Инерциальный элемент



Инерциальный элемент

 


Владельцы патента RU 2573616:

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

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 применяться в навигационно-пилотажных системах летательных аппаратов. Изобретение основано на принципе измерения угловых скоростей движущихся объектов, при котором чувствительную массу датчика приводят в колебательное движение, одновременно на колеблющуюся чувствительную массу воздействуют измеряемой угловой скоростью, получают ускорение Кориолиса тем, что выполняют два измерения, при первом измеряют сумму линейного ускорения и угловой скорости, а при втором отдельно измеряют линейное ускорение, затем из результата первого измерения вычитают результат второго измерения, полученный результат представляют как значение угловой скорости, операции вычитания, запоминания и выдачу результатов потребителю информации выполняют с помощью встроенного в датчик микроконтроллера.

Известен чувствительный элемент [1] микроакселерометра, выполненный по осевому типу. Состоит чувствительный элемент из однородной пластины проводящего кремния, внутри которой размещен на упругих пружинках подвижный узел (челнок). Гребенки встречно-штыревых преобразователей выполнены посредством ионного травления на чувствительной массе и электрически изолированы от нее зазорами.

Недостатками известного чувствительного элемента микроакселерометра являются низкая точность измерения ускорений.

Наиболее близким к заявляемому может служить чувствительный элемент [2], содержащий изоляционную подложку, на которой выращен слой жертвенного поликремния, а на слое жертвенного поликремния выращен слой кристаллического монокремния в виде несущей планарной области, в слое кристаллического монокремния методом плазменного травления выполнен подвижный узел, включающий чувствительную массу, упругие подвесы, жестко соединенные одним концом с несущей планарной областью, а вторым - с чувствительной массой, электроды электростатического преобразователя силы: подвижный и неподвижные, под подвижным узлом жертвенный слой поликремний стравлен.

Недостатками известного чувствительного элемента микрогироскопа являются:

1. Он не может быть выполнен на любые диапазоны измерений, требуемые в технике, поскольку чувствительный элемент имеет недостаточную массу.

2. Известный чувствительный элемент имеет низкую точность, обусловленную влиянием поперечных составляющих, поскольку пружинки подвеса имеют две степени свободы.

Задача, на решение которой направлено изобретение - расширение диапазона измерений и повышение точности с заявляемым инерциальным элементом микрогироскопа.

Этот технический результат достигается тем, что инерциальный элемент, содержащий изоляционную подложку, на которой выращен слой жертвенного поликремния, а на слое жертвенного поликремния выращен слой кристаллического монокремния в виде несущей планарной области, содержит также электронный блок на микроконтроллере, включенном в прямой цепи контура регулирования, и электростатический преобразователь силы, подвижные электроды которого жестко связаны с чувствительной массой, а неподвижные электроды изолированы от чувствительной массы сквозными травлениями, а в слое кристаллического монокремния методом ионно-плазменного травления выполнен подвижный узел, включающий чувствительную массу, упругие подвесы которого жестко соединены одними концами с несущей планарной областью, а вторыми - с чувствительной массой, чувствительная масса электрически соединена через упругие подвесы с «землей», под подвижным узлом жертвенный слой поликремния стравливают, подвижные и неподвижные электроды емкостного преобразователя перемещений выполнены в окне, вытравленном в средней части чувствительной массы, направление измеряемых перемещений совмещено с направлением действия электростатической силы отработки, неподвижные электроды преобразователя перемещений и преобразователя силовой отработки имеют длину больше по сравнению с подвижными на величину максимального принудительного хода чувствительной массы в поперечном направлении, сверху и снизу чувствительной массы выполнены подвижные электроды возбуждения принудительных колебаний массы с направлением, перпендикулярным направлению действия электростатической силы отработки, неподвижные электроды возбуждения принудительных колебаний масс изолированы от несущей планарной области монокремния сквозными травлениями, неподвижные электроды преобразователя перемещений подключены ко входам ШИМ микроконтроллера, монокремний чувствительной массы выполнен пористым за исключением мест соединения с упругими подвесами, а поры заполнены тяжелым металлом, например медью. Устранение влияния второй степени свободы на результаты измерений осуществляется тем, что длина подвижного электрода датчика перемещений выполнена больше длины подвижных электродов на величину максимальной амплитуды принудительной раскачки чувствительной массы. Устройство заявляемой полезной модели иллюстрируется фиг.1, где приняты следующие названия позициям: 1 - изоляционная подложка; 2 - планка для выполнения неподвижного силового электрода 3; 4 - пружина упругого подвеса; 5 - неподвижный электрод преобразователя принудительных колебаний; 6 - подвижный электрод преобразователя принудительных колебаний; 7 - подвижный электрод датчика перемещений; 8 - планка крепления пружины упругого подвеса; 9 - неподвижный электрод датчика перемещений; 10 - подвижный электрод силового преобразователя; 11 - чувствительная масса.

Пружины упругого подвеса 4 выполнены так, что им придано свойство неравножесткости. Толщина пружин составляет порядка 10 микрометров, а ширина более 100 микрометров. Соответственно жесткость по оси x значительно меньше жесткости по оси z. Это дает возможность отстраиваться от поперечных влияний.

Работа заявляемой полезной модели осуществляется следующим образом. При подаче переменного напряжения от встроенного генератора (на фиг. 1 не показан) на электрод 5 чувствительная масса 11 переходит в колебательные движения относительно оси z. Частота принудительных колебаний выбрана равной собственной частоте подвижного узла. При действии угловой скорости относительно оси z возникает кориолисова сила, которая действует по оси x. Величина этой силы равна:

где m - величина чувствительной массы; - линейная скорость по оси y; Ωz - угловая скорость (измеряемая) относительно оси z.

Кориолисова сила приведет в колебательное движение чувствительную массу по оси х. Угловой измеряемой скорости при этом соответствует амплитуда этого колебательного движения.

Оценим погрешность от возможных поперечных воздействий угловой скорости Ωx. Чувствительная масса при этом должна получить колебательное движение по оси z, но здесь пружина подвеса направлена к движению широкой стороной, причем в данном случае этот размер в значение жесткости входит в кубе. Таким образом на измерение полезного сигнала поперечная составляющая имеет пренебрежимо малое влияние. Достижение поставленной цели - повышение чувствительности осуществлено посредством выполнения пористости чувствительной массы и заполнения пор медью - тяжелым металлом по сравнению с кремнием.

Источники информации

1. Акселерометр ADXL104. Аналог дивайс. 2005-2011 гг.

2. Вавилов В.Д. Теоретические основы микросистемных акселерометров и гироскопов. Изд-во НГТУ, 2011, С. 204.

Инерциальный элемент, содержащий изоляционную подложку, на которой выращен слой жертвенного поликремния, а на слое жертвенного поликремния выращен слой кристаллического монокремния в виде несущей планарной области, содержит также электронный блок на микроконтроллере, включенном в прямой цепи контура регулирования, и электростатический преобразователь силы, подвижные электроды которого жестко связаны с чувствительной массой, а неподвижные электроды изолированы от чувствительной массы сквозными травлениями, отличающийся тем, что в слое кристаллического монокремния методом ионно-плазменного травления выполнен подвижный узел, включающий чувствительную массу, упругие подвесы которого жестко соединены одними концами с несущей планарной областью, а вторыми - с чувствительной массой, чувствительная масса электрически соединена через упругие подвесы с «землей», под подвижным узлом жертвенный слой поликремния стравливают, подвижные и неподвижные электроды емкостного преобразователя перемещений выполнены в окне, вытравленном в средней части чувствительной массы, направление измеряемых перемещений совмещено с направлением действия электростатической силы отработки, неподвижные электроды преобразователя перемещений и преобразователя силовой отработки имеют длину больше по сравнению с подвижными на величину максимального принудительного хода чувствительной массы в поперечном направлении, сверху и снизу чувствительной массы выполнены подвижные электроды возбуждения принудительных колебаний массы с направлением, перпендикулярным направлению действия электростатической силы отработки, неподвижные электроды возбуждения принудительных колебаний масс изолированы от несущей планарной области монокремния сквозными травлениями, неподвижные электроды преобразователя перемещений подключены ко входам ШИМ микроконтроллера, монокремний чувствительной массы выполнен пористым за исключением мест соединения с упругими подвесами, а поры заполнены тяжелым металлом, например медью.



 

Похожие патенты:

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.
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.

Изобретение относится к устройствам для измерения ускорения и может быть использовано в качестве первичного преобразователя в системах инерциальной навигации и сейсмометрии.

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

Изобретение относится к измерительной технике. Устройство содержит две дифференциальные измерительные емкости, источник опорного напряжения, пару ключей зарядки измерительных емкостей, генератор тактовых импульсов, инвертор напряжения, пару ключей для съема сигнала с измерительных емкостей и фильтр нижних частот. Полный цикл работы устройства осуществляется за два такта синхронизирующих импульсов: в первый такт обе измерительные емкости заряжаются от источника опорного напряжения через первую пару ключей. Во второй такт обе измерительные емкости одновременно разряжаются, через вторую пару ключей, на фильтр нижних частот, который формирует сигнал соответствующей величины и полярности. Технический результат заключается в повышении точности. 1 ил.

Изобретение относится к навигационным устройствам, в частности может быть использовано для определения направления на географический север. Техническим результатом изобретения является повышение точности определения направления на географический север. Технический результат достигается за счет того, что устройство для определения направления на географический север, содержит помимо датчика углового движения также датчик, чувствительный к изменению угла наклона. Обработка сигналов производится путем исключения из сигнала датчика угловых движений сигналов, вызванных наклонами оси вращения, с использованием показаний установленного на ту же платформу датчика, чувствительного к изменениям угла наклона. Момент начала вращения платформы определяют из условия стабилизации электродных токов неподвижного молекулярно-электронного датчика. Для уменьшения времени стабилизации электродных токов предварительно механически перемешивают жидкость в канале датчика угловой скорости путем вибраций платформы или помещают в жидкости вне области расположения преобразующего элемента датчика угловой скорости дополнительные электроды, находящиеся при одинаковом электрическом потенциале. 3 з.п. ф-лы, 3 ил.

Изобретение относится к измерительным устройствам и может быть использовано в МЭМС акселерометрах и гироскопах. Емкостный датчик перемещений содержит широтно-импульсный модулятор, подвижный электрод и выполненные на изоляционных обкладках неподвижные электроды, размещенные симметрично относительно подвижного электрода с одинаковыми зазорами, каждый неподвижный электрод разделен пополам, а одинаковые части, размещенные с разных сторон подвижного электрода на одинаковом расстоянии от оси качания, соединены между собой перекрестно и составляют два дифференциально включенных измерительных конденсатора, которые при равных зазорах имеют одинаковую емкость, при этом неподвижные электроды, находящиеся на одной изоляционной обкладке, разделены асимметрично относительно оси качания и перекрывают всю площадь подвижного электрода, а ответные неподвижные электроды выполнены симметрично относительно плоскости подвижного электрода. Технический результат - повышение чувствительности и точности преобразователя перемещений. 3 ил.
Наверх