Микроакселерометр



Микроакселерометр
Микроакселерометр
Микроакселерометр

 


Владельцы патента RU 2490650:

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования Нижегородский государственный технический университет им. Р.Е. Алексеева (НГТУ) (RU)

Изобретение относится к измерительной технике. Микросистемный акселерометр содержит кремниевую каркасную рамку, в которой методом анизотропного травления выполнен кремниевый проводящий маятник, соединенный упругими подвесами с каркасной рамкой. Несимметричность маятнику придана смещением оси качания относительно оси, проходящей через средину пластины. Ось качания маятника разделяет пластину на две неравные части. Акселерометр содержит также устройство отрицательной жесткости, состоящее из двух резисторов и источника напряжения, что позволяет точно задавать требуемую полосу пропускания. На пределах измерения ускорения от 0 до 500 g может быть установлена заданная полоса пропускания от 5 до 100 Гц, что требуется для навигационных акселерометром. Изобретение обеспечивает повышение точности измерения линейных ускорений. 1 з.п. ф-лы, 3 ил.

 

Изобретение относится к измерительной технике и может применяться в навигационно-пилотажных системах летательных аппаратов.

Известен чувствительный элемент микросистемного акселерометра, содержащий монокремниевую несущую пластину, маятник, выполненный в несущей пластине и две обкладки с проводящими электродами, неразъемно соединенные с несущей пластиной [1]. На проводящие электроды подается управляющее напряжение, в результате чего маятник возвращается в исходное положение.

Недостатками такого чувствительного элемента является недостаточность развиваемой электростатической силы для компенсации силы инерции и высокочастотность его характеристик.

Известен микроакселерометр, содержащий монокремниевую несущую пластину, маятник, выполненный в несущей пластине и две обкладки, неразъемно соединенные с несущей пластиной. [2]. Недостатками известного микроакселерометра являются малая сила отработки и высокочастотность его характеристик.

Наиболее близким к заявляемому изобретению может служить микроакселерометр [3], содержащий кремниевую каркасную рамку, в которой методом анизотропного травления выполнен кремниевый проводящий маятник, соединенный упругими подвесами с каркасной рамкой, согласно изобретения маятник включает две жестко соединенные первую и вторую пластины разных размеров с достаточной электростатической силой отработки.

Недостатком данного устройства является высокочастотность микроакселерометра и невозможность его использования для летательных аппаратов с низкочастотной областью эволюции.

Задачей, на решение которой направлено данное изобретение, является повышения точности за счет достижения возможности выбора собственной частоты микроакселерометра, соответствующей рабочей полосе частот объекта на котором установлен микроакселерометр.

Поставленная цель достигается следующим образом:

1. Микроакселерометр, содержащий кремниевую проводящую каркасную рамку, в которой методом анизотропного травления выполнен несимметричный маятник, представляющий прямоугольную пластину соединенную двумя упругими торсионами с каркасной рамкой, электронный блок состоящий из емкостного преобразователя перемещений и силового электростатического преобразователя, имеющие первую и вторую непроводящие обкладки, жестко соединенные с каркасной рамкой, на каждой обкладке нанесены проводящие прямоугольные электроды против подвижной пластины, в котором в соответствии с изобретением несимметричность маятнику придана смещением оси качания относительно оси, проходящей через средину пластины, ось качания маятника разделяет пластину на две не равные части: первую и вторую, а маятниковость (произведение массы на плечо) определяется в виде

m X с = ρ ( a m 1 a m 2 ) b m c m [ a m 1 + ( a - a m 2 ) / 2 ] , ( 1 )

где m - масса маятника; Xc - плечо маятника; ρ - плотность материала маятника; a m1 - длина первой части пластины; a m2 - длина второй части пластины; bm - ширина пластины; cm - толщина пластины.

2. Микроакселерометр по пункту 1, в котором введено устройство отрицательной жесткости, состоящее из двух резисторов и источника напряжения, одними концами резисторы соединены вместе и к ним подключен источник напряжения, вторыми концами резисторы соединены - один с проводящим электродом первой обкладки, а второй с проводящим электродом второй обкладки, необходимая величина источника напряжения выбирается исходя из требуемой полосы пропускания по выражению

U = ( G к р ω 2 J ) h 3 2 ε ε 0 F X с , ( 2 )

U - необходимая величина источника напряжения; Gкр - жесткость упругих торсионов; ω - полоса пропускания; J - момент инерции маятника; h - зазор между пластиной маятника и обкладкой; ε0 - диэлектрическая постоянная; ε - относительная диэлектрическая проницаемость для среды, находящейся между маятником и электродами; F - площадь проводящего электрода; Xc - плечо маятника.

Существенным отличием заявленного устройства по сравнению с известным является то, что на пределах измерения ускорения от 0 до 500 g может быть установлена заданная полоса пропускания от 5 до 100 Гц, что требуется для навигационных акселерометром.

Заявляемое изобретение иллюстрируется чертежами, показанными на фигурах 1, 2, 3.

На фигуре 1 показан чувствительный элемент, включающий: кремниевую каркасную рамку 1, сквозную щель 2, полученную с помощью анизотропного травления и отделяющую каркасную рамку 1 от маятника, состоящего из первой пластины 3 маятника, упругий подвес 4, второй пластины 5 маятника и чувствительной массы 6, выполненных за одно целое. Упругий подвес 4 может быть выполненным для работы как на изгиб, так и на кручение. С каркасной рамкой 1 с обеих сторон неразъемно соединены неподвижные пластины-обкладки силовых электродов (на фиг.1 не показаны). Зазор между силовыми электродами и проводящим маятником образуется разностью в размерах между толщинами каркасной рамки 1 и проводящими пластинами 3, 5 маятника.

На фигуре 2 показан контур создания отрицательной "электрической жесткости". В контуре задействованы те же самые подвижный и неподвижные электроды, что и в силовом преобразователе. На изоляционных обкладках каркасной рамки 1 выполнены проводящие электроды 7 попарно соединенные вместе с разных сторон пластин 3,5 проводящего маятника и к ним подключено напряжение U0, необходимое для создания отрицательной "электрической жесткости" достаточной для обеспечения заданной собственной частоты ω0 акселерометра. Величина напряжения определяется следующей зависимостью (2).

На фигуре 3 приведена функциональная схема микроакселерометра. В состав микроакселерометра входят следующие блоки: неподвижные 7 и подвижные 3 электроды чувствительного элемента. Неподвижные электроды 7 расположены симметрично относительно подвижного 3 (проводящего маятника). Подвижный электрод заземлен. Электроды 8 емкостного преобразователя перемещений соединены со входом ШИМ 9, содержащегося в составе микроконтроллера 10. Выход ШИМ подключен ко входу корректирующего устройства 11, реализованного схемно из навесных к микроконтроллеру элементах. Корректирующее устройство 11, представляющее собой ПИД-регулятор, настроенный на получение оптимального переходного процесса микроакселерометра. С выхода ПИД-регулятора приборный сигнал поступает по команде микроконтроллера на линеаризатор 12 электростатического преобразователя и одновременно на вход приема информации микроконтроллера для преобразования в цифровой сигнал и далее в аналоговый. Аналоговый сигнал идет на вход компаратора микроконтроллера для сравнения с приборным сигналом. При равенстве этих сигналов цифровой код переписывается на выход микроакселерометра.

Линеаризатор 12 включен в цепи обратной связи контура регулирования и управляется выходным аналоговым сигналом, вырабатываемым микроконтроллером 10, в свою очередь включенным в прямой цепи контура. За исключением источников опорных напряжений 13 микроконтроллером 10 управляет всеми блоками микроакселерометра.

Устройство 14 контура создания отрицательной "электрической жесткости" работает следующим образом. В исходном состоянии, когда маятник находится в нейтральном положении, площади неподвижных электродов с разных сторон маятника одинаковы и расположены от него с одинаковыми зазорами. При этом электростатическая сила, действующая на маятник, равна нулю. При отклонении маятника относительно оси качания 4 на угол α возникает электростатическая сила притяжения в сторону меньшего зазора. Момент от электростатической силы всегда совпадает по направлению с возмущающим моментом. Создается эффект отрицательной жесткости. Варьируя напряжением на электродах, можно достичь любой разности между механической жесткостью упругого подвеса и "электрической жесткостью". Контур "электрической жесткости" не связан электрически с контуром регулирования измерительного канала. Но при его наличии все характеристики микроакселерометра зависят от разности жесткостей упругого подвеса и отрицательной "электрической жесткости".

Важной характеристикой микроакселерометров является отношение "электрической жесткости" к механической жесткости упругих подвесов. В заявляемом устройстве это отношение достигает 105, а установление полосы пропускания, задаваемое собственной частотой акселерометра, возможно от 5 до 100 Гц. Этим задача изобретения достигнута.

Источники информации

1. Вавилов В.Д., Поздяев В.И. Конструирование интегральных датчиков. - М.: Изд-во МАИ, 1993, - 68 с.

2. Вавилов В.Д. Интегральные датчики. Изд-во НГТУ, 2003, С, 500.

3. Вавилов В.Д., Вавилов И.В. Патент России №2426134, М.кл. G01P 15/08, Опубликовано: 10.08.2011 г.

1. Микроакселерометр, содержащий кремниевую проводящую каркасную рамку, в которой методом анизотропного травления выполнен несимметричный маятник, представляющий прямоугольную пластину, соединенную двумя упругими торсионами с каркасной рамкой, электронный блок, состоящий из емкостного преобразователя перемещений и силового электростатического преобразователя, имеющие первую и вторую непроводящие обкладки, жестко соединенные с каркасной рамкой, на каждой обкладке нанесены проводящие прямоугольные электроды против подвижных пластин маятника и поочередно переключаемые с тактовой частотой с устройствами обработки перемещений и силовой отработки, отличающийся тем, что несимметричность маятнику придана смещением оси качания относительно оси, проходящей через середину пластины, ось качания маятника разделяет пластину на две неравные части: первую и вторую, а маятниковость (произведение массы на плечо) определяется в виде
m X с = ρ ( a m 1 a m 2 ) b m c m [ a m 1 + ( a m 2 a m 2 ) / 2 ] , ( 1 )
где m - масса маятника; Xc - плечо маятника; ρ - плотность материала маятника; am1 - длина первой части пластины; am2 - длина второй части пластины; bm - ширина пластины; cm - толщина пластины;

2. Микроакселерометр по п.1, отличающийся тем, что в него введено устройство отрицательной жесткости, состоящее из двух резисторов и источника напряжения, одними концами резисторы соединены вместе и к ним подключен источник напряжения, вторыми концами резисторы соединены: один с проводящим электродом первой обкладки, а второй с проводящим электродом второй обкладки, необходимая величина источника напряжения выбирается, исходя из требуемой полосы пропускания по выражению
U = ( G к р ω 2 J ) h 3 2 ε ε 0 F X с , ( 2 )
где U - необходимая величина источника напряжения; Gкр - жесткость упругих торсионов; ω - полоса пропускания; J - момент инерции маятника; h - зазор между пластиной маятника и обкладкой; ε0 - диэлектрическая постоянная; ε - относительная диэлектрическая проницаемость для среды, находящейся между маятником и электродами; F - площадь проводящего электрода; Xc - плечо маятника.



 

Похожие патенты:

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

Изобретение относится к области измерительной техники, в частности к средствам измерения линейных ускорений, угловых скоростей и тепловых полей малой интенсивности в инфракрасной и терагерцовой области.

Изобретение относится к измерительной технике, а именно к датчикам угловых ускорений, принцип действия которых основан на законе электромагнитной индукции. .

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения угловых перемещений, скоростей и ускорений объектов в бесплатформенных инерциальных навигационных системах.

Изобретение относится к устройствам для измерения ускорения объекта в условиях вибрации и может быть использовано для контроля положения подвижного объекта. .

Изобретение относится к обнаружению вращательного и поступательного движения. .

Изобретение относится к преобразующим элементам устройств для проведения инерциальных измерений. .

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано при решении задач навигации, управления и гравиметрии. .

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в интегральных акселерометрах с импульсной силовой компенсацией. .

Изобретение относится к емкостным датчикам и может использоваться в интегральных акселерометрах и гироскопах. .

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения угловых перемещений, скоростей и ускорений

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в микромеханических датчиках линейных ускорений

Изобретение относится к устройствам для измерения ускорения и может быть использовано в качестве первичного преобразователя в системах инерциальной навигации и сейсмометрии. Молекулярно-электронный акселерометр содержит диэлектрический корпус с двумя параллельными неподвижными электродами и третий подвижный электрод, установленный между неподвижными электродами. Подвижный электрод посредством упругих подвесов связан с жесткой рамкой, вмонтированной в корпус. Все электроды находятся в контакте с электропроводящей жидкостью, которая заполняет полость корпуса, и имеют внешние электрические выводы. Техническим результатом является уменьшение значения погрешности измерения ускорения, а также обеспечение широкого диапазона измерения ускорения при сохранении высокой чувствительности преобразователя во всем диапазоне измерения ускорения. 4 з.п. ф-лы, 4 ил.
Изобретение относится к микромеханическим устройствам и может применяться в интегральных акселерометрах и гироскопах. Техническим результатом заявленного изобретения является повышение точности емкостного датчика при измерении угловых перемещений. Технический результат достигнут посредством разделения пополам неподвижных электродов и перекрестного включения секторов в смежные плечи дифференциальных конденсаторов. В результате разделения электродов датчик стал нечувствителен к плоскопараллельной составляющей движений, при этом появилась возможность измерять одну компоненту, а именно угловую. 3 ил.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано при изготовлении интегральных акселерометров. Чувствительный элемент интегрального акселерометра выполнен из проводящего монокристаллического кремния и содержит маятник 3, соединенный с помощью упругих подвесов 2 с каркасной рамкой 1, обкладки 4, соединенные с каркасной рамкой 1 через площадки 6, расположенные на каркасной рамке 1. На обкладках 4 выполнены выемки 7 в местах соединения с площадками 6, расположенными на каркасной рамке 1. На поверхностях выемок 7 и площадок 6 сформированы последовательно слои диэлектрика 10 и металла 11 для улучшения качества соединения. Дифференциальный конденсатор, необходимый для функционирования интегрального акселерометра, образован проводящей поверхностью кремниевого проводящего маятника 3 и металла 11, нанесенного на обкладки 4 со стороны маятника 3 с образованием емкостного зазора 5. Техническим результатом является улучшение метрологических характеристик путем усовершенствования конструкции чувствительного элемента интегрального акселерометра. 3 з.п. ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к области приборостроения и предназначено для измерения углового ускорения. Для измерения углового ускорения объекта производят измерение длительности интервалов времени между фронтами всех импульсов импульсным датчиком углового положения, определяют среднюю скорость на каждом интервале времени, создавая обращенное относительное движение частей импульсного датчика углового положения, различно связанных с контролируемым объектом, обеспечивая генерирование импульсным датчиком максимального количества импульсов на конечном участке торможения контролируемого объекта, и производят измерение значений углового ускорения при торможении. Устройство содержит инерционную массу 5, импульсный датчик углового положения 2, жестко установленный на контролируемом объекте 1, регистрирующее устройство 7 и вычислитель 8, а также обгонную муфту 6, установленную между контролируемым объектом 1 и инерционной массой 5, жестко закрепленную на валу оптического диска 3 импульсного датчика углового положения 2, в качестве которого выбран датчик-энкодер. Изобретение обеспечивает повышение точности определения углового ускорения на конечном участке торможения контролируемого объекта. 2 н. и 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в системах ориентации и навигации. Линейный микроакселерометр содержит основание, крышку, рамку с инерционной массой, выполненной из кремния, установленную с возможностью линейного перемещения на упругих подвесах вдоль продольной оси, датчик положения и источник напряжения, при этом в устройство дополнительно введены два компаратора, два усилителя тока, ключ, электромагнитный силовой привод, состоящий из 2N катушек, размещенных на 2N магнитопроводящих сердечниках с явно выраженными полюсами, направленными к торцевым сторонам инерционной массы, при этом магнитопроводящие сердечники размещены на противоположных торцевых сторонах рамки по N с каждой стороны, а на поверхности инерционной массы в области каждого из торцов расположены магнитопроводы, замыкающие магнитные потоки катушек, причем входы катушек подключены к выходу ключа, входы которого через компараторы подключены к датчику положения, который выполнен оптическим, и состоит из излучателя и фотоприемников, при этом излучатель подключен к источнику напряжения, а между излучателем и фотоприемниками расположена оптическая щель. Технический результат - повышение точности измерения ускорения. 1 ил.

Изобретение относится к измерительной технике. Устройство содержит положительный и отрицательный источники опорных напряжений, ключевую схему для переключения полярности источников опорных напряжений, генератор синхронизирующих импульсов, сумматор обратной связи, дифференциальные измерительные емкости, первый синхронный детектор. В устройство введен второй синхронный детектор. Выходы первого и второго синхронных детекторов соединены с неинвертирующим и инвертирующим входами фильтра нижних частот. Технический результат заключается в повышении точности измерений. 1 ил.

Изобретение относится к области измерительной техники и касается линейного микроакселерометра с оптической системой. Микроакселерометр включает в себя корпус, две инерционные массы на упругих подвесах, два датчика положения, два компенсационных преобразователя. Датчики положения выполнены в виде двух пар монохроматических излучателей с различным спектром излучения и двух фотоприемников с цветоделением, имеющих не менее двух выходов спектральных диапазонов. Излучатели расположены над инерционной массой, а фотоприемники размещены в корпусе соосно с фотоприемниками. Монохроматические излучатели снабжены ограничителями светового потока. Технический результат заключается в повышении точности измерений и упрощении конструкции. 1 ил.

Изобретение относится к области испытания механических систем, у которых главными деталями являются вращающиеся тела, о сопротивлениях движению которых судят по замедлению при выбеге, и может быть использовано для определения отрицательных ускорений вращающихся частей. Вращающуюся деталь снабжают датчиком оборотов с одной меткой, что исключает неточность угловой разметки, которая появилась бы при большом количестве меток. Реагирующий на одиночную метку датчик оборотов соединяют с регистрирующим прибором и компьютером. Регистрируют, например, в дискретной форме, зависимость числа оборотов, а при известном радиусе вращающейся детали - пути в функции времени на определенном отрезке временного интервала, аппроксимируют эту зависимость детерминированной, непрерывной, дифференцируемой функцией, вторая производная которой по времени дает зависимость замедления тела в функции времени. Изобретение обеспечивает повышение точности и эффективности определения замедлений вращающихся тел. 7 ил.
Наверх