Чувствительный элемент микромеханического акселерометра

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в микромеханических датчиках линейных ускорений. Чувствительный элемент, выполненный из монокристаллического кремния низкой проводимости, содержит центральную площадку, соединенную со стеклянной подложкой, на которых находятся электроды емкостного преобразователя, внешнюю рамку с площадками крепления, соединенную с инерционной массой через крестообразные торсионы. Центральная площадка соединена с инерционной массой через изгибные упругие элементы. Между местом заделки конца крестообразного торсиона в инерционной массе (маятнике) и изгибными упругими элементами вдоль маятника расположена сквозная щель с обеих сторон относительно центральной площадки крепления. Введение центральной площадки крепления и дополнительных изгибных упругих элементов уменьшает нулевой сигнал и его нестабильность, а при одновременном воздействии еще измеряемого ускорения уменьшает погрешность крутизны характеристики прибора в целом. Введение сквозных щелей значительно уменьшает деформацию, передающуюся на крестообразные торсионы и изгибные упругие элементы при воздействии плюсовых и отрицательных температур. 2 ил.

 

Изобретение относится к измерительной технике и может применяться в микромеханических датчиках линейных ускорений.

Известен чувствительный элемент микромеханического акселерометра, выполненный из плавленого кварца в форме прямоугольной рамки, преобразователя перемещений рамки, регистрирующего поворот кварцевой рамки в зависимости от измеряемого ускорения [1].

Недостатком этого устройства является сложность конструкции, низкая технологичность, низкая точность из-за чувствительности к перекрестным связям. Изготовление таких устройств из плавленого кварца возможно только в единичном производстве и требует специальной высококвалифицированной подготовки персонала. Трудоемкая реализация преобразователя перемещений так как установка в корпус кварцевой рамки возможна только раздельно от преобразователя перемещений и требует затем отдельной регулировки положения рамки в зазоре преобразователя перемещений, то есть установки ее в нулевое положение.

Известен чувствительный элемент микромеханического акселерометра, выполненный из монокристаллического кремния в виде электропроводящей инерционной массы, представляющей собой маятник, имеющий два плеча и подвешенный с помощью торсионов, внешнюю рамку, к которой одной стороной соединены торсионы, стеклянную подложку (основание), на которую крепится внешняя рамка, торсионы выполнены крестообразными с поперечным сечением в виде Х-образного профиля, ось симметрии фигуры инерционной массы совмещена с осью, проходящей через торсионы подвеса, а маятниковый подвес обеспечен удалением части одного плеча инерционной массы на его поверхности, при этом указанная поверхность выполнена с ребрами жесткости, причем профиль поперечного сечения ребер жесткости имеет Т-образную форму, а наклонные грани крестообразных торсионов с профилем поперечного сечения в виде Х-образной формы ориентированы по направлению (111) кристаллографической решетки монокристаллического кремния. [2]

Одним из недостатков известного датчика является высокая чувствительность к температурным воздействиям. При повышении или понижении рабочих температур торсионы чувствительного элемента удлиняются или укорачиваются, соответственно. Так как торсионы жестко соединены, с одной стороны, с внешней рамкой, с другой стороны, с инерционной массой, при этом внешняя рамка жестко соединена со стеклянной подложкой (основанием), то возникающая при этом деформация приложена к инерционной массе, которая закручивает последнюю. При этом в отсутствие приложенного ускорения возникает сигнал, то есть нулевой сигнал, который увеличивается при увеличении, уменьшении уровня температуры. Кроме того из-за технологического разброса изготовления чувствительного элемента, а именно торсионов, появляется нестабильность нулевого сигнала. Из всего этого следует, что точность измерения параметра, а именно линейного ускорения, существенно уменьшается.

Другим недостатком является высокая чувствительность конструкции чувствительного элемента продольным и поперечным вибрациям, направленных по осям X и Y и под углом к ним. Это существенным образом влияет на стабильность нулевого сигнала и точность измерения самого параметра, то есть линейного ускорения.

Так при воздействии вибрации по этим осям или под углом к ним, возникают объемные волновые процессы в торсионах, последние представляют собой, в первом приближении, стержни. Объемная волна в торсионах вызывает время-переменную деформацию в электропроводящей инерционной массе, являющуюся частью преобразователя перемещений. В результате чего на выходе датчика увеличивается смещение нуля и, как следствие, понижается точность прибора в целом.

Задачей, на решение которой направлено изобретение, является увеличение точности измерения.

Для достижения этого в чувствительном элементе микромеханического акселерометра, содержащем маятник из монокристаллического кремния, стеклянную подложку и внешнюю рамку с площадками крепления к стеклянной подложке, крестообразные торсионы, согласно заявленному решению, дополнительно введена центральная площадка крепления к стеклянной подложке, расположенная в центре симметрии маятника, соединенная через изгибные упругие элементы с маятником таким образом, что ось изгиба упругих элементов совпадает с осью крутильных крестообразных торсионов, и между местом крепления конца торсиона в маятнике и изгибными упругими элементами, вдоль маятника, расположена сквозная щель, с обеих сторон относительно центральной площадки крепления.

Признаком, отличающим предложенный чувствительный элемент от известного является то, что в чувствительном элементе дополнительно введена центральная площадка крепления к стеклянной подложке, расположенная в центре симметрии инерционной массы и соединенная с ней через изгибные упругие элементы, ось изгиба которых совпадает с осью крутильных крестообразных торсионов. В центральной точке закрепления механические напряжения равны нулю при всех видах колебаний. В точке крепления и вблизи ее с учетом линейного закона распределения механических напряжений и деформаций напряженное состояние отсутствует. Поэтому при воздействии продольной вибрации вдоль осей Х и У или под углом к ним дополнительно введенные изгибные элементы, одной стороной связанные с центральной точкой крепления к стеклянной подложке, а другой- с инерционной массой что, существенно уменьшают деформацию инерционной массы, тем самым уменьшая погрешность измерения. Другим существенным признаком является то, что в теле инерционной массы вытравлены сквозные щели. Все это, в целом, увеличивает точность измерения полезного сигнала.

Предложенный микромеханический датчик иллюстрируется чертежами, представленными на фиг.1, 2. На фиг.1 изображен кремниевый чувствительный элемент в плане, где:

1 - центральная площадка крепления к стеклянной подложке (не показана);

2 - инерционная масса;

3 - изгибные упругие элементы;

4 - крестообразные торсионы;

5 - сквозные щели;

6 - внешняя рамка;

7 - площадки крепления на внешней рамке.

На фиг.2, центральная часть чувствительного элемента в увеличенном виде, а также сечение по A-A и B-B.

Чувствительный элемент, выполненный из монокристаллического кремния низкой проводимости содержит центральную площадку 1, соединенную со стеклянной подложкой (не показано), на которых находятся электроды (не показано) емкостного преобразователя, внешнюю рамку 6 с площадками крепления 7, соединенную с инерционной массой 2, через крестообразные торсионы 4. Центральная площадка 1 соединена с инерционной массой 2 через изгибные упругие элементы 3. Между местом крепления конца крестообразного торсиона 4 в инерционной массе (маятнике) 2 и изгибными упругими элементами 3, вдоль инерционной массы (маятника) 2, расположена сквозная щель 5, с обеих сторон относительно центральной площадки крепления 1.

Чувствительный элемент работает следующим образом. При воздействии линейного ускорения маятник 2, отклоняется от своего нейтрального положения. При этом крестообразные торсионы 4 закручиваются на определенный угол. На стеклянных подложках и маятнике 2 реализована схема обработки сигнала. При воздействии линейного ускорения возникает дисбаланс между верхом и низом, со стороны стеклянных подложек. Величина этого дисбаланса пропорциональна измеряемому ускорению.

При воздействии вредных факторов введение центральной площадки крепления 1 и дополнительных изгибных упругих элементов 3 резко уменьшает нулевой сигнал и его нестабильность, а при одновременном воздействии еще измеряемого ускорения уменьшается погрешность крутизны характеристики прибора в целом. Введение сквозных щелей 5 значительно уменьшает деформацию, передающуюся на крестообразные торсионы 4 и изгибные упругие элементы 3 при воздействии плюсовых и отрицательных температур. Это уменьшает нулевой сигнал и уменьшает погрешность крутизны характеристики датчика в целом.

Проведенные математическое моделирование в среде ANSYS и макетные испытания показали положительный эффект данного устройства и по технологичности и по точности по сравнению с прототипом.

Источники информации:

1. Мельников В.Е. «Электромеханические преобразователи на базе кварцевого стекла». Москва, Машиностроение, 1984 г.

2. Патент РФ №2251702 (прототип).

Чувствительный элемент микромеханического акселерометра, содержащий маятник из монокристаллического кремния, стеклянную подложку и внешнюю рамку с площадками крепления к стеклянной подложке, крестообразные торсионы, отличающийся тем, что дополнительно введена центральная площадка крепления к стеклянной подложке, расположенная в центре симметрии маятника, соединенная через изгибные упругие элементы с маятником таким образом, что ось изгиба упругих элементов совпадает с осью крутильных крестообразных торсионов, и между местом крепления конца торсиона в маятнике и изгибными упругими элементами вдоль маятника расположена сквозная щель с обеих сторон относительно центральной площадки крепления.



 

Похожие патенты:

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

Изобретение относится к измерительной технике. .

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 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.

Изобретение относится к измерительной технике. Микромеханический демпфер содержит демпфирующий узел, выполненный в виде сосредоточенной массы, соединенной с помощью упругих подвесов с демпфируемым узлом, с целью получения оптимального демпфирования, при этом в устройстве выполнено следующее соотношение между параметрами: Kд1 - абсолютный коэффициент демпфирования внешнего узла (демпфируемого); Kд2 - абсолютный коэффициент демпфирования внутреннего узла внешнего узла (демпфирующего); m1 - масса внешнего узла; m2 - масса внутреннего узла; G1 - жесткость подвеса внешнего узла; G2 - жесткость подвеса внутреннего узла; χ - коэффициент механической связи между внешним и внутренним узлами. Технический результат - оптимизация режима работы микромеханического демпфера. 1 ил.

Изобретение относится к измерительной технике и может применяться в навигационно-пилотажных системах летательных аппаратов. Сущность изобретения заключается в том, что чувствительный элемент микроэлектромеханического гироскопа выполнен из монокристаллического кремния, представляющий конструкцию «рамка в рамке». При этом во внешней рамке выполнен электростатический силовой преобразователь, компенсирующий в ней кориолисов момент, возникающий в ней при вторичных колебаниях, передаваемых от внутренней рамки. Технический результат - повышение точности измерений. 1 ил.

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

Наверх