Катодно-модуляторная система для контроля наноперемещений

Катодно-модуляторное устройство включает в себя не менее двух катодов из углеродных материалов, механический резонансный чувствительный элемент, перемещающийся под действием внешней периодической силы, и систему обработки сигналов. Резонансный чувствительный элемент обладает высокой добротностью, что максимизирует отклик на сигнал в нужной частотной области и обеспечивает отстройку от нежелательных шумов. Чувствительный элемент выполняет функцию анода, а также модулирует ток за счет своего перемещения, что приводит к изменению поля в области катода. Несколько катодов используются для подавления нестабильностей автоэмиссии. Для измерения величин во временной области используется несколько чувствительных элементов (модуляторов) с различной резонансной частотой и по зарегистрированным от них откликам вычисляется обратное преобразование Фурье.

Данная схема используется в датчике вибраций или ускорений, когда колебания чувствительного элемента возбуждаются за счет сил инерции, а также в датчике магнитного поля, когда колебания возбуждаются за счет силы Лоренца действующей на балку чувствительного элемента, по которой протекает переменный электрический ток. Для подстройки частоты возбуждающего электрического тока в датчике магнитного поля используется схема фазовой автоподстройки частоты.

Полезная модель относится к измерительной технике и может быть использована для контроля наноперемещений объектов, что, в свою очередь, может быть использовано для измерения ускорений, вибраций, магнитных полей.

Известен интегральный микромеханический акселерометр на основе туннельного эффекта [RU 2289822 С1 (Рындин Е.А., Приступите Н.K.), 19.07.2005], содержащий подложку, неподвижный электрод, инерционную массу, расположенную с зазором относительно неподвижного электрода, выполненную в виде пластины из полупроводникового материала, подвижный электрод, расположенный на инерционной массе и образующий с неподвижным электродом туннельный контакт, используемый в качестве преобразователя перемещений, упругую балку, которая одним концом жестко соединена с инерционной массой, а другим жестко закреплена относительно подложки, металлический нагревательный элемент.

Хотя известный акселерометр решает задачу прецизионного измерения ускорения вдоль оси, он обладает такими недостатками, как низкий динамический диапазон из-за использования туннельной считывающей системы и относительно высокие требования к вакууму.

Известен датчик ускорения с алмазным автоэмиттером [US 5679895], содержащий алмазный катод, один подвижный электрод и один неподвижный электрод.

Недостатками данной конструкции являются высокие требования к вакууму и сильное влияние нестабильности автоэмиссионного тока на измерения.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому изобретению является патент [RU 2390031 С1 (Маринушкин, Левицкий), 24.02.2009], раскрывающий устройство, состоящее из крестообразного подвеса, центральная часть которого закреплена относительно якорной области, и опорной рамки, соединенной с крестообразным подвесом и закрепленной относительно инерционной массы, вспомогательных подвижных электродов закрепленных по углам опорной рамки. Эта схема обеспечивает расширение динамического диапазона измерений возбуждающей силы за счет приложения компенсирующей электростатической силы на чувствительный элемент через указанные вспомогательные электроды

Недостатками данной конструкции являются высокие требования к вакууму и сильное влияние нестабильности автоэмиссионного тока на измерения. Кроме того такая схема компенсации оказывается эффективна только на низких частотах, ниже собственной резонансной частоты чувствительного элемента.

Задача создания полезной модели состояла в увеличении точности измерения амплитуды высокочастотных (порядка нескольких килогерц) колебаний механического чувствительного элемента (модулятора).

Указанная задача решается тем, что катодно-модуляторное устройство содержит автоэмиссионные катоды, чувствительный элемент для измерения силы воздействия, закрепленный над катодами с помощью упругого подвеса и выполненного из электропроводного материала или имеющий покрытие из электропроводного материала, источника постоянного напряжения, положительный вывод которого подключен к чувствительному элементу, а отрицательный вывод к катодам, согласно полезной модели, по меньшей мере два катода расположены под различными областями чувствительного элемента, имеющего высокую механическую добротность, таким образом, что из предварительного расчета известны ожидаемые сдвиги фазы и соотношение амплитуд токового сигнала отдельных катодов, при этом каждый катод имеет отдельные цепи для измерения электрического тока, выходы которых соединены с предусилителями, которые, в свою очередь, присоединены к устройству усреднения или к медианному фильтру, выход которого соединен с дифференциальным усилителем, к которому также присоединен исходный сигнал с предусилителя и полученный разностный сигнал соединен с интегратором ошибки (соответствующего канала), выходное напряжение которого присоединено к входу управления коэффициентом усиления предусилителя (соответствующего канала), при этом в качестве выходного сигнала устройства используют выход устройства усреднения или медианного фильтра.

При этом, в катодно-модуляторном устройстве чувствительный элемент выполнен в виде балки, к которой присоединен источник переменного электрического тока (возбуждающий сигнал), частота которого управляется внешним сигналом, а сигнал с выхода устройства усреднения или медианного фильтра дополнительно присоединен к одному из входов фазового детектора, при этом второй вход фазового детектора присоединен к источнику возбуждающего сигнала, а выход фазового детектора присоединен ко входу управления частотой источника возбуждающего сигнала. Причем катод выполнен и углеродного материала, в частности из углеродных нанотрубок.

Существенным отличием предложенной системы считывания является то, что токи автоэмиссии различных катодов оказываются взаимосвязаны друг с другом, но не обязательно идентичны, так как катоды расположены вблизи разных частей колеблющегося электрода (модулятора). Известная форма используемой моды колебания делает известной связь между отклонениями модулятора в различных его частях, а известное (на этапе проектирования) расположение катодов позволяет предсказать теоретически взаимосвязь их токов (соотношение амплитуды и фазы для различных катодов), что, при наличии достаточного числа катодов, позволяет корректировать их показания, учитывая тот факт, что нестабильность автоэмиссионного тока каждого из них является независимой случайной величиной.

В качестве автоэмиссионных катодов используются катоды из углеродных материалов, таких, как углеродные микро- и нановолокна или нанотрубки, что позволяет повысить срок службы катода, а также стабильность эмиссионного тока. Повышение срока службы катода обусловлено присущей углеродным материалам «статистической» устойчивостью поверхности катода к ионной бомбардировке при повышенном давлении остаточных газов. Под этим понимается тот факт, что для углеродных материалов ионная бомбардировка (за счет ионов остаточных газов) не приводит к необратимому разрушению катода, а лишь увеличивает уровень флуктуации (шума) эмиссионного тока.

Полезная модель поясняется чертежами. На фиг.1. изображена блок-схема фильтра сигнала. На фиг.2 изображена общая блок-схема.

Схема одного из контуров корректирующей цепи для случая трех катодов показана на фиг.1. Сигнал, поступающий с катода, усиливается с помощью усилителя с переменным коэффициентом усиления. Затем вычисляется среднее значение или медиана предусиленных значений сигналов со всех катодов. Среднее значение сравнивается с предусиленным значением входного сигнала, и их разница воспринимается как сигнал ошибки, возникающей из-за нестабильности эмиссии. Этот сигнал ошибки поступает в усилитель ошибки, а затем в интегратор. Сигнал интегратора определяет усиление входного усилителя. Выходным сигналом считается среднее всех предусиленных входных сигналов.

Такой подход позволяет избавиться от шума, возникающего из-за перестройки поверхностей автоэмиттеров под действием ионов остаточных газов, что понижает требования к вакууму в объеме прибора. При этом, в отличие от временного усреднения сигналов, такой подход не ухудшает временной отклик устройства, так как цепь компенсации работает на гораздо более высоких частотах, чем резонансная частота чувствительного элемента.

Для использования устройства в качестве контактного виброметра механический чувствительный элемент выполняют в виде тонкой балки из проводящего материала или тонкой балки покрытой слоем проводящего материала. Собственная частота балки должна соответствовать частоте измеряемой вибрации. Чувствительность системы к ускорениям зависит от добротности балки и резонансной частоты.

При необходимости измерения вибраций на нескольких частотах используются несколько чувствительных элементов расположенных на одном кристалле (подложке), каждый из которых настроен на свою собственную частоту.

При необходимости измерения сигнала во временной области используют несколько чувствительных элементов, перекрывающих интересующий частотный диапазон. Опорными сигналами их квадратурных детекторов являются частоты, получаемые контурами фазовой автоподстройки частоты, работающими от общего опорного осциллятора. Это позволяет зафиксировать относительные фазы сигналов квадратурных детекторов, что позволяет использовать обратное преобразование Фурье для реконструкции сигнала во временной области.

Если добротности каждого из осцилляторов относительно низки, для минимизации спектрального уширения используется деконволюция Винера перед выполнением преобразования Фурье.

Данный метод считывания можно использовать для измерения не только механических вибраций, но и других физических величин. В частности для измерения магнитного поля используется возбуждение колебаний балки чувствительного элемента за счет силы Лоренца. Для этого по балке чувствительного элемента пропускается переменный электрический ток на частоте близкой к резонансной частоте балки. Если сечение балки обладает значительной асимметрией, значительное отклонение под действием силы Лоренца будет возникать только в направлении, вдоль которого балка имеет меньшую толщину. Это позволяет регистрировать только одну компоненту вектора магнитного поля, а при необходимости располагая три взаимно перпендикулярные балки регистрировать вектор магнитного поля полностью.

Для того, чтобы поддерживать максимальную чувствительность датчика, несмотря на температурные дрейфы, приводящие к сдвигу резонансной частоты, частоту тока следует подстраивать. Для выполнения данной задачи используется система фазовой автоподстройки частоты. При отклонении частоты тока от резонансной, между колебаниями чувствительного элемента и током сдвиг фаз станет отличным от , что используется для корректировки частоты. Схема системы автоподстройки изображена на фиг.2.

Разность фаз между током и колебаниями чувствительного элемента измеряется квадратурным детектором. Отклонение ее от резонансной считается ошибкой, усиливается и интегрируется. Полученный сигнал подается на генератор, управляемый напряжением (ГУН), генерирующий ток возбуждения. Выходным сигналом считается отклонение балки. Для расширения динамического диапазона используется логарифмический усилитель с пиковым детектором.

Таким образом, описанное катодно-модуляторное устройство может использоваться для детектирования любых физических величии, способных вызвать отклонение чувствительного элемента (модулятора). В частности, система может использоваться для прецизионного измерения вибраций, в том числе и во временной области, а также магнитных полей. Преимуществами являются малый размер, высокая точность и низкие требования к вакууму ввиду использования алгоритмов подавления нестабильностей за счет использования нескольких катодов и изготовления катодов из углеродных материалов.

1. Катодно-модуляторное устройство, содержащее автоэмиссионные катоды, чувствительный элемент для измерения силы воздействия, закрепленный над катодами с помощью упругого подвеса и выполненного из электропроводного материала или имеющий покрытие из электропроводного материала, источник постоянного напряжения, положительный вывод которого подключен к чувствительному элементу, а отрицательный вывод к катодам, отличающееся тем, что по меньшей мере два катода расположены под различными областями чувствительного элемента, имеющего высокую механическую добротность, таким образом, что из предварительного расчета известны ожидаемые сдвиги фазы и соотношение амплитуд токового сигнала отдельных катодов, при этом каждый катод имеет отдельные цепи для измерения электрического тока, выходы которых соединены с предусилителями, которые, в свою очередь, присоединены к устройству усреднения или к медианному фильтру, выход которого соединен с дифференциальным усилителем, к которому также присоединен исходный сигнал с предусилителя и полученный разностный сигнал соединен с интегратором ошибки (соответствующего канала), выходное напряжение которого присоединено к входу управления коэффициентом усиления предусилителя (соответствующего канала), при этом в качестве выходного сигнала устройства используют выход устройства усреднения или медианного фильтра.

2. Катодно-модуляторное устройство по п.1, отличающееся тем, что чувствительный элемент выполнен в виде балки, к которой присоединен источник переменного электрического тока (возбуждающий сигнал), частота которого управляется внешним сигналом, а сигнал с выхода устройства усреднения или медианного фильтра дополнительно присоединен к одному из входов фазового детектора, при этом второй вход фазового детектора присоединен к источнику возбуждающего сигнала, а выход фазового детектора присоединен к входу управления частотой источника возбуждающего сигнала.

3. Катодно-модуляторное устройство по п.1 или 2, отличающееся тем, что катод выполнен из углеродного материала, в частности из углеродных нанотрубок.