[1]Изобретение относится к измерительной технике, более конкретно к устройству измерения перемещений, имеющих большое значение в робототехнике, прецизионных механизмах при эксплуатации сооружений и металлоконструкций и т.д. Помимо перемещений как таковых, имеет практическое значение измерение малых смещений, вызванных тепловым расширением и деформациями, контроль которых необходим в устройствах обратной связи оборудования прецизионной механической обработки. Очень часто измерение перемещения служит одной из ступеней более сложного преобразования сигнала: так смещение диафрагмы используется в мановакууметрах, биметаллических датчиках и реле, деформации консолей в силоизмерителях и акселерометрах, перемещение поплавков - в уровнемерах и т.д.
[2]Вследствие огромного диапазона применений используются многие типы датчиков, функционирующих на разных принципах, являющихся аналогами предполагаемого изобретения. Характеристики наиболее распространенных из них приводятся ниже.
[3]Потенциометрические датчики основаны на измерении электрического сопротивления проводника, меняющегося с помощью движущегося контакта.
[4]Имеют следующие недостатки:
[5]- перемещение контакта требует заметного усилия, которое суммируется с измеряемым его значением, искажая результат;
[6]- трение в контакте и магнитное возбуждение приводят к нагреву и паразитному изменению сопротивления, компенсировать которое очень сложно;
[7]- низкая стабильность вследствие незащищенности контактной зоны от воздействий окружающей среды.
[8]Оптические датчики деформации или смещений могут функционировать на принципе отклонения луча или пошаговое квантованное измерение с использованием рейки, состоящей из непрозрачных и просвечивающих площадок (оптический генератор приращений). В этом датчике считывание производится при помощи источника света: светодиода и приемника-фототранзистора, расположенных с противоположных сторон рейки.
[9]Недостаток оптического датчика перемещений состоит в ограниченной чувствительности, так как шаг измерения прозрачности не может быть меньшим, чем несколько микрометров, а аналоговое измерение силы света в пределах одного прозрачного окна в обычных условиях невозможно из-за неизбежного влияния запыленности и геометрического несовершенства «окна».
[10]Пьезоэлектрические датчики основаны на электризации кристалла под действием силы. Поскольку деформация при этом невелика, такие преобразователи используются как датчики силы и давления, где величина перемещения редко превышает 0,2-0,5 мм. Недостатки пьезоэлектрических датчиков проявляются в хрупкости материала - пьезокерамики, ненадежности металлических контактов к ней, чувствительности к внешним воздействиям как активного материала, так и измерительной схемы, в которой может по разным причинам наводиться переменная паразитная ЭДС, обусловливающая погрешность.
[11]Емкостные датчики по достигаемому результату являются наиболее распространенным и универсальным средством измерения микроперемещений в диапазоне 0-2 мм, содержит две обкладки конденсатора, изменение расстояния между которыми приводит к пропорциональному изменению емкости, преобразуемой в выходной сигнал с помощью резонансной мостовой или емкостно-диодной схемы. Такая конструкция / US Patent 5006952 - Capacitive transducers - аналог / рассматривается в качестве аналога. Недостатки емкостного датчика относятся главным образом к измерению очень высоких внутренних сопротивлений, достигающих на частоте 50 Гц 10^7 и более Ом. При этом неизбежны погрешности, обусловленные токами утечки, на которое влияет непостоянство сопротивления изоляции. Для уменьшения сопротивления частоту питания увеличивают вплоть до ед. МГц, но тогда провода и элементы измерительной цепи необходимо экранировать. Любые изменения состояния экранировки (влажность атмосферы, вибрации, изменения положения токоведущего провода относительно экрана и т.д.) приводят к погрешности. Для ее снижения по возможности сокращают длину цепи, а вторичный прибор располагают вблизи чувствительного элемента и термостатируют, что существенно усложняет и удорожает прибор. Трудности при измерениях частично устраняются при изготовлении датчика перемещений методами микроэлектроники / US Patent Application 20050223811 - Precision multi-dimensional capacitive transducer - прототип /, так как удается совместить емкостной датчик и схему обработки на одном кристалле. К недостаткам можно отнести малый, не более 20 микрометров, диапазон измеряемых перемещений и возможность возникновения электрического разряда в межэлектродном пространстве. Такая возможность возникает при прохождении через микроэлектронный датчик измерительного тока высокой частоты, часто при зазорах между электродами в единицы микрометров величина напряженности электрического поля превышает пробивное напряжение газовой среды, в которой находится датчик. Электрический разряд в этом случае приводит к распылению материала обкладок, что, в свою очередь, означает изменение чувствительности и уход нулевого значения.
[12]Цель изобретения состоит в том, чтобы создать датчик перемещений для измерения в диапазоне 5-800 микрометров, обладающего повышенной точностью и стабильностью показаний.
[13]Поставленная цель достигается тем, что датчик перемещения содержит термостабилизированный микронагреватель, содержащий резистор, токовводы и металлические контактные площадки, и приемник тепла, перемещающийся от микронагревателя на расстояние 5-800 микрометров под действием приложенной силы, давления, в том числе акустического, или находящийся в стационарном состоянии, но изменяющий размер в результате усадки, теплового расширения электро- и магнитострикции, отличается тем, что микронагреватель выполнен из монокристаллического кремния, микронагреватель имеет форму балки переменного сечения, широкая часть которой является резистором и содержит область противоположного типа проводимости, а узкая токовводами, в которых сформированы области низкоомного кремния и имеется силицидное покрытие, причем окончания токовводов выполняются в виде площадок для формирования на них металлических контактов. Устройство микронагревателя в разрезе представлено на фиг.1, где
[16]3 - подконтактная диффузия;
[17]4 - контактные площадки.
[18]В качестве источника тепла выступает любое массивное тело.
[19]Новизна заявляемого изобретения заключается в том, что в качестве датчика перемещений используется кремниевый монокристаллический микронагреватель, а измеряемым сигналом служит величина тепловых потерь от микронагревателя к приемнику тепла. Реализация осуществлена в приборе для измерения остаточного давления, известном под общим названием «баратон». В качестве чувствительного элемента, используемого для измерения абсолютного давления, применяется тонкая мембрана, к которой, с одной стороны, подводится калиброванное давление, а с другой - давление, измеряемое в рабочей камере. Перемещение мембраны, измеряемое в таких приборах, служит показателем давления в рабочей камере. Датчик перемещения закрепляется в неподвижное относительно мембраны основание. Массивная рамка жестко крепится к тонкой барочувствительной мембране, которая с другой стороны герметично соединяется с рабочим объемом камеры. Перемещение массивной рамки относительно датчика перемещения является сигналом изменения давления в камере. Для точного измерения величины теплового потока необходимы контроль и поддержание постоянной температуры микронагревателя. Для этого используется специфическая особенность монокристаллических полупроводников, а именно наличие перехода от примесной электропроводности к собственной, что фиксируется схемой обработки как изменение знака температурного коэффициента сопротивления с положительного на отрицательный, в зависимости от которого схемой осуществляется увеличение или уменьшение величины тока, протекающего через микронагреватель. Однако переход от примесной электропроводности к собственной происходит в диапазоне 15-20К, что затрудняет вычисление знака температурного коэффициента сопротивления, так как в этом диапазоне его величина близка к нулю, в результате увеличивается погрешность поддержания температуры микронагревателя. Сделать переход более резким возможно при изготовлении в резистивной части микронагревателя области с противоположным типом проводимости. При температурах ниже температуры перехода эта область электрически изолирована p-n переходом, а выше - изоляция исчезает, и проводимость резистивной части микронагревателя резко увеличивается.
[20]Была изготовлена экспериментальная установка измерения микроперемещений. На фиг.2 показан график зависимости выходного сигнала микронагревателя-терморезистора от расстояния до измеряемого объекта. При шаге «оцифровки сигнала» ±0,1 мВ точность измерения микроперемещений составляет ±20 нм. Конструкция реализована в приборе для измерения остаточного давления. В качестве чувствительного элемента используется тонкая мембрана, к которой, с одной стороны, подводится калиброванное давление, а с другой - давление, измеряемое в рабочей камере. Перемещение мембраны служит показателем давления в рабочей камере. Получены следующие метрологические характеристики на различных диапазонах измерений остаточного давления: 1 Атм…10000 Па - ±100 Па; 10000 Па… 1000 Па - ±10 Па. Таким образом, экспериментальный образец прибора не уступает по характеристикам, выпускаемым на данный момент подобного класса приборам.
