微弱脈衝信號檢測器的製作方法

2023-05-04 22:19:26

專利名稱：微弱脈衝信號檢測器的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及傳感技術，尤其涉及一種微噴微流體慣性角速度傳感器中，在微小尺寸範圍內的流體分布檢測式微陀螺敏感信號的提取裝置。
背景技術：
利用轉動角速度產生的柯裡奧利力可以改變流體的空間速度、密度分布。分布的不均勻性可以表現在熱傳導的不均勻性方面。通過加熱式溫度敏感元件可以檢測熱傳導的不均勻性。在微陀螺中，流體(氣體)的流動是靠微噴技術實現的。溫度檢測是用半導體熱敏電阻來實現的。人們用壓電或電容靜電力驅動膜片往復運動帶動流體運動，膜片是氣體腔的一個側面。氣體腔對外有一小孔，小孔對外產生脈動氣流噴射效果。半導體熱敏電阻的阻值不但與溫度有關，而且與所受到的機械力引起的微應變有關。在微小的一體化結構中，半導體熱敏電阻與膜片固聯在同一基體上，膜片往復運動所產生的機械波嚴重地改變半導體熱敏電阻的阻值，這是一種裝置自我產生的嚴重的幹擾信號(以下稱機械幹擾)。在微小的一體化結構中，相互靠近的電路之間的雜散電容又產生了另一種形式的嚴重的自我幹擾(以下稱電場幹擾)。
機械幹擾和電場幹擾比柯氏力產生的信號大數倍，並且具有相同的基頻。用機械對稱，電氣對稱差動相消的方法原理上是可以消去這二種幹擾，但是工藝上卻難於實現。

發明內容
技術問題本實用新型的目的是提供一種在微小尺寸範圍內的流體分布檢測式微陀螺敏感信號的提取裝置，即微噴微流體慣性角速度傳感器中脈衝信號同步檢測器。
技術方案本實用新型的脈衝信號同步檢測器由蓋板和底座鍵合在一起所組成一個具有氣體腔、微噴小孔、氣流管道的空心體，氣流管道的外端通向該同步檢測器的外部，氣流管道的內端通過微噴小孔與氣體腔連通，在氣體腔的上端面設有薄膜片，第一電容極板位於氣體腔下部的底座上，第二電容極板位於氣體腔上部的的薄膜片的下側；第一熱敏電阻、第二熱敏電阻分別位於氣流管道內的蓋板和底座上。
該檢測器的另一種結構是在由蓋板和底座鍵合在一起所組成一個具有氣體腔、微噴小孔、氣流管道的空心體的檢測裝置中，氣流管道的外端通向該同步檢測裝置的外部，氣流管道的內端通過微噴小孔與氣體腔連通，在與微噴小孔相對稱的氣體腔的對面設有光注入透明窗，在光注入透明窗外設有半導體雷射器。
由於脈衝氣流的運動速度比固體中的脈衝波(機械幹擾)要慢，當然比脈衝電場幹擾傳播速度更慢。在脈衝機械波和脈衝電場到達半導體溫度敏感絲時，脈衝氣流還未到達，這段時間的半導體敏感部分的信號輸出都是幹擾。如果採用連續震蕩激勵，連續監測的方法，有用信號和幹擾都混在了一起。如果激勵和檢測交替進行，時間差一個氣體脈衝包運行間隔，並且激勵和檢測差一定相位同步。則可以在很大程度上避開幹擾。
只有氣體腔中氣壓的周期性變化，才能使出口小孔產生脈衝氣流。這裡提出兩種驅動氣體腔中氣壓的周期性變化的方法電容靜電力方法，光注入法。
1、電容靜電力方法氣體腔的上側是電容極板和連在一起的薄膜片，下側電容極板與基座相連。在電容兩極板上加上電壓，極板上的靜電力使膜片彎曲，從而改變了氣體腔體積，進而改變腔內壓力。極板上所加電壓是帶有直流偏置的交變電壓，或脈衝電壓。
2、光注入法氣體被注入熱量後可產生熱膨脹，從而產生氣體壓力變化。把半導體雷射器發出的脈衝光注入進氣體腔，可產生瞬時溫升，進而改變腔內壓力。這種方法所產生的前述人為幹擾要小，但工藝上仍不可完全避免，所以仍需要上述激勵和檢測交替進行的方法。
有益效果與現有技術相比，本實用新型具有如下優點1、由於採用激勵和檢測交替進行的方案，減少了機械幹擾和電場幹擾；
2、由於使用柯裡奧利力偏轉的脈衝氣流，檢測電路中可以採用交流耦合，減少了靜態直流零點調整的難度；3、由於採用取樣積分器電路，提高了微弱信號的檢測能力。


圖1是採用電容靜電力方法測量時使用的脈衝信號同步檢測器的結構示意圖。其中圖1a是剖視結構示意圖，圖1b是俯視結構示意圖。
圖2是採用光注入法測量時使用的的脈衝信號同步檢測器的結構示意圖。其中圖2a是剖視結構示意圖，圖2b是俯視結構示意圖。
以上的圖中有微噴小孔1、第一熱敏電阻2、第二熱敏電阻3、受柯裡奧利力偏轉的氣流4、蓋板5、氣體腔6、薄膜片7、第一電容極板8、第二電容極板9、底座10、氣流管道11、光注入透明窗12、半導體雷射器13。
圖3是本實用新型實施例電路結構示意圖。
圖4是圖3電路中採樣積分電路U2的結構示意圖。
圖5是圖3電路中時序調整電路U5的時序圖。
具體實施方式
本實用新型採用電容靜電力方法測量時使用的脈衝信號同步檢測器由蓋板5和底座10鍵合在一起所組成一個具有氣體腔6、微噴小孔1、氣流管道11的空心體，氣流管道11的外端通向該同步檢測裝置的外部，氣流管道11的內端通過微噴小孔1與氣體腔6連通，在氣體腔6的上端面設有薄膜片7，第一電容極板8位於氣體腔6下部的底座10上，第二電容極板9位於氣體腔6上部的的薄膜片7的下側；第一熱敏電阻2、第二熱敏電阻3分別位於氣流管道11內的蓋板5和底座10上。
本實用新型採用光注入法測量時使用的的脈衝信號同步檢測器由蓋板5和底座10鍵合在一起所組成一個具有氣體腔6、微噴小孔1、氣流管道11的空心體，氣流管道11的外端通向該同步檢測裝置的外部，氣流管道11的內端通過微噴小孔1與氣體腔6連通，第一熱敏電阻2、第二熱敏電阻3分別位於氣流管道11內的蓋板5和底座10上。在與微噴小孔1相對稱的氣體腔6的對面設有光注入透明窗12，在光注入透明窗12外設有半導體雷射器13。
圖3、4中有半導體第一熱敏電阻R1、半導體第二熱敏電阻R2，平衡調整電阻R5、R6，限流電阻R3、R4，差動放大器U1，直流隔離電路電容C3、直流隔離電路電阻R7，取樣積分器U2，放大器U3，時鐘U4，時序調整電路U5、放大驅動電路U6，靜電力驅動電容C1，直流偏置電阻R8，直流隔離電容C2。如果不採用電容靜電力驅動，而採用光注入法，用雷射器LAS、限流電阻R9代替靜電力驅動電容C1、直流隔離電容C2、直流偏置電阻R8。積分電路原理如圖2(b)所示，其中有差動放大器U7，電容C4、電阻R10、放大器U8組成積分電路，積分開關SW1、積分器清零開關SW2，採樣保持器U9，採樣保持器的邏輯控制S3。
由第一熱敏電阻R1、第二熱敏電阻R2，平衡調整電阻R5、R6，限流電阻R3、R4組成不平衡電橋；橋路電流使熱敏電阻被加熱，柯裡奧利力偏轉的脈衝氣流4改變了兩熱敏電阻的散熱條件，使兩電阻的自身溫度不同，從而出現阻值差的變化，橋路輸出的電壓發生變化，這個變化形成與脈衝氣流同步的幅值變化的脈衝。差動放大器U1從不平衡電橋取出差動信號進行放大。直流隔離電容C3濾除靜態直流成分，讓脈衝量通過。取樣積分器U2在時序分配的時刻對脈衝量進行積分，解決了微弱信號的檢測。放大器U3完成信號的最後放大和輸出。，時鐘源U4、時序調整電路U5產生時鐘脈衝，控制取樣積分器的工作，並產生驅動脈衝。驅動脈衝經由放大器輸出。放大器U6輸出電壓可經隔直耦合電容加到靜電力驅動電容極板上。直流偏置電阻R8對靜電力驅動電容加上偏置電壓。當採用光注入方案時，放大器輸出電壓經限流電阻R9向雷射二極體LAS提供脈衝直流。
不平衡電橋的調整方法為調整限流電阻R3、R4使橋路兩臂對機械幹擾振動引起的交流共模幹擾的靈敏度相同，交流共模輸出接近零；調整平衡調整電阻R5、R6使橋路靜態輸出接近零。
時序調整電路U5的時序如圖3所示。採樣積分控制信號S1比驅動控制信號S4落後，採樣積分控制信號S1動作n次，積分器輸出為一階梯鋸齒波，完成n次積分後採樣保持器的邏輯控制S3動作，把積分值(階梯波峰值)保存在採樣保持器中，之後積分清零控制信號S2動作，電容C4上電荷被復零，下一次驅動控制信號S4→採樣積分控制信號S1(n次)→保持控制信號S3→清零控制信號S2循環開始。n越大信噪比越大，但系統的跟蹤速度越慢。
權利要求1.一種微弱脈衝信號檢測器，其特徵在於該檢測裝置由蓋板(5)和底座(10)鍵合在一起所組成一個具有氣體腔(6)、微噴小孔(1)、氣流管道(11)的空心體，氣流管道(11)的外端通向該同步檢測裝置的外部，氣流管道(11)的內端通過微噴小孔(1)與氣體腔(6)連通，在氣體腔(6)的上端面設有薄膜片(7)，第一電容極板(8)位於氣體腔(6)下部的底座(10)上，第二電容極板(9)位於氣體腔(6)上部的的薄膜片(7)的下側；第一熱敏電阻(2)、第二熱敏電阻(3)分別位於氣流管道(11)內的蓋板(5)和底座(10)上。
2.根據權利要求1所述的微弱脈衝信號檢測器，其特徵在於在與微噴小孔(1)相對稱的氣體腔(6)的對面設有光注入透明窗(12)，在光注入透明窗(12)外設有半導體雷射器(13)。
專利摘要脈衝信號同步檢測器涉及傳感技術，尤其涉及一種微噴微流體慣性角速度傳感器中，在微小尺寸範圍內的流體分布檢測式微陀螺敏感信號的提取裝置。該檢測裝置由蓋板(5)和底座(10)鍵合在一起所組成一個具有氣體腔(6)、微噴小孔(1)、氣流管道(11)的空心體，氣流管道(11)的外端通向該同步檢測裝置的外部，氣流管道(11)的內端通過微噴小孔(1)與氣體腔(6)連通，在氣體腔(6)的上端面設有薄膜片(7)，第一電容極板(8)位於氣體腔(6)下部的底座上，第二電容極板(9)位於氣體腔(6)上部的的薄膜片(7)的下側；第一熱敏電阻(2)、第二熱敏電阻(3)分別位於氣流管道(11)內的蓋板(5)和底座上。
文檔編號G01C19/02GK2835951SQ20052007554
公開日2006年11月8日 申請日期2005年9月16日 優先權日2005年9月16日
發明者陳建元, 蘇巖, 丁衡高, 許康平 申請人:東南大學