Микромеханический акселерометр

Изобретение может применяться в микромеханических датчиках линейных ускорений. Сущность изобретения заключается в том, что микромеханический акселерометр содержит чувствительный элемент, выполненный из монокристаллического кремния низкой проводимости, внешнюю рамку с закрепленным на ней маятником при помощи упругих торсионов. Внешняя рамка имеет переменную ширину. В узкой ее части сформированы П-образные петли, обращенные наружу. Площадки крепления к стеклянным обкладкам на внешней рамке расположены строго на продольной и поперечных осях чувствительного элемента. В микромеханическом акселерометре используются круглые стеклянные обкладки. Это упрощает сборку и снижает трудоемкость изделия. Технический результат: увеличение точности с одновременным снижением трудоемкости без изменения массогабаритных параметров. 2 ил.

 

Изобретение относится к измерительной технике и может применяться в микромеханических датчиках линейных ускорений. Известен микромеханический акселерометр, содержащий корпус, чувствительный элемент, выполненный из каркасной катушки, подвешенный в корпусе на металлических растяжках, датчик перемещения каркасной катушки.

Недостатком этого устройства является сложность конструкции, нетехнологичность, низкая точность из-за чувствительности к перекрестным связям [1].

Известен микромеханический акселерометр, содержащий корпус, чувствительный элемент, выполненный из монокристаллического кремния в виде электропроводящей инерционной массы, представляющей собой маятник, подвешенный с помощью торсионов, которые другой стороной соединены с внешней рамкой. Торсионы выполнены крестообразными с поперечным сечением в виде Х-образного профиля. Внешняя рамка, равномерная по ширине по всему периметру, на которой расположены площадки для крепления стеклянных обкладок. Стеклянные обкладки прямоугольные, соединенные с чувствительным элементом методом анодной посадки [2].

Недостатком этого устройства является то, что анодное соединение двух стеклянных обкладок с кремниевым чувствительным элементом проводится при температуре свыше 450°С. После остывания пакета из двух стеклянных обкладок и кремниевого чувствительного элемента происходит деформация внешней рамки. Эта деформация соответственно передается на упругие торсионы. Это существенным образом влияет на стабильность упругих свойств последних.

Так, после присоединения возникающие контактные напряжения влияют на упругий подвес, за счет чего увеличивается нестабильность смещения нуля и, как следствие, понижается точность прибора в целом. Еще один недостаток данной конструкции - воздействие возмущающих факторов, в частности плюсовых и минусовых температур, - и конструкция чувствительного элемента будет деформирована, что приведет к появлению нестабильности нулевого сигнала, его высокому уровню. Изменится также жесткость торсионов и, как следствие, уход крутизны преобразователя перемещений. Другим недостатком является использование прямоугольных обкладок. При сборке пакета из двух стеклянных обкладок и кремниевого чувствительного элемента возникают трудности в последовательном сопряжении друг с другом элементов микромеханического акселерометра и взаимной их фиксации. Следовательно, снижается производительность и повышается трудоемкость изделия. Все это существенно снижает и точность прибора в целом.

Задачей, на решение которой направлено изобретение, является увеличение точности микромеханического датчика и упрощение сборки его узлов. Для достижения этого в микромеханическом акселерометре, содержащем корпус, кремниевый чувствительный элемент с внешней рамкой, закрепленным на ней при помощи упругих торсионов маятником, стеклянные обкладки, площадки крепления на внешней рамке, внешняя рамка выполнена неравномерной по ширине, площадки крепления расположены на боковых и нижней сторонах внешней рамки, на продольной и поперечной осях чувствительного элемента, в самой широкой ее части, а между боковыми площадками крепления и местом крепления упругого торсиона на внешней рамке сформированы П-образные петли, обращенные наружу, при этом используются круглые стеклянные обкладки, на которых с одной стороны на продольной оси у кромки выполнена выемка для сборки, а с противоположной в месте обеспечивающем разварку противоположной стеклянной обкладки - другая выемка, причем язык чувствительного элемента с электрической контактной площадкой расположен между двумя выемками, предназначенными для разварки.

Признаком, отличающим предложенный микромеханический акселерометр от известного, является то, что внешняя рамка выполнена неравномерной по ширине с П-образными петлями, обращенными наружу, располагающимися между боковыми площадками крепления и местом закрепления упругих торсионов на внешней рамке. Это позволяет значительно уменьшить напряженное состояние на упругих торсионах, так как значительная часть деформации концентрируется в узле связи «площадка крепления - П-образная петля - обратный конец П-образной петли». Деформации, возникающие в нижней широкой части внешней рамки, значительного воздействия на упругие торсионы не оказывают, потому что сконцентрированы между площадками крепления и передаются опять же через узел связи «площадка крепления - П-образная петля - обратный конец П-образной петли». Поэтому для улучшения закрепления стеклянных обкладок и упрощения сборки нижняя внешняя рамка сформирована более широкой по площади. Использование круглых обкладок упрощает сборку узла микромеханического акселерометра, а именно последовательное сопряжение друг с другом элементов микромеханического акселерометра и взаимной их фиксации с последующим анодным соединением.

Предложенный микромеханический акселерометр иллюстрируется чертежами, представленными на фиг.1, 2.

На фиг.1 изображен кремниевый чувствительный элемент, где:

1 - внешняя рамка;

2 - маятник;

3 - упругие торсионы;

4 - П-образные петли;

5 - площадки крепления к стеклянным обкладкам;

6 - электрическая контактная площадка.

На фиг.2 изображен чувствительный элемент с закрепленными на нем стеклянными обкладками, где:

7 - выемка для подвода электрического проводника к противоположной обкладке;

8 - выемка для сборки в пакет двух обкладок и чувствительного элемента;

9 - язык чувствительного элемента с электрической контактной площадкой.

Микромеханический акселерометр содержит чувствительный элемент, выполненный из монокристаллического кремния низкой проводимости, в котором на внешней рамке 1 закреплен маятник 2 через упругие торсионы 3. На внешней рамке 1 между площадками крепления к стеклянным обкладкам 5 и местом крепления упругих торсионов 3 на внешней рамке 1 сформирована П-образная петля 4, обращенная наружу. Площадки крепления к стеклянным обкладкам 5 расположены строго на продольной и поперечной осях чувствительного элемента. Стеклянные обкладки круглые, закреплены на чувствительном элементе через площадки крепления 5. На стеклянной обкладке выемка 7 служит для подвода проводника к противоположной обкладке. Аналогично и на противоположной обкладке. Выемка 8 необходима при сборке в пакет двух стеклянных обкладок и кремниевого чувствительного элемента. При последовательном сопряжении друг с другом элементов микромеханического акселерометра, а именно стеклянных обкладок, кремниевого чувствительного элемента и взаимной их фиксации, достигается необходимая точность совмещения, обеспечивающая минимальную погрешность. Такая конфигурация обкладок позволяет с легкостью удалять оснастку после фиксации пакета в приспособлении для анодного соединения. Электрическая контактная площадка 6 и язык чувствительного элемента с электрической контактной площадкой 9 служат для соединения с преобразователем перемещения маятника 1.

Микромеханический акселерометр работает следующим образом. При воздействии линейного ускорения маятник 2 кремниевого чувствительного элемента отклоняется от своего нейтрального положения. При этом упругие торсионы 3 закручиваются на определенный угол. На стеклянных обкладках маятника 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 такое расположение П-образных петель 4 и площадок крепления 5 на внешней рамке 1 уменьшает нулевой сигнал и его нестабильность, а при одновременном воздействии еще измеряемого ускорения уменьшает погрешность крутизны характеристики прибора в целом. Применение круглых стеклянных обкладок упрощает сборку, снижает трудоемкость, обеспечивает необходимую точность совмещения, уменьшая погрешность. Проведенные макетные испытания показали положительный эффект данного устройства и по технологичности и по точности.

Источники информации

1. Акселерометр капиллярный АК5-15, ТУ 611.781.ТУ. 1984 г.

2. Патент РФ №106001 (прототип).

Микромеханический акселерометр, содержащий корпус, кремниевый чувствительный элемент с внешней рамкой, закрепленным на ней при помощи упругих торсионов маятником, стеклянные обкладки, площадки крепления на внешней рамке, отличающийся тем, что внешняя рамка выполнена неравномерной по ширине, площадки крепления расположены на боковых и нижней сторонах внешней рамки, на продольной и поперечной осях чувствительного элемента в самой широкой ее части, а между боковыми площадками крепления и местом крепления упругого торсиона на внешней рамке сформированы П-образные петли, обращенные наружу, при этом используются круглые стеклянные обкладки, на которых с одной стороны на продольной оси у кромки выполнена выемка для сборки, а с противоположной в месте, обеспечивающем разварку противоположной стеклянной обкладки, - другая выемка, причем язык чувствительного элемента с электрической контактной площадкой расположен между двумя выемками обеих обкладок, предназначенными для разварки.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к области измерительной техники, а именно к измерительным преобразователям линейных ускорений. Акселерометр содержит корпус, первую пластину с внешней подвижной частью, внутренней неподвижной частью и соединяющими их упругими перемычками по оси подвеса, дифференциальный емкостный преобразователь положения, вторую пластину с электродами, третью пластину, магнитоэлектрический силовой преобразователь с постоянным магнитом и компенсационной катушкой, груз на подвижной части первой пластины, усилитель.

Изобретение относится к области измерительной техники и микросистемной техники, а более конкретно к интегральным измерительным элементам величин угловой скорости и ускорения.

Изобретение относится к измерительной технике, в частности, к молекулярно-электронным датчикам угловых движений, для использования в угловых акселерометрах, датчиках скорости и гироскопах.

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 для измерения угловой скорости, например, в инерциальных навигационных системах. .

Изобретение относится к измерительной технике, а именно к способам управления чувствительными элементами. .

Изобретение относится к области приборостроения и может быть использовано для измерения параметров, связанных с ускорением коленчатого вала двигателя внутреннего сгорания, в условиях эксплуатации.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в системах инерциальной навигации в летательных и подводных аппаратах. .

Изобретение относится к средствам определения движения тела. Устройство содержит средство определения ускорения и вычислительное средство для вычисления движения тела на основании данных ускорения, участок закрепления/раскрепления для закрепления рабочей части на основном блоке устройства или раскрепления от него, причем вычислительное средство выполнено с возможностью выполнения процедуры определения закрепления/раскрепления на основании изменения ускорения, при закреплении закрепляемой рабочей части на участке закрепления/раскрепления или при раскреплении от него, и выполнения вычисления движения тела на основании определенного закрепления/раскрепления, при переключении в режим, соответствующий состоянию после закрепления/раскрепления. Во втором варианте выполнения устройства дополнительно имеется запоминающее средство для хранения данных и дисплейное средство для отображения результата вычисления, а также множество участков закрепления/раскрепления в зависимости от типа закрепляемой рабочей части, причем вычислительное средство выполнено также с возможностью определения типа закрепляемой рабочей части на основании изменения ускорения, и выполнения вычисления движения тела на основании определенного закрепления/раскрепления и типа, при переключении в режим, соответствующий типу закрепленной закрепляемой рабочей части. В третьем варианте участок закрепления/раскрепления содержит направляющую для сдвига или поворота закрепляемой рабочей части, когда закрепляемая рабочая часть закреплена на основном блоке устройства или раскреплена от него, и ударный участок, с которым одна часть закрепляемой рабочей части сталкивается при закреплении и раскреплении закрепляемой рабочей части вдоль направляющей. В четвертом варианте устройство имеет корпус для вмещения средства определения ускорения и вычислительного средства, при этом корпус содержит ударную рабочую часть, подлежащую удару при столкновении, а вычислительное средство сконфигурировано с возможностью определения данных ускорения при ударе, нанесенном по ударной рабочей части, и определения информации о нанесенном ударе из данных ускорения. В способе определения движения тела определяют изменение ускорения, которое возникает при закреплении рабочей части на основном блоке устройства или при раскреплении от него, на основании данных ускорения, и движение тела на основании данных ускорения после закрепления или раскрепления. Использование изобретения позволяет повысить точность измерения. 5 н. и 4 з.п. ф-лы, 16 ил.

Изобретение относится к измерительной технике, а именно к средствам измерения линейных ускорений в системах управления движущимися объектами, например к средствам измерения линейного ускорения в бесплатформенных инерциальных навигационных системах управления космическими объектами. Целью изобретения является повышение точности измерений, уменьшение времени готовности и энергопотребления за счет снижение влияния температуры на параметры измерителя линейного ускорения. Измеритель содержит кварцевый компенсационный маятниковый акселерометр, преобразователь напряжения в частоту, термосистему, содержащую первую мостовую схему резисторов, в одно из плеч которой включен первый термодатчик, установленный между катушкой и корпусом акселерометра, усилитель мощности, катушку обогрева, охватывающую корпус акселерометра, преобразователь содержит нагрузочный резистор Roc, который подключен к выходу усилителя обратной связи, генератор синхрочастоты, интегратор, резистор заряда Rзар, две симметричные цепи преобразования положительной и отрицательной информации, эталонный источник напряжения, компаратор, резистор разряда Rразр, переключающее устройство, содержащее электронный ключ, триггер, счетчик тактовых импульсов, и формирователь импульсной выходной информации. Отличительной частью изобретения является система аппаратной компенсации температурных погрешностей, содержащая вторую мостовую схему резисторов, второй термодатчик, установленный внутри корпуса акселерометра и включенный в одно из плеч второй мостовой схемы, измерительный усилитель, инвертор и четыре резистора R1-4. Термоинвариантность основных параметров измерителя линейных ускорений - масштабного коэффициента и смещения нуля, построенного на кварцевом маятниковом акселерометре и имеющего поэтому существенную нелинейную зависимость указанных параметров от температуры, обеспечивается за счет того, что с помощью известной термосистемы внутри акселерометра обеспечивается диапазон температур, соответствующий линейному участку графика зависимости от температуры масштабного коэффициента и смещения нуля, а с помощью введенной системы аппаратной компенсации в определенные точки схемы преобразователя напряжение-частота подаются компенсирующие напряжения, функционально зависящие от текущего значения температуры внутри акселерометра и от температурных коэффициентов масштабного коэффициента и смещения нуля акселерометра. 6 ил.

Компенсационный акселерометр предназначен для применения в качестве чувствительного элемента в системах стабилизации и навигации. Изобретение может найти применение в приборах измерения механических величин компенсационного типа. Компенсационный акселерометр содержит чувствительный элемент, датчик угла, фазовый детектор отрицательной обратной связи, интегрирующий усилитель, генератор опорного напряжения, выходы которого соединены с входами датчика угла и фазового детектора отрицательной обратной связи, последовательно соединенные по информационным входам с выхода компаратора на вход схемы сравнения, преобразователь уровня, пару ждущих синхронных генераторов, реверсивный двоичный счетчик, суммирующий двоичный счетчик, выход которого соединен с одним из входов схемы сравнения, пороговый элемент, генератор тока, соединенный с входом электронного ключа, генератор вспомогательной частоты, соединенный с входами компаратора, пары ждущих синхронных генераторов, суммирующего двоичного счетчика и реверсивного двоичного счетчика, введен с выходов фазового детектора отрицательной обратной связи на один из входов датчика момента интегратор. На вход компаратора введены последовательно по информационным входам первый дифференцирующий фильтр и сумматор, и на вход порогового элемента второго дифференцирующего фильтра с выхода схемы сравнения. Один из выходов фазового детектора отрицательной обратной связи соединен с одним из входов сумматора, и выход с реверсивного двоичного счетчика является цифровым выходом компенсационного акселерометра. Введение в компенсационный акселерометр двух отрицательных обратных связей, одна из которых содержит интегратор, а другая - дифференцирующие фильтры, позволяет создать устройство, работающее в автоколебательном режиме, с астатизмом по отклонению и с расширенной полосой пропускания и значительным быстродействием. 1 ил.

Изобретение относится к калибровке датчика ускорения. Способ калибровки датчика ускорения для определения показателей ускорения транспортного средства содержит этап определения характеристической постоянной для датчика ускорения. При этом устанавливают путем сравнения первого уровня топлива и второго уровня топлива, состоялась ли заправка транспортного средства. Во время заправки определяют упомянутую постоянную, которая служит в качестве нулевого уровня для датчика ускорения. Устройство калибровки датчика ускорения, определяющее характеристическую постоянную для датчика ускорения, содержит средство установления, состоялась ли заправка транспортного средства и средство определения упомянутой постоянной во время заправки. Моторное транспортное средство оснащено упомянутым устройством. Достигается оптимизация калибровки. 3 н. и 13 з.п. ф-лы, 4 ил.

Устройство (12) определения ускорения содержит блок (21) корректировки нулевой точки для корректировки положения нулевой точки значения сигнала (Gsen) датчика, используя величину корректировки (абсолютное значение для значения (Gd) корректировки) на основе ускорения (Gout), когда транспортное средство переходит от остановленного состояния на наклонной дороге к состоянию движения, и блок (20) ограничения величины корректировки для ограничения величины корректировки, тем самым пресекая вычисление избыточной величины корректировки вследствие неровностей поверхности дороги или перемещения пассажира. Достигается улучшение точности корректировки, ограничение величины корректировки или установление предела корректировки. 1 з.п. ф-лы, 10 ил.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для обеспечения взаимозаменяемости пьезоэлектрических вибропреобразователей ускорения (вибродатчиков ускорения), входящих в состав акселерометров или измерительных систем, без дополнительной настройки электронных согласующих элементов акселерометра или измерительных систем. Согласно способу определяют начальное действительное значение коэффициента преобразования акселерометра. Дополнительно увеличивая массу основного инерционного тела вибродатчика ускорения, определяют зависимость действительного значения коэффициента преобразования от дополнительной массы инерционного тела. По известной зависимости определяют значение дополнительной массы, при которой регулируемое действительное значение коэффициента преобразования акселерометра будет соответствовать выбранному номинальному значению. К основному инерционному телу чувствительного элемента вибродатчика прикрепляют на постоянной основе дополнительное инерционное тело с массой, соответствующей выбранному номинальному значению коэффициента преобразования. Технический результат - обеспечение возможности регулировки суммарной реакции на ускорение всех деталей чувствительного элемента вибродатчика ускорения. 1 ил.

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использован в приборостроении и машиностроении для измерения ускорения подвижных объектов. Чувствительный элемент акселерометра на поверхностных акустических волнах содержит встречно-штыревой преобразователь, связанный с приемопередающей антенной, и две решетки отражателей, выполненных зеркально-симметричными относительно встречно-штыревого преобразователя и образующих структуру резонатора на поверхностных акустических волнах, при этом он снабжен единой конструкцией, выполненной из монокристаллического кремния, и состоящей из рамки, консоли треугольной формы, основание которой неподвижно прикреплено к рамке с ее внутренней стороны, инерционной массы, находящейся на одной стороне консоли, и пьезоэлектрической пленки, нанесенной на второй стороне консоли, причем встречно-штыревой преобразователь и решетки отражателей нанесены на поверхность пьезоэлектрической пленки, приемопередающая антенна размещена по периметру рамки. Технический результат - снижение погрешности измерений, повышение точности и чувствительности акселерометра на поверхностных акустических волнах. 1 ил.

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано для измерения параметров ускорения в виброметрии, сейсмологии и акустике. Акселерометр содержит предусилитель и концентрично расположенные, кольцевые инерционную массу, корпус и первый пьезочувствительный элемент с осевой поляризацией в виде пьезоэлектрических секторов, не соприкасающихся друг с другом, и электродов, контактирующих с боковыми поверхностями пьезоэлектрических секторов, при этом кольцевой корпус выполнен из электропроводного материала с возможностью контактирования с боковыми поверхностями кольцевых пьезоэлектрических секторов, причем электроды электрически соединены параллельно и подключены к предусилителю, при этом в него введены второй и третий предуселители, а также второй кольцевой пьезочувствительный элемент, установленный над первым кольцевым пьезочувствительным элементом и выполненный в виде двух пар радиально поляризованных секторов, снабженных электродами, контактирующими с боковыми поверхностями секторов, при этом оба сектора пары установлены центрально симметрично с противоположной поляризацией, соединены через электроды параллельно и подключены ко второму и третьему предусилителям. Технический результат - расширение области применения акселерометра. 2 ил.

Изобретение относится к способам опознавания воздействий на подъемно-транспортную машину. Осуществляя контроль эксплуатации транспортного средства, обнаруживают перегрузки при столкновении транспортного средства. Контролируют скорость транспортного средства на основе информации, полученной от датчика скорости. Рассчитывают изменения количества движения транспортного средства на основе контролируемой скорости транспортного средства. Определяют, произошли ли изменения количества движения и обнаружены ли перегрузки при столкновении транспортного средства в течение заданного периода времени между ними. Формируют сигнал воздействия, указывающий, что изменение количества движения и обнаруженные перегрузки при столкновении транспортного средства произошли в течение заданного периода времени. Достигается опознавание воздействий на подъемно-транспортные машины, определение перегрузки и изменения количества движения для обнаружения воздействий и определения, какие воздействия достаточно значимы, чтобы о них сообщить, занести их в журнал или иным образом довести их до сведения оператора машины и для управления оператором при помощи беспроводных решений 2 н. и 19 з.п. ф-лы, 18 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 может применяться в микромеханических датчиках линейных ускорений. Сущность изобретения заключается в том, что микромеханический акселерометр содержит чувствительный элемент, выполненный из монокристаллического кремния низкой проводимости, внешнюю рамку с закрепленным на ней маятником при помощи упругих торсионов. Внешняя рамка имеет переменную ширину. В узкой ее части сформированы П-образные петли, обращенные наружу. Площадки крепления к стеклянным обкладкам на внешней рамке расположены строго на продольной и поперечных осях чувствительного элемента. В микромеханическом акселерометре используются круглые стеклянные обкладки. Это упрощает сборку и снижает трудоемкость изделия. Технический результат: увеличение точности с одновременным снижением трудоемкости без изменения массогабаритных параметров. 2 ил.

Наверх