RU2431849C1 - Feedback amplifier for integral transducers - Google Patents

Abstract

FIELD: physics.

SUBSTANCE: sixes of electrodes may be increased thanks to setting operating modes of power electrodes and displacement pickup electrodes differing in time. Important advantage of proposed invention consists in two factors: first, at increased (approx. twofold) electrode sizes processing potential increases also two times, and, second, noises in output signal decrease with increase in area of electrodes (approx.

times).

EFFECT: expanded range and higher accuracy.

1 dwg

Description

Известен усилитель обратной связи [1], содержащий раздельные электроды для датчика перемещений и датчика момента. Данный усилитель имеет малую электростатическую силу отработки из-за недостаточности места на неподвижной обкладке.Known feedback amplifier [1], containing separate electrodes for a displacement sensor and a torque sensor. This amplifier has a small electrostatic working force due to insufficient space on a stationary lining.

Известен также усилитель обратной связи [2], содержащий интегрально выполненные раздельные электроды для датчика перемещений и датчика момента, электронный блок усиления и фильтрации электрического сигнала. При интегральном исполнении известный усилитель имеет малую электростатическую силу отработки из-за недостаточности места на обкладке.Also known is a feedback amplifier [2], which contains integrally made separate electrodes for a displacement sensor and a torque sensor, an electronic unit for amplifying and filtering an electric signal. When integrated, the known amplifier has a small electrostatic working force due to insufficient space on the lining.

Наиболее близким к заявляемому устройству является усилитель обратной связи [3], содержащий подвижный электрод-маятник, выполненный в кремниевой пластине за одно целое с упругими подвесами и соединенный с «землей», первый и второй неподвижные электроды на стеклянных обкладках, соединенные с кремниевой пластиной молекулярной сваркой, симметричный мультивибратор, выходы которого соединены со входами фильтра нижних частот, первый и второй резистивные сумматоры, входы которых соединены с положительным и отрицательным источниками опорных напряжений, а к точкам суммирования подключен выход усилителя обратной связи, выходы первого и второго резистивных сумматоров соединены с первым и вторым неподвижными электродами.Closest to the claimed device is a feedback amplifier [3], containing a movable pendulum electrode made in a silicon wafer in one piece with elastic suspensions and connected to the ground, the first and second fixed electrodes on glass plates connected to a molecular silicon silicon wafer welding, a symmetric multivibrator, the outputs of which are connected to the inputs of the low-pass filter, the first and second resistive combiners, the inputs of which are connected to the positive and negative sources of reference voltages, and the feedback amplifier output is connected to the summation points, the outputs of the first and second resistive adders are connected to the first and second stationary electrodes.

Недостатком известного устройства является невозможность получения силы отработки электростатического преобразователя для компенсации более 1 g, т.к. на малой площади обкладок при интегральном изготовлении требуется разместить раздельные силовые электроды и электроды датчика перемещения.A disadvantage of the known device is the inability to obtain the working force of the electrostatic converter to compensate for more than 1 g, because on a small area of the plates during integral manufacturing, it is required to place separate power electrodes and electrodes of the displacement sensor.

Решаемая задача - устранение отмеченного недостатка за счет функционального совмещения с помощью одних, увеличенных по размерам электродов, режимов датчика перемещения и силовой отработки, разнесенных по времени.The problem to be solved is the elimination of the noted drawback due to functional alignment with the help of one, increased in size electrodes, modes of the displacement sensor and power working out, separated in time.

Этот технический результат достигается тем, что в усилитель обратной связи [3], содержащий подвижный электрод-маятник, выполненный в кремниевой пластине за одно целое с упругими подвесами и соединенный с «землей», первый и второй неподвижные электроды на стеклянных обкладках, соединенные с кремниевой пластиной молекулярной сваркой, симметричный мультивибратор, выходы которого соединены со входами фильтра нижних частот, первый и второй резистивные сумматоры, входы которых соединены с положительным и отрицательным источниками опорных напряжений, а к точкам суммирования подключен выход усилителя обратной связи, выходы первого и второго резистивных сумматоров соединены с первым и вторым неподвижными электродами, в котором в соответствии с изобретением введены ключевое устройство и генератор синхросигналов, входы ключевого устройства соединены с времязадающими цепочками мультивибратора, а выходы подключены соответственно к первому и второму неподвижным электродам, управляющие входы ключевого устройства соединены соответственно с прямым и инверсным выходами генератора синхросигналов.This technical result is achieved by the fact that in the feedback amplifier [3], containing a movable pendulum electrode made in a silicon wafer in one piece with elastic suspensions and connected to the ground, the first and second fixed electrodes on glass plates connected to silicon plate by molecular welding, a symmetric multivibrator, the outputs of which are connected to the inputs of the low-pass filter, the first and second resistive adders, the inputs of which are connected to the positive and negative sources of reference feedback, the output of the feedback amplifier is connected to the summation points, the outputs of the first and second resistive adders are connected to the first and second fixed electrodes, in which, in accordance with the invention, a key device and a clock generator are input, inputs of the key device are connected to multivibrator timing circuits, and outputs connected respectively to the first and second fixed electrodes, the control inputs of the key device are connected respectively to direct and inverse outputs of the generator ora clock.

На чертеже приведена схема усилителя обратной связи для интегральных датчиков. Устройство содержит: первый 1 и второй 2 неподвижные электроды, выполненные на стеклянных обкладках методом вакуумного напыления слоев алюминия; подвижный электрод 3, выполненный в пластине из проводящего монокремния, соединенного с «землей»; ключевое устройство 4, имеющее первый и второй входы и первый, второй выходы и прямой и инверсный входы синхронизации, соединенные с прямым и инверсным выходами синхросигналов; симметричный мультивибратор 5, имеющий прямой и инверсный выходы, а также первую и вторую времязадающие цепочки, к которым подключены первый и второй входы ключевого устройства 4, а первый и второй выходы ключевого устройства соединены с первым 1 и вторым 2 неподвижными электродами; фильтр нижних частот 6, имеющий прямой и инверсный входы, к которым соответственно подключены прямой и инверсный выходы симметричного мультивибратора 5. Выход фильтра нижних частот соединен через с суммирующим входом резистивных делителей, на входы которых подключены соответственно положительный и отрицательный источники опорных напряжений, выходы резистивных делителей соединены с первым 1 и вторым 2 неподвижными электродами.The drawing shows a diagram of a feedback amplifier for integrated sensors. The device contains: the first 1 and second 2 fixed electrodes made on glass plates by vacuum deposition of aluminum layers; a movable electrode 3 made in a plate of conductive monosilicon connected to the “earth”; a key device 4 having first and second inputs and first, second outputs and direct and inverse synchronization inputs connected to direct and inverse clock outputs; a symmetric multivibrator 5 having direct and inverse outputs, as well as first and second timing circuits to which the first and second inputs of the key device 4 are connected, and the first and second outputs of the key device are connected to the first 1 and second 2 stationary electrodes; a low-pass filter 6 having direct and inverse inputs, to which respectively the direct and inverse outputs of a symmetric multivibrator 5 are connected. The output of the low-pass filter is connected through a summing input of resistive dividers, the inputs of which are connected respectively to positive and negative sources of reference voltages, outputs of resistive dividers connected to the first 1 and second 2 fixed electrodes.

Работа заявляемого устройства осуществляется в два такта. На первом такте при отсутствии воздействия физической величины (линейного или углового ускорения, или кориолисовых сил) на подвижный электрод 3 он находится в нейтральном положении, а величины измерительных емкостей между 1-м и 3-м электродами, а также между 2-м и 3-м электродами равны между собой. При единичном значении инверсного синхросигнала открыты ключи Кл3 и Кл6, при этом к первой и второй времязадающим цепям мультивибратора 5 подключены одинаковые межэлектродные емкости. Мультивибратор 5 вырабатывает симметричный сигнал (меандр), который после усреднения на дифференциальном фильтре 6 нижних частот дает на выходе нулевой сигнал. На втором такте, при смене полярности синхроимпульса, ключи Кл3 и Кл6 закрываются, а ключи Кл4 и Кл5 открываются. К электродам 1 и 2 через открытые ключи Кл4 и Кл5 с суммирующими точками резистивных сумматоров одновременно подводится с выхода фильтра 6 нижних частот нулевой сигнал.The operation of the claimed device is carried out in two cycles. At the first step, in the absence of the influence of a physical quantity (linear or angular acceleration, or Coriolis forces) on the movable electrode 3, it is in the neutral position, and the values of the measuring capacitance between the 1st and 3rd electrodes, as well as between the 2nd and 3rd -th electrodes are equal to each other. With a single value of the inverse clock signal, the keys Kl3 and Kl6 are open, while the same interelectrode capacitances are connected to the first and second timed circuits of the multivibrator 5. The multivibrator 5 produces a symmetrical signal (meander), which, after averaging on the differential filter 6 of the low frequencies, gives a zero signal at the output. At the second step, when changing the polarity of the clock pulse, the keys Kl3 and Kl6 are closed, and the keys Kl4 and Kl5 are opened. To the electrodes 1 and 2, through the public keys Kl4 and Kl5 with the summing points of the resistive adders, a zero signal is simultaneously supplied from the output of the low-pass filter 6.

При наличии воздействий на подвижный электрод 3 измерительные емкости между 1-м и 3-м электродами, а также между 2-м и 3-м электродами не равны между собой. Полный цикл работы осуществляется также за два такта. При этом мультивибратор 5 вырабатывает не симметричные прямоугольные импульсы, скважность которых определяется величиной отклонения подвижного электрода 3. После усреднения импульсов мультивибратора на фильтре 6 нижних частот сигнал, пропорциональный ширине (разности длительностей прямого и инверсного сигналов мультивибратора 5), поступает в точки суммирования резистивных сумматоров и через открытые ключи Кл4 и Кл5 поступает на неподвижные электроды 1 и 2. Подвижный электрод 3 будет притягиваться в сторону, где между электродами больше алгебраическая сумма напряжений.In the presence of influences on the movable electrode 3, the measuring capacitances between the 1st and 3rd electrodes, as well as between the 2nd and 3rd electrodes are not equal to each other. A full cycle of work is also carried out in two cycles. In this case, the multivibrator 5 generates non-symmetrical rectangular pulses, the duty cycle of which is determined by the deviation of the movable electrode 3. After averaging the multivibrator pulses on the low-pass filter 6, a signal proportional to the width (the duration difference between the direct and inverse signals of the multivibrator 5) arrives at the summing points of the resistive adders and through the public keys Kl4 and Kl5 enters the stationary electrodes 1 and 2. The movable electrode 3 will be attracted to the side where there is more between the electrodes lgebraicheskaya amount of stress.

Важным преимуществом заявляемого устройства являются факторы: 1 - при увеличенных размерах электродов (примерно в два раза) сила отработки также возрастает во столько же раз; 2 - при увеличенных размерах электродов, в режиме их работы в качестве датчика перемещений, снижаются шумы в выходном сигнале пропорционально относительному увеличению площади электродов (примерно в

раза).An important advantage of the claimed device are factors: 1 - with increased dimensions of the electrodes (approximately twice), the working force also increases by the same amount; 2 - with increased sizes of the electrodes, in the mode of their operation as a displacement sensor, noise in the output signal is reduced in proportion to the relative increase in the area of the electrodes (approximately

times).

Источники информацииInformation sources

1. Мокров Е.А., Папко А.А. Акселерометры НИИ физических измерений - элементы микросистемотехники. // Микросистемная техника. 2002. №1. С.3-9.1. Mokrov EA, Papko A.A. Accelerometers Research Institute of Physical Measurements - elements of microsystems. // Microsystem technology. 2002. No. 1. C.3-9.

2. Авторское свидетельство СССР №1620944, G01B 15/08, от 15.01.1991.2. USSR author's certificate No. 1620944, G01B 15/08, dated 01/15/1991.

3. Вавилов В.Д. Интегральные датчики. Изд-во НГТУ, 2003, 504 с.3. Vavilov V.D. Integrated Sensors. NSTU Publishing House, 2003, 504 pp.

Claims (1)

Усилитель обратной связи для интегральных датчиков, содержащий подвижный электрод-маятник, выполненный в кремниевой пластине за одно целое с упругими подвесами и соединенный с «землей», первый и второй неподвижные электроды на стеклянных обкладках, соединенные с кремниевой пластиной молекулярной сваркой, симметричный мультивибратор, выходы которого соединены со входами фильтра нижних частот, первый и второй резистивные сумматоры, входы которых соединены с положительным и отрицательным источниками опорных напряжений, а к точкам суммирования подключен выход усилителя обратной связи, выходы первого и второго резистивных сумматоров соединены с первым и вторым неподвижными электродами, отличающийся тем, что в усилитель введено ключевое устройство и генератор синхросигналов, входы ключевого устройства соединены с времязадающими цепочками мультивибратора, а выходы подключены соответственно к первому и второму неподвижным электродам, управляющие входы ключевого устройства соединены соответственно с прямым и инверсным выходами генератора синхросигналов. Feedback amplifier for integrated sensors, comprising a movable pendulum electrode made in a silicon wafer in one piece with elastic suspensions and connected to the ground, the first and second fixed electrodes on glass plates connected to the silicon wafer by molecular welding, a symmetric multivibrator, outputs which are connected to the inputs of the low-pass filter, the first and second resistive adders, the inputs of which are connected to positive and negative sources of reference voltages, and to the points of the sums The feedback amplifier output is connected, the outputs of the first and second resistive adders are connected to the first and second fixed electrodes, characterized in that the key device and the clock generator are inserted into the amplifier, the inputs of the key device are connected to the timing circuits of the multivibrator, and the outputs are connected respectively to the first and the second stationary electrodes, the control inputs of the key device are connected respectively with direct and inverse outputs of the clock generator.