Preview

Приборы и методы измерений

Расширенный поиск

УПРАВЛЕНИЕ ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТЬЮ ИНЕРЦИОННОГО ДАТЧИКА С ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫМ ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКИМ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕМ

Полный текст:

Аннотация

Формулируется проблема разработки датчика для измерения моментов сил инерции и гравитации с минимальным уровнем шумов и минимально возможной крутильной жесткостью торсионного подвеса подвижной массы, обеспечивающих достижение максимальной чувствительности прибора. Обосновывается возможность решения этой проблемы с помощью дифференциальной емкостной системы, которая одновременно обеспечивает и считывание полезного сигнала, и уменьшение крутильной жесткости. Отмечается, что основным фактором, определяющим минимальную крутильную жесткость, является известный pull-in эффект, возникающий в электростатическом конденсаторе с подвижной пластиной. Описывается электромеханическая схема датчика с дифференциальной электростатической системой. Предлагается методика расчета емкости электростатического конденсатора с наклонной пластиной. Проводится расчет момента электрических и механических сил, действующих на подвижную пластину дифференциального конденсатора. Показано, что основной причиной, приводящей к pull-in эффекту в дифференциальном конденсаторе, является несимметричность электростатической системы. Вводится параметр несимметричности этой системы. Установлена зависимость резонансной частоты датчика от электрического напряжения и параметра несимметричности. Рассчитываются области квазистатической стабильности и нестабильности системы, границы которых определяются значением данного коэффициента. Проводится расчет конкретной модели датчика. Показано, что для уменьшения резонансной частоты датчика более чем в 10 раз требуются нереально малые значения параметра несимметричности. 

Об авторах

И. З. Джилавдари
Белорусский национальный технический университет
Беларусь

Адрес для переписки: Джилавдари И.З. Белорусский национальный технический университет, пр. Независимости, 65, 220013, г. Минск, Беларусь e-mail: gilavdary@bntu.by



С. Н. Мекид
Университет нефти и минералов короля Фадха, Дхахран
Саудовская Аравия


Н. Н. Ризноокая
Белорусский национальный технический университет
Беларусь


Список литературы

1. Silvestrin, P. Control and navigation aspects of the new Earth observation missions of the European Space Agency / P. Silvestrin // Annual Reviews in Control. – 2005. – Vol. 29, № 2. – P. 247–260.

2. Liu, H. Design, Fabrication and Characterization of a Micro-Machined Gravity Gradiometer Suspension / H. Liu, W. T. Pike, G. Dou // Ratio. – 2011. – Vol. 11, Issue 12. – P. 11206–11234.

3. Васюков, C. Теория и применение электростатических подвесов / C. Васюков, Г. Дробышев. – М. : Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2009. – 336 с.

4. Douch, K. Ultra-sensitive electrostatic planar acceleration gradiometer for airborne geophysical surveys / K. Douch [et al.] // Measurement Science and Technology. – 2014. – Vol. 25, № 10. – Р. 105902.

5. Gravity gradiometer with torsion flexure pivots: Patent No US 8,201,448 B2 / J.B. French, K.A. Carroll. – Date of Patent: Jun. 19, 2012.

6. Carr, D. Parametric amplification in a torsional microresonator / D. Carr [et al.] // Applied Physics Letters. – 2000. – Vol. 77, № 10. – P. 1545–1547.

7. Milatz, J.M.W. The Brownian Motion of Electrometers / J.M.W. Milatz, J.J. van Zolingen // Physica. – 1953. – Vol. 19, Issue 1. – P. 181–194.

8. Capacitance based tunable micromechanical resonators: Patent N:5,640,133 / N.C. MacDonald; F.M. Bertsch; K.A. Shaw; S.G. Adams. – Date of Patent: Jun. 17, 1997

9. Handtmann, M. Sensitivity enhancement of MEMS inertial sensors using negative springs and active control / M. Handtmann [et al.] // Sensors and Actuators A: Physical. – 2002. – Vol. 97–98. – P. 153–160.

10. Park, K.Y. Capacitive sensing type surface micromachined silicon accelerometer with a stiffness tuning capability / K.Y. Park [et al.] // The Eleventh Annual International Workshop on Micro Electro Mechanical Systems, 25–29 january Heidelberg, Germany, 1998 // Congress & Incoming Service Heidelberg GmbH (CIS), Hahn-Schickard-Gesellschaft, Institute of Micromachining and Information Technology (HSG-IMIT). – Heidelberg, 1998. – P. 637–642.

11. Flokstra, J. MEMS based gravity gradiometer for Space Application / J. Flokstra [et al.] // Cryogenics. – 2009. – Vol. 49, Issue 11. – P. 665–668.

12. Bernstein, J. Low-Noise MEMS Vibration Sensor for Geophysical Applications / J. Bernstein [et al.] // Journal of Microelectromechanical Systems. – 1999. – Vol. 8, № 4. – P. 433–438.

13. Micro-System Inertial Sensing Technology Overview: report / Sandia National Laboratories; head J. Allen. – California, 2009. – 32 p. – SAND2009-3080.

14. Jiang, X. An integrated surface micromachined capacitive lateral accelerometer with 2µG/√Hz resolution / X. Jiang [et al.] // Solid-State Sensor, Actuator and Microsystems Workshop, Hilton Head Island of America, South Carolina, USA, June 2–6 2002. – Hilton Head Island, 2002. – P. 202–205.

15. Chuang, W.-Ch. Physical Sensors. Review on the Modeling of Electrostatic MEMS / W.-Ch. Chuang [et al.] // Sensors. – 2010. – Vol. 10, № 6. – P. 6149–6171.

16. Брагинский, В.Б. Измерение малых сил в физических экспериментах / В.Б. Брагинский, А.Б. Манукин. – М. : Наука, 1974. – 152 с.

17. Мухуров, Н.И. Электромеханические микроустройства / Н.И. Мухуров, Г.И. Ефремов. – Минск : Беларуская навука, 2012. – 257 с.

18. Mobki, H. A comprehensive study of stability in an electro-statically actuated micro-beam / H. Mobki [et al.] // International Journal of Non-Linear Mechanics. – 2013. – Vol. 48. – P. 78–85.

19. Микрои наноинженерия в электронном машиностроении : в 7 т. / Н.Н. Балан [и др.]. – Ивантеевка МО : НИИ предельных технологий, 2012. – Монография 1: Инженерия туннельных преобразователей. – 204 c.

20. Gupta, R.К. Pull-in dynamics of electrostaticallyactuated beams / R.К. Gupta [et al.] // Solid-State Sensor and Actuator Workshop Late News Paper, Hilton Head Island of America, South Carolina, USA, June 2–6 1996. – Hilton Head Island, 1996. – P. 2–6.

21. Dias, R.A. Pull-in-based μg-resolution accelerometer: Characterization and noise analysis / R.A. Dias [et al.] // Sensors and Actuators A: Physical. – 2011. – Vol. 172. № 1. – P. 47–53.

22. Zhang, Y. Numerical and analytical study on the pull-in instability of micro-structure under electrostatic loading / Y. Zhang, Y. Zhao // Sensors and Actuators A: Physical. – 2006. – Vol. 127. – P. 366–380.

23. Zhang, W.M. Electrostatic pull-in instability in MEMS/NEMS: A review / W.M. Zhang [et al.] // Sensors and Actuators A: Physical. – 2014. – Vol. 214. – P. 187–218.

24. Dittmer, J. Modeling and Design of Electrostatic Voltage Sensors Based on Micro Machined Torsional Actuators / J. Dittmer [et al.] // Nanotechnology 2008: Microsystems, Photonics, Sensors, Fluidics, Modeling, and Simulation – Technical Proceedings of the 2008 NSTI Nanotechnology Conference and Trade Show. – 2008. – Vol. 3. – P. 521–524

25. Puers, R. Electrostatic forces and their effects on capacitive mechanical sensors / R. Puers, D. Lapadatu // Sensors and Actuators A: Physical. – 1996. – Vol. 56. – Issue 3. – P. 203–210.

26. Differential capacitance torque sensor: US Patent No 8,893,563 / S. Mekid, I. Gilavdary. – Date of Patent: Nov. 25, 2014.

27. Differential capacitive sensor and method of making same: US Patent No 7,610,809 / A. McNeil, Y. Lin, T. Miller. – Date of Patent: Nov. 3, 2009.

28. Elata, D. On the static and dynamic response of electrostatic actuators // Technical Sciences. – 2005. – Vol. 53. – № 4. – P. 373–384.

29. Матвеев, А.Н. Электричество и магнетизм: учебн. пособие / А.Н. Матвеев. – М. : Высшая школа, 1983. – 463 с. 30. Gao, L. The Fringing Capacitance of an Inclined Plate Capacitor / L. Gao, D. Zhao // Fundamental J. Mathematical Physics. – 2012. – Vol. 2, Issue 1. – P. 11–17.

30. Bernstein, J. An Overview of MEMS Inertial Sensing Technology / J. Bernstein // Sensors online [Electronic resource]. – 2003. – Mode of access: http://www.sensorsmag.com/sensors/acceleration-vibration/an-overviewmems-inertial-sensing-technology-970. – Date of access: 19.02.2015.


Для цитирования:


Джилавдари И.З., Мекид С.Н., Ризноокая Н.Н. УПРАВЛЕНИЕ ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТЬЮ ИНЕРЦИОННОГО ДАТЧИКА С ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫМ ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКИМ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕМ. Приборы и методы измерений. 2015;6(2):163-172.

For citation:


Gilavdary I.Z., Mekid S.N., Riznookaya N.N. CONTROLLING SENSITIVITY OF THE SENSOR WITH DIFFERENTIAL ELECTROSTATIC TRANSDUCERS. Devices and Methods of Measurements. 2015;6(2):163-172. (In Russ.)

Просмотров: 430


Creative Commons License
Контент доступен под лицензией Creative Commons Attribution 4.0 License.


ISSN 2220-9506 (Print)
ISSN 2414-0473 (Online)