Полупроводниковый интегральный тензоаксельрометр

 

Использование: приборостроение, повышение вибропрочности и точности измерения механических величин, например линейных ускорений,и т. д. Сущность изобретения: полупроводниковый интегральный тензоакселерЬмётр содержит рамку 1, расположенную в корпусе 2. Корпус 2 выполнен в виде двух крышек 3. 4. Внутри рамки 1 расположен выполненный за одно целое с ней консольно-защемленный упругий элемент 5 с профилированной областью 7 и инерционной массой 6. На упругом элементе ё расположена тензочувствйтёльная схема 8, расположенная над профилированной областью 7. В крышках 3, 4 симметрично относительно друг друга выполнены ступени 10, 11 с определенными геометрическими размерами элементов конструкции . 3 ил.

СОЮЭ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (я)ю G 01 P 15/12

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕ

ВЕДОМСТВО СССР (ГОСПАТЕНТ СССР) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИ . К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4768786/10 (22) 11.12.89 (46) 30.01.93, Бюл. N 4 (71) Научно-исследовательский институт измерительной техники (72) Л.Г. Архарова и Б.И. Пивоненков (56) Авторское свидетельство СССР

N 504978, кл. G 01 Р 15/12, 1969.

Ваганов В.И, Интегральные тензопреобразователи. M., Энергоатомиздат, 1983.. (54) ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЙ ИНТЕГРАЛЬНЫЙ ТЕНЗОАКСЕЛЕРОМЕТР (57) Использование: приборостроение, повышение вибропрочнасти и точности измерения механических величин; например

Изобретение относится к измеритель- ной технике и может быть использовано в датчиках механических величин, например, вибрации, линейных ускорений и т. д.

Известен тензоакселерометр, содержащий корпус с расположенной в нем консольно-защемленной балкой с выполненной на ней тензочувствительной схемой.

Указанный тенз акселерометр обладает малой чувствительностью ввиду большой жесткости балки, кроме того, функционирование акселераметра обеспечивается при использовании пассивных навесных рези. сторов, что приводит к существенному ега усложнению (увеличению габаритов, веса и т,д.), а следовательно, к резкому уменьшению точйости измерения.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является интегральный тензоакселерометр, содержащий рамку, расположенную в корпусе, выполнен ом в виде двух крышек, внутри рамки

„„5UÄÄ 1791782 А1

2 линейных ускорений и.т. д. Сущность изобретения; полупроводниковый интегральный тензоакселераметр содержит рамку 1, расположенную вкорпусе 2,,Корпус 2 выполнен в виде двух крышек 3, 4. Внутри рамки 1 расположен выполненный за одно целое с ней кансольно-зэщемленйый упругий элемент 5 с профилированной областью

7 и инерционной массой 6. На упругом элементе 5 расположена тейзочувствительная схема 8, расположенная над профилированной областью 7. В крышках 3, 4 симметрично относительно друг друга выполнены ступени 10, 11 с определенными геометрическими размерами элементов конструкции. 3 ил.

I расположен консально-защемленный. вы- полненный заодно с рамкой упругий элемент с расположенной над профилировайной областью тензочувствительной схемой, Преимуществом дайного тензоакселерометра является то, что он представляет собой микраконструкцию иэ кремния в интегральном исполнении, у которого профилированная область выполняет роль концентратора напряжения, благодаря чему чувствительность ега больше по сравнению с аналогом. Роль груза в данном случае играет сама консоль, Bt полнейная иэ кремния заодно с упругим элементом. Однако указанный акселерометр обладает низкой вибропрачностью и точностью.

Это обусловлено главным образом тем, при воздействии вибра- и ударных ускорений, превышающих определенный уровень, процесс ограничения носит ударный характер, при этом на прафилированные пере1791782 мычки действуют две силы: сила инерции, F««, приложенная к точке вблизи центра инерции груза, и противодействующая ей сила ограничения Рогран, приложенная к концу консоли со стороны крышек. Ввиду 5 несовпадения точек приложения этих сил возникает крутящий момент М, что приводит к разрушению балки в области профилированных перемычек. В этом случае эффективность ограничения низка, а, следо- 10 вательно, невысока вйбро- и ударопрочность тенроакселерометра.

Кроме того, даннаяконструкция не обеспечивает эффектйвного демпфирования, поэтому добротность системы велика, Это 15 приводит к тому, что тензоакселерометр обладает большйми неравномерностью амплитудно-частотной характеристики (АЧХ) и амплитудой паразитного сигнала, что обус- лавливает уаелйченйе погрешности измере- 20 ния, т. е. умЕньшение точности.

Целью изобретения является повышение вибропрочности и точности йзмерения.

Цель достигается тем, что в Йзвестйом интегральном тензоакселерометре; содер- 25 жащем рамку, расположенную в корпусе," выполйенном в виде двух крышек, внутри которой расположен консольно-защемлен- ный, выполненный заодно с рамкой упругий элемент с инерционной массой и располо- 30 женной над профилированной областью тензочувствительйой схемой, в крышках симметрично относительно друг друга выполнены ступени, ориентированные .перпендикулярно оси упругого элемента и 35 расположенные соответственно над и под

" инерционной массой на расстоянии Li от профилированной области с тензосхемой и глубине h, причем L =2/3l; h =-3/2Н>, где 1 — расстояние от профилированной области 40 с тензосхемой до конца упругого элемента;

Н вЂ” велйчина зазора между упругим элементом и крышками вблизи профилированной области или йа инерционной массе со сторойы нижней крышки выполнена сту- 45 пень, Технических решений, имеющих при- . знаки, сходные с отличительными, нами не обнаружено.

На фиг. 1 представлена конструкция полупроводникового интегрального тензоак- 50 селерометра; нэ фиг. 2 — часть конструкции интегрального тензоакселерометра в увеличенном масштабе для наглядности; на фиг.

3 — конструкция интегрального тензоаксе- лерометра, s котором в крышках выполнены 55 ступени.

Полупроводниковый интегральный тензоакселерометр содержит рамку 1, расположенную в корпусе 2, выполненном в виде двух крышек 3 и 4. Внутри рамки 1 расположен консольно-защемленный, выполненный заодно с рамкой упругий элемент 5, на конце которого расположена инерционная масса 6. На упругом элементе 5, над профилировэнной областью 7 расположена тензочувствительная схема 8 с контактными площадками 9. В интегральном тензоакселерометре в крышках 3 и 4 симметрично относительно друг друга выполнены ступени 10, 11, которые ориентированы перпен дикулярн о оси упругого элемента 5 и расположены над и под инерционной массой 6 нэ расстоянии L1 от профилированной области 7 с тензосхемай 8 и глубине К причем L> = 2/3L; h = 3/2h1, где 1 — расстояние от профилированной области с тензосхемой

8до конца упругого элемента 5; hi — величина зазора между упругим элементом 5 и крышками 3 и 4 вблизи профилированной области 7 (см. фиг, 3).

Устройство по фиг, 1, 2 работает следующим образом, При воздействии измеряемого. ускорения на упругий элемент 5 действует сила йнерции F = m п, где m— масса; n — измеряемое ускорение, в результате чего он деформируется. Максимальная величйна деформации достигается в области минимальной жесткости упругого элемента 5, т, е, в зоне над профилированной областью 7. Тензочувствительная схема 8 преобразует деформацию. в электрический сигнал, при максимальном измеряемом ускорении наступает ограничение перемещения груза; т. е. консоль своим концом касается дна нижней или верхней крышек, В результате нэ профилированные перемычки 7 действует крутящий момент М пары сил. сила инерции F««и силы ограничения Р,>гран(см. фиг. 2), который приводит к разрушению балки в области 7. Вибропроч-. ность в этом случае очень низка, а также велика погрешность измерения ускорения из-за значительной неравномерности АЧХ, т. е. тем самым акселерометр-прототип обладает невысокой точностью.

8 предлагаемом интегральном тензоакселерометре, выполненном, как показано на фиг. 3, указанные недостатки отсутствуют, это достигается тем, что в крышках 3 и 4 симметрично относительно друг друга выполнены ступени 10, 11, которые ориентированы перпендикулярно оси упругого элемента 5 и расположены над и под инерционной массой 6 (грузом) нэ расстоянии Li от профилированной области 7 с тензосхемой 8 и глубине h. причем Li = 2/3L; h.=

=3/2hi, где L — расстояние от профилированной области до конца. упругого элемента

5; 1ц — величина зазора между упругим элементом 5 и крышками 3 и 4 вблизи профили1791782 ровэнной области 7 (см. фиг. 2). При указанной длине L> и глубине h расположения ступеней 10, 11 под действием ускорений, превышающих определенный уровень, ограничение перемещения груза происходит при касании последним ступеней.

Для удобствэ сравнительного анализа заявляемого решения и прототипа предположим, что они обладают равным диапазоном измерения сигнала, т, е. что ограничение в обеих конструкциях достигается при равном сигнале (а значит, при одной и той же деформации тензосхемы, т, е. при одном и том же угле поворота груза относительно профилировэнной области)

Кэк видно из чертежей, при этом исходный зазор между грузом и крышками в прототипе будет равен h — зазору в заявляемой конструкции в области ступеней, Величина же h> в заявляемой конструкции будет меньше: h = 2l3h. Очевидно, что в результате демпфирование (трение о воздух) B заявляемой конструкции будет более эффективным, в свою очередь это означает меньшую величину добротности, а знэчит, меньшую неравномерность АЧХ в рабочей полосе частот и меньшие амплитуды высокочастотных сигналов по сравнению с прототипом. Таким образом, заявляемая конструкция при том же динамическом диапазоне обладает меньшей величиной динамической погрешности, т. е. обеспечивает более высокую точность измерений, Рассмотрим теперь более детально процесс огрэничения перемещения груза в заявляемом решении, например, под воздействием удара с амплитудой, превышающей номинальную, и его отличия по сравнению с прототипом.

Во-первых, процесс ограничения будет носить более плавный характер, а именно груз в момент ограничения будет обладать меньшей скоростью (по сравнению с прототипом), это вызвано тем, что, как показано выше, заявляемое решение обладает более эффективным демпфированием, т. е, в нем реализуется большее воздушное трение, Во-вторых (и это, пожалуй, более важно с точки зрения повышения вибро- и ударопрочности), точка приложения силы (реакции) со стороны крышки меняется (по сравнению с прототипом), в заявляемой конструкции сила прикладывается не к концу груза, а к точке, расположенной над краем ступени, т. е. удаленной от профилированной области нэ Lr =- 2/3L.

Как следует из уравнения движения груза, в этом случае дополнительные воздействия ударного характера (перерезывающая силл 6 частности) на профилированную об5

20

40

50 ласть пренебрежимо малы. Поскольку именно эти воздействия обуславливали разруше-ние упругого элемента в прототипе. то заявляемое решение обеспечивает значительное повышение вибро- и удэропрочности.

Заявляемое расположение ступеней и их глубина являются оптимальными и обеспечивают максимальный полезный эффект. Изменение их расположения или глубины снижает полезный эффект, естественно, необходимо сравнивать конструкции с одинаковым уровнем ограничения, тем же, что в прототипе (т, е. с тем же углом наклона кон5 соли при ограничении). При пропорциональном увеличении L и h< уровень огрэничения не изменится, но при огрэничении возникнут те же отрицэтельные эффекты, что и в прототипе, хотя и в меньшей степени.

При уменьшении L1 и h1(no отношению к оптимэльному) также возникнут те же отрицательныее эффекты (лишь перерезывающая сила. действующая на

5 профилировэнную перемычк, при ограничении, и заменит знак), Наконец, при увеличении глубины ступеней, т, е, если h > (l ) hi, уровень ограничения не изменится, т. к. ограничение будет происходить в конце консоли, но при этом будут иметь место те х<е отрицательные эффекты, что и в прототипе, а эффективн6сть демпфирования по сравнению с оптимальным выполнением будет ниже.

Таким образом, заявляемое решение по сравнению с прототипом обеспечивает более высокую точность измерений и сущест- " венно повышает вибро- и удэропрочность акселерометра.

Испытания лабораторных образцов интегральных тензоакселерометров показали, что повышение вибропрочности составило

3.„10 раз (3 образца), ударопрочности — 5 ...17 раз (5 образцов). Кроме того, в силу более эффективного демпфирования испытанные тенэоакселерометры обладали добротностью Q = 1;5 ... 3 и неравномерйостью

АЧХ 3% (у известного тензоакселерометра с тем же уровнем ограничейия добротность системы составляла 0 = 3 ... 10 и более; неравномерность А4Х вЂ” 10 у, ). Таким образом, заявляемое решение обеспечивает и повышение точности.

Использование предлагаемого интег5 рального тензоакселерометрэ по сравнению с известным тензоэкселерометром позволит обеспечить следующее:

- повысить вибро- и ударопрочность в 5 ... 10 раз;

- повысить точность измерений.

1791782!

1 г,.3

Составитель В.Костин

Техред M.Ìoðãåíòàë Корректор Н.Ревская

Редактор

Заказ 150 Тираж . Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

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

Производственно-издательский комбинат "Патент", r. Ужгород, ул.Гагарина, 101

Формула изобретения

Полупроводниковый интегральный тензоакселерометр, содержащий рамку, расположенную в корпусе, выполненном в виде двух крышек, внутри рамки расположены 5 выполненные за одно целое с ней консольно-защемленный упругий элемент с профилированной областью и инерционной массой. а также тензочувствительную схему., расположенную над профилированной 10 областью, отл и ч а ю щийс я тем, что, с целью повышения вибропрочности и точноУ 8 сти, в крышках вблизи профилированной области симметрично относительно друг друга выполнены ступени, ориентированные перпендикулярно к оси упругого эле-", мента, длиной от профилированной области с тензосхемой и глубиной h, причем

I > L h > Н, где 1. — расстояние от

2 1 профилированной области с тензосхемой до конца упругого элемента: Н вЂ” расстояние между упругим элементом и крышками перед ступенями.