Тензометрический акселерометр

 

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК

А (i9) SU(iI) (5g 4 (i 01 P 15/12

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ /

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И OTHPblTHA (21) 3722335/24-10 (22) 05.04.84 (46) 07.01 .86.Бюл. И 1 (71) Всесоюзный институт по проектированию организаций энергетического строительства "Оргэнергострой" (72) Э.Л.-Егиазарян (53) 531.768 (088.8! (56) Элементы приборных устройств,/

Под ред. О.Ф.Тищенко, М.: Высшая школа,1982,.ч., с.168-170, рис.22,37, (54)(57) 1.ТЕНЗОМЕТРИЧЕСКИЯ АКСЕЛЕРОИЕТР, содержащий корпус, инерционную массу, закрепленную в корпусе на упругой консоли из полупроводникового материала, имеющей концентратор механических напряжений в виде вырезов в месте ее крепления в корпусе и .полупроводниковые тензорезисторы, расположенные на консоли, отличающийся тем, что, с целью повышения чувствительности акселерометра, вырезы выполиены в виде многоугольных прорезей, тензорезисторы расположены напротив вершин прорезей и каждый.из них ориентирован поперек биссектрисы, угла вершины, при этом геометрические размеры тензорезистора и прорези выбраны из соотношения — > (!; — ) !1 )c-" с !1б, ° . 9 .11 g11! ! где q — размер области распространения концентрации местных напряжений; — расстояние между двумя вершинами противоположных прорезей, расположенных вдоль поперечной оси тензорезистора;

)и — расстояние между двумя вершинами противоположных прорезей, расположенных вдоль продольной оси тензорезистора; — соответственно длина и ширина тензорезистора.

2. Акселерометр по п.1, о т л и— ч а ю шийся тем, что прорези расположены последовательно вдоль главных кристаллографических осей полупроводникового материала консоли, а тензорезистор расположен между вершинами смежных прорезей, при этом геометрические размеры их связаны между собой следующим соотношением, (Г(- — В ) )1 где h — расстояние между двумя смежными вершинами углов прорези;

/ — число вершины углов прорези.

3.Акселерометр по пп. 1 и 2, отличающийся тем, что консоль имеет дополнительные прорези, вершины которых расположены на продольной оси тензорезистора, а рас стояния между ними определяется соотношением

9 1„ . - - !!

12034

30

Изобретение относится к измерительной технике, в частнос ги к микро1 электронным измерительным преобразователям ускорений, и может быть использовано для измерения ускорений при движении различных объектов.

Цель изобретения — повышение чувствительности тенэометрического акселерометра °

На фиг.l представлена конструкция 10 тенэометрического акселерометра с полной мостовой схемой измерения; на фиг.2 — то же, с другим вариантом расположения концентраторов напряжений и с полумостовой схемой измерения; на фиг.3 — упрощенная объемная эпюра механических напряжений вблизи углов вырезов, объясняющая механизм возникновения небольших местных напряжений у концентраторов напряжений; на фиг.4 и 5 — эпюры напряжений (объемная и плоская) у концентраторов напряжений, объясняющие механизм возникновения зон концентраторов напряжений: 25

Тензометрический акселерометр (фиг.l и 2) содержит полупроводниковую пластину 1 любого типа проводимости, например, монокристаллическую кремневую пластину и -типа.

Полупроводниковая пластина 1 разделена фигурными прорезями 2, являющимися концентраторами напряжений, на две части: подвижную часть

3 — инерционную массу и неподвижную

35 часть 4. Таким образом, акселерометр представляет собой консольно закрепленную в корпусе (корпус условно показан штриховыми линиями) полуйроводниковую пластину с компонентами измерительной схемы на ее поверхности.

На поверхности полупроводниковой пластины вблизи заделки между двумя фигурными прорезями методами микроэлектронной технологии, диффузией или ионным легированием выполнены элементы измерительной схемы — полупроводниковые тензореэисторы 5.

Тензорезисторы имеют проводимость

50 р-типа, т.е. обратную с пластиной проводимость и соединены между собой токопроводящими дорожками 6. Токопроводящие дорожки выполнены методами ионного легирования или металлизации и выполняют

55 роль соединительных проводников между компонентами электрической схемы на пластине 1. Токопроводя39 2 щие дорожки 6 соединены с контактными площадками 7, служащими для соединения выводных проводников для подключения измерительной схемы акселерометра к внешним электрическим цепям. Оси тензорезисторов направлены по кристаллографическим осям наибольшей чувствительности.

Акселерометр работает следующим образом.

Пластина 1, разделенная вырезами

2 на подвижную часть 3 (инерционную массу) и неподвижную часть 4, своей неподвижной частью 4 закрепляется на объекте.

Под действием инерционных сил при наличии, например, виброускорений, подвижная часть 3 совершает колебательные движения. Прогиб пластины 1 происходит в основном в зоне вырезов 2. Под действием возникающих напряжений в этой зоне, тензорезисторы 5, включенные в мостовую схему, меняют свои параметры, т.е. получают приращения + Ь . В результате этого измерительная мостовая схема, сбалансированная в нормальном состоянии, приходит в состояние раэбаланса. При этом тензорезисторы на поверхности балочки расположены в поперечно-продольных направлениях, поэтому два противоположных плеча моста получают приращение К + ьК, а два других К вЂ” tR, т.е. разбаланс моста при таком конструктивном решении — наибольший;

С помощью контактных плошадок 7 и токопроводящих дорожек 6 на мостовую схему подается питающее напряжение, с двух других плеч моста с помощью другой пары токопроводящих дорожек 6 и контактных площадок снимается выходной сигнал, т.е. сигнал разбаланса моста. Полученное таким образом выходное напряжение пропорционально возникающим в зоне концентраторов 2 механическим напряжениям и в конечном итоге является выходным сигналом акселерометра, пропорциональным измеряемым ускорениям.

Вершины концентраторов напряжений, направленные в сторону тензорезисторов, имеют пилообразную форму. Вершины указанных пил. т.е. вершины углов„ являются центрами концентрации напряжений. Радиус у вершин углов Я -ъ О. Это необходимое условие

1203439 для получения максимальных напряжений у вершины угла.

Чем больше величина механических напряжений в зоне расположения полупроводниковых тензорезисторов, тем больше изменение величины их относительного сопротивления, и соответственно выше чувствительность акселерометра.

Зпюры напряжений чувствительного элемента акселерометра (фиг.3) представлены без учета концентраторов механических напряжений (эпюры 8 6») и с концентраторами напряжений (эпюры 9. bz).Здесь приведен фрагмент сечения по Х»- Х» акселерометра (фиг.2).

Напряжения б и б складываются и суммарное напряжение 10 — G фиг.4) у вершин углов фигурных вырезов становится равным 6 = 6» +б .Кривыми 11 иллюстрируются примерные формы распределения напряжений 9 в упругой консоли вблизи вершин прорезей .

Здесь показано как суммируются напряжения у вершин прорезей и каким образом образуют зону концентраций напряжений.

Механизм суммирования абсолютных значений напряжений представлен на ! фиг.5. Величиной 1. обозначена ширина области, где можно расположить тензорезистор. Максимальное значение напряжения 6 в зоне концентраторов выбирается из условия неразрушения конструкции акселерометра.

Таким образом, у каждой вершины

А,В.С,Р (фиг.3) прорезей получаем напряжения с местными, отдельными всплесками максимальных значений б

Зона } распространения этих напряжений определяется экспериментально.

Зона, ограниченная размером (}, мала, поэтому очень важно создание некоторой площади на упругом элемен10 те, полностью находящейся в зоне максимальньтх напряжений. Эта площадь ограничена размерами щ и И

Для получения максимальной чувствительности акселерометра, созда15 ние отдельных местных напряжений 9 является необходимым,но недостаточным условием,так как геометрически напряжение 9 охватывает малую площадь, на которой формировать тензо20 резистор или тем более всю измерительную схему невозможно. Достаточным условием получения максимальных механических напряжений, охватывающих большие пространства на

25 чувствительном элементе акселерометра, являются создание не отдельных концентраторов местных напряжений 9, а создание сплошной зоны напряжений 10, которая полностью перекры311 вает отдельный тензорезистор или всю измерительную схему. Удовлетворить это требование можно только при оптимальном выборе формы, размеров и взаимного расположения один относительно другого вырезов в

35 чувствительном элементе акселерометра.

1203439

1203439

8411/48 Тираж 896 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д.4/5

Заказ

Филиал ППП "Патент", г.ужгород, ул. Проектная, 4

Составитель А.Трунов

Редактор Л.Зайцева Техред Т.Дбуинчак Корректор Л.Патай