НТЭМП, обусловленное падающим ТГц-излучением, приводит к механическому перемещению чувствительного элемента (рис. 4, 5). Проведенные теоретические исследования позволили определить оптимальную форму чувствительного элемента в виде «грибка» с наноразмерными элементами: пиксель в виде биметаллического квадрата, расположенный на микроножке. На рис. 4 приведена схема положения чувствительного элемента площадки преобразователя при Т > Т0. На рис. 5 показано положение чувствительного элемента площадки преобразователя при T < Т0. Изменение зазора приводит к изменению напряженности электрического поля и соответственно к изменению тока эмиссии.
Отличительной особенностью
НЭМИП с АЭЭ является наличие автоэлектронного преобразователя. Основой работы НЭМИП с АЭЭ является изменение тока эмиссии i при изменении рабочего зазора. При этом тока эмиссии i будет пропорционален измеряемой физической величине
Рис. 4. чувствительный элемент НЭМИП-НТЭМП (при Т > Т0)
НЭМИП-НТЭМП (при T < Т0)
ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 6/2012
137
ia=KaW ir = Kr6a iT = KTT,
где Ka, Kr, KT - коэффициенты преобразования (масштабные коэффициенты) акселерометра, гироскопа и термоэлектронного преобразователя, определяющиеся по формуле
К = КМАКЭА
КГ = КМГКЭГ
КТ КМТКЭТ
W, ш, T - измеряемые линейные ускорения, угловые скорости и температура соответственно;
КМА, КМГ, КМТ - коэффициенты преобразования измеряемых величин (ускорения, угловой скорости и температуры) в механическое перемещение;
КЭА, КЭГ, КЭТ - коэффициенты преобразования механического перемещения консоли в ток эмиссии.
Для вакуумных наномеханических чувствительных структур ожидают сверхвысокое быстродействие, поскольку баллистический перенос электронов от катода к аноду допускает, в принципе, очень короткое время полета - менее одной пикосекунды (10-9c), и быстродействие чувствительной структуры будет определяться только ее жесткостью.
На основе преобразователей линейных ускорений и угловой скорости возможно построение наномеханических акселерометров и гироскоп-акселерометров, а их миниатюрность и высокая точность обеспечивает им высокие конкурентные преимущества.
Преобразователи тепловых полей найдут широкое применение в инфракрасной технике, имея ряд серьезных преимуществ над микроболометрами - основными приемниками современных тепловизион-ных камер. Они имеют значительно большую устойчивость (практически не чувствительны) относительно воздействия окружающей среды (радиации и излучений всех видов). Шумовая составляющая чувствительных элементов с автоэлектронной
эмиссией практически в сто раз меньше шумов микроболометров. Все эти преимущества являются результатом того, что средой для переноса электронов в автоэлектронных системах является вакуум или инертный газ. В то время, как, например, такие широко применяемые материалы для микроболометров, как a-Si, при температурах свыше 150°C и 250°С становятся проводниками. Вакуумные автоэлектронные чувствительные элементы значительно более устойчивы к электромагнитным возмущающим воздействиям из-за их более высокого уровня рабочих напряжений [4]. И практически не следует ожидать их повреждений от излучения пучков частиц.
В результате можно сделать вывод о больших перспективах использования наноэлектромеханических измерительных преобразователей с автоэлектронной эмиссией в составе систем управлением движением и навигации.
Работа проводилась при финансовой поддержке Министерства образования и науки Российской Федерации в рамках государственного контракта от 13 сентября 2011 г. № 16.523.12.3006.
Библиографический список
1. Бедро, Н.А. Наномеханический акселерометр для систем управления движением и навигацией / Н.А. Бедро. // Сб. трудов XXII Всероссийской межвузовской научно-технической конференции «Электромеханические и внутрикамерные процессы в энергетических установках, струйная акустика и диагностика, приборы и методы контроля природной среды, веществ, материалов и изделий», ч.1
- Казань, 2010. - С. 195-197.
2. Ачильдиев, В.М. Бесплатформенные инерциальные блоки на основе микромеханических датчиков угловой скорости и линейного ускорения. Монография / В.М. Ачильдиев. - М.: МГУЛ, 2007.
- 223 с.
3. Ачильдиев, В.М. Микромеханические датчики и системы на их основе / В.М. Ачильдиев, Н.И. Кробка // Сб. трудов Китайско-Российского научно-технического симпозиума. - Пекин, 2005. - С. 139-152.
4. Добрецов, А.Н. Эмиссионная электроника / А.Н. Добрецов, М.В. Гомоюмова. - М.: Наука, 1966.
138
ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 6/2012
