Чувствительный элемент интегрального акселерометра

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано при изготовлении интегральных акселерометров. Чувствительный элемент выполнен из проводящего монокристаллического кремния и содержит маятник, соединенный с помощью упругих подвесов с каркасной рамкой, которая через неподвижную обкладку с помощью консольной балки соединена с несущей рамкой. Несущая рамка площадками крепления жестко соединена с основанием акселерометра, что позволяет исключить контактные напряжения в каркасной рамке, влияющие на точность прибора. 2 ил.

 

Изобретение относится к измерительной технике и может применяться в интегральных акселерометрах.

Известен чувствительный элемент интегрального акселерометра, который содержит маятник и упругие подвесы, соединяющие маятник с рамкой чувствительного элемента, которая непосредственно крепится к основанию [1].

Недостатком такого чувствительного элемента является низкая точность, связанная с влиянием контактных напряжений, возникающих в местах крепления рамки, на упругие подвесы маятника.

Известен также чувствительный элемент интегрального акселерометра, содержащий кремниевый проводящий маятник, соединенный с помощью упругих подвесов с рамкой, которая одновременно выполняет роль жесткого каркаса чувствительного элемента, при этом опорные крепления для анодного соединения чувствительного элемента с неподвижным основанием акселерометра расположены непосредственно на рамке [2].

Недостатком данного устройства является нестабильность смещения нулевого сигнала вследствие высокого уровня контактных напряжений, возникающих в местах расположения опор крепления, а следовательно, снижение точности прибора в целом.

Задачей, на решение которой направлено данное изобретение, является снижение влияния контактных напряжений в рамке чувствительного элемента и, как следствие, повышение точности акселерометра.

Поставленная задача достигается за счет того, что чувствительный элемент интегрального акселерометра, содержащий кремниевый проводящий маятник, соединенный упругими подвесами с каркасной рамкой, обкладки, соединенные с каркасной рамкой через площадки, расположенные на рамке, в чувствительный элемент введена дополнительная несущая рамка крепления, соединенная консольной балкой со свободной стороной одной из обкладок чувствительного элемента, в ее центральной части и жестко соединенная с неподвижным основанием акселерометра.

Существенным отличием заявленного устройства по сравнению с известным является то, что несущая рамка крепления чувствительного элемента к неподвижному основанию и свободная сторона одной из обкладок чувствительного элемента соединены между собой посредством консольной балки, а каркасная рамка, на которой подвешен маятник, расположена между двумя обкладками с обратной стороны крепления консольной балки к обкладке, что исключает влияние контактных напряжений от мест крепления к упругим подвесам.

Предлагаемый чувствительный элемент интегрального акселерометра иллюстрируется фиг.1 и фиг.2. На фиг.1 изображена конструкция в сборе, где: 1 - каркасная рамка; 2 - упругие подвесы; 3 - маятник; 4 - площадки крепления; 5 - неподвижные обкладки; 6 - несущая рамка; 7 - консольная балка. На фиг.2 изображена несущая рамка.

На каркасной рамке 1 с помощью упругих подвесов 2 подвешен маятник 3 в виде прямоугольной пластины. На каркасной рамке 1 размещены площадки 4 для соединения с неподвижными обкладками 5 датчика перемещений (на фиг.1б обкладка не показана). Несущая рамка 6 жестко соединена с неподвижным основанием акселерометра с помощью площадок крепления. Свободная сторона одной из обкладок 5 чувствительного элемента в ее центральной части соединена с несущей рамкой 5 посредством консольной балки 7.

Устройство работает следующим образом. При действии ускорения вдоль оси, перпендикулярной к плоскости чертежа, маятник 3 поворачивается на угол, определяемый свойствами упругих элементов 2 и величиной измеряемого ускорения и, измеряя отклонение маятника 3, можно судить о величине воздействующего ускорения.

Поскольку каркасная рамка 1 соединена с несущей рамкой 6 консольной балкой 7 через обкладку 5, то возможные напряжения, возникающие при изменении температуры, от точек крепления несущей рамки 6 к упругим подвесам 2 оцениваются следующей зависимостью:

где ν - коэффициент Пуассона; S - площадь контакта; y₀ - толщина каркасной рамки; p - давление на контакт; L - расстояние от площадок крепления до заданного сечения.

Из формулы (1) видно, что путь распространения механических напряжений от площадок крепления несущей рамки 6 к неподвижному основанию до упругих подвесов 2 на каркасной рамке 1 увеличен. Соответственно величина механических напряжений около подвесов 2 снижается обратно пропорционально длине пути распространения.

Другим преимуществом заявляемого изобретения является то, что крепление консольной балки 7 к свободной стороне обкладки 5 чувствительного элемента осуществляется в ее центральной части, обеспечивая тем самым минимальную деформацию обкладки, а следовательно каркасной рамки 1, на которой расположены подвесы 2 маятника 3. Влияние механических напряжений на подвесы 2 практически сводится к нулю. Отмеченные свойства подтверждают преимущества заявляемого изобретения перед известными решениями.

Источники информации:

1. Паршин В.А., Харитонов В.И. Особенности технологии мультисенсорных датчиков с нелегированными упругими подвесами // Датчики и системы. 2002. №2. С.22-24.

2. Мокров Е.А., Папко А.А. Акселерометры НИИ физических измерений - элементы микросистемотехники // Микросистемная техника. 2002. №1. С.3-9 (прототип).

Чувствительный элемент интегрального акселерометра, содержащий кремниевый проводящий маятник, соединенный упругими подвесами с каркасной рамкой, обкладки, соединенные с каркасной рамкой через площадки, расположенные на рамке, отличающийся тем, что в чувствительный элемент введена дополнительная несущая рамка крепления, соединенная консольной балкой со свободной стороной одной из обкладок чувствительного элемента в ее центральной части и жестко соединенная с неподвижным основанием акселерометра.