Интегральный датчик ускорения

Авторы патента:

G01P15/00 - Измерение ускорения и замедления; измерение импульсов ускорения

Владельцы патента RU 2639610:

Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Сибирский федеральный университет" (СФУ) (RU)

Изобретение относится к области микросистемной техники, в частности к приборам для измерения величины линейного ускорения. Интегральный датчик ускорения содержит выполненные из полупроводникового материала за одно целое опорную рамку и закрепленную на одном из ее плеч с помощью упругих консольных элементов с тензорезистивными преобразователями деформации инерционную массу, при этом датчик дополнительно содержит пару упругих торсионных элементов, расположенных на противоположных плечах опорной рамки перпендикулярно упругим консольным элементам и соединенных с инерционной массой, при этом тензорезистивные преобразователи деформации выполнены на основе кремниевых нанонитей, оснащенных измерительными электродами. Технический результат – повышение чувствительности интегрального датчика ускорений при сохранении рабочего частотного диапазона. 1 з.п. ф-лы, 3 ил.

Изобретение относится к области микросистемной техники, в частности к приборам для измерения величины линейного ускорения.

Известен интегральный датчик ускорения [Патент США №5616844 А], содержащий опорную рамку, инерционную массу и упругие элементы подвеса, изготовленные из единой кремниевой пластины. Емкостной преобразователь служит для измерения перемещений инерционной массы при наличии измеряемого ускорения.

Недостатком данного устройства являются его недостаточные точностные характеристики, обусловленные влиянием токов утечки и паразитных емкостей, присущих емкостным преобразователям перемещений.

Функциональным аналогом заявляемого объекта является интегральный датчик ускорения [Патент США №6105427 А], содержащий инерционную массу, сформированную в опорной рамке вместе с двумя упругими элементами подвеса и элементами их крепления к рамке. Перемещения инерционной массы при наличии ускорения измеряются емкостным преобразователем перемещений.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому объекту является интегральный кремниевый тензоакселерометр (далее - интегральный датчик ускорения) [Патент РФ 2072728], содержащий выполненные из единой монокристаллической кремниевой подложки основание (далее - опорная рамка), инерционную массу, соединяющий их концентратор механических напряжений (далее - упругий консольный элемент), на рабочей поверхности которого расположены диффузионные тензорезисторы, соединенные металлизацией в мостовую измерительную схему (далее - тензорезистивные преобразователи деформации), и дополнительный груз, размещенный на инерционной массе. При наличии измеряемого ускорения силы инерции вызывают деформацию изгиба упругого консольного элемента, которая фиксируется тензорезистивными преобразователями информации.

Недостатком данного устройства являются его недостаточная чувствительность, обусловленная тем, что при заданном диапазоне частот измеряемых ускорений и толщине упругого консольного элемента чувствительность интегрального датчика ускорения ограничена низкой чувствительностью тензорезистивных преобразователей деформации на основе диффузионных тензорезисторов. В результате приходится идти на компромисс, так как с повышением чувствительности связана необходимость в уменьшении толщины упругого консольного элемента, что, однако, влечет за собой снижение верхней границы рабочего частотного диапазона и показателя качества интегрального датчика ускорения (произведение чувствительности на квадрат резонансной частоты).

Задача предлагаемого изобретения состоит в повышении чувствительности интегрального датчика ускорений при сохранении рабочего частотного диапазона.

Для решения поставленной задачи интегральный датчик ускорения, содержащий выполненные из полупроводникового материала за одно целое опорную рамку и закрепленную на одном из ее плеч с помощью упругих консольных элементов с тензорезистивными преобразователями деформации инерционную массу, согласно изобретению дополнительно содержит пару упругих торсионных элементов, расположенных на противоположных плечах опорной рамки перпендикулярно упругим консольным элементам и соединенных с инерционной массой, при этом тензорезистивные преобразователи деформации выполнены на основе кремниевых нанонитей, оснащенных измерительными электродами. Кремниевые нанонити могут быть образованы участками локальных утоньшений упругих консольных элементов.

На фиг. 1 представлен общий вид сверху на интегральный датчик ускорения, на фиг. 2 представлен общий вид сзади на интегральный датчик ускорения, на фиг. 3 представлен частный случай исполнения интегрального датчика ускорения, в соответствии с которым, кремниевые нанонити образованы участками локальных утоньшений упругих консольных элементов.

Интегральный датчик ускорения (фиг. 1) содержит опорную рамку 1 и закрепленную на одном из ее плеч с помощью упругих консольных элементов 2 с тензорезистивными преобразователями деформации инерционную массу 3. Кроме того, интегральный датчик ускорения содержит пару упругих торсионных элементов 4 (фиг. 2), расположенных на противоположных плечах опорной рамки 1 перпендикулярно упругим консольным элементам 2 и соединенных с инерционной массой 3. При этом тензорезистивные преобразователи деформации выполнены на основе кремниевых нанонитей 5 (показаны условно), оснащенных измерительными электродами 6. Возможно исполнение предлагаемого интегрального датчика ускорения (фиг. 3), в соответствии с которым кремниевые нанонити 5 образованы участками локальных утоньшений упругих консольных элементов 2.

Интегральный датчик ускорения работает следующим образом. При возникновении ускорения опорной рамки 1 в направлении оси Z, направленной перпендикулярно плоскости опорной рамки, под действием сил инерции происходит угловое перемещение инерционной массы 3 вокруг оси Y (фиг. 1), которое с помощью упругих торсионных элементов 4 преобразуется в продольную деформацию упругих консольных элементов 2, величина которой измеряется тензорезистивными преобразователями деформации, выполненными на основе кремниевых нанонитей 5, оснащенных измерительными электродами 6. Принцип действия последних обусловлен изменением электрического сопротивления чрезвычайно чувствительных к механическим воздействиям кремниевых нанонитей вследствие их деформации (тензорезистивный эффект). Результатом изменения сопротивления кремниевых нанонитей является значительное (по сравнению с тензорезистивными преобразователями деформации на основе диффузионных тензорезисторов) изменение уровня электрического сигнала на измерительных электродах 6, пропорциональное измеряемому ускорению. Таким образом, предлагаемый интегральный датчик ускорения обладает лучшей по сравнению с прототипом чувствительностью к измеряемым ускорениям, что достигается без существенного уменьшения толщины упругих консольных элементов и снижения верхней границы рабочего частотного диапазона.

Технический результат предлагаемого изобретения объясняется следующим. Во-первых, за счет выполнения тензорезистивных преобразователей деформации на основе кремниевых нанонитей, оснащенных измерительными электродами, повышается чувствительность интегрального датчика ускорений, поскольку тензочувствительность кремниевых нанонитей в десятки раз превосходит аналогичный показатель объемного кремния (R. Не, P. Yang, "Giant piezoresistance effect in silicon nanowires", Nature Nanotechnology, vol. 1, pp. 42-46, 2006), в котором формируются диффузионные тензорезисторы. Во вторых, введение дополнительных упругих торсионных элементов позволяет повысить жесткость подвеса инерционной массы, что способствует сохранению рабочего частотного диапазона интегрального датчика ускорения.

Для обеспечения лучшей технологичности конструкции интегрального датчика ускорения кремниевые нанонити могут быть образованы участками локальных утоньшений упругих консольных элементов.

В целом, по сравнению с прототипом, предлагаемое изобретение позволяет повысить чувствительность интегрального датчика ускорения при сохранении рабочего частотного диапазона.

1. Интегральный датчик ускорения, содержащий выполненные из полупроводникового материала за одно целое опорную рамку и закрепленную на одном из ее плеч с помощью упругих консольных элементов с тензорезистивными преобразователями деформации инерционную массу, отличающийся тем, что он дополнительно содержит пару упругих торсионных элементов, расположенных на противоположных плечах опорной рамки перпендикулярно упругим консольным элементам и соединенных с инерционной массой, при этом тензорезистивные преобразователи деформации выполнены на основе кремниевых нанонитей, оснащенных измерительными электродами.

2. Интегральный датчик ускорения по п. 1, отличающийся тем, что кремниевые нанонити образованы участками локальных утоньшений упругих консольных элементов.

Способ обеспечения линейности масштабного коэффициента маятникового акселерометра компенсационного типа относится к измерительной технике. Способ основан на использовании цифровой обратной связи, реализуемой микроконтроллером, в котором программным способом реализован ШИМ; ШИМ формирует последовательность рабочих импульсов, длительность которых равна τраб(n⋅T0), а таймер микроконтроллера формирует два равных по величине вспомогательных импульса длительностью τвсп и две равные по величине паузы длительностью τпауз.

Способ измерения коэффициента преобразования датчика ускорения с помощью тредбана и устройство для его осуществления // 2625092

Изобретение относится к измерительной технике и предназначено для измерения коэффициента преобразования датчика ускорения в узкой полосе частот. Способ измерения коэффициента преобразования датчика ускорения с помощью тредбана заключается в том, что подсчитывается количество шагов N, сделанных одной ногой спортсмена на движущейся со скоростью ν (м/с) в противоположную сторону бега спортсмена дорожке тредбана, за отсчитанный секундомером отрезок времени t, чтобы удержаться на начальной точке отсчета, по замеренным параметрам которых рассчитывается частота передвижения ноги ω в единицу времени: гдеω - частота передвижения ног (рад/сек);N - количество шагов, сделанных ногой за отрезок времени t;t - время, затраченное спортсменом на прохождение N шагов, при этом перед включением движения дорожки на голеностоп одной из ног спортсмена устанавливается датчик ускорения, сигнал которого поступает на вход спектроанализатора с предварительно установленным в нем полосовым фильтром с центральной угловой частотой ω, к выходу которого подключен цифровой вольтметр, показание которого «u» будет соответствовать величине ускорения датчика на угловой частоте ω, рассчитанной по формуле: гдеν - скорость движения дорожки тредбана (м/сек);а - ускорение датчика на частоте ω (в ед.

Способ измерения коэффициента преобразования датчика ускорения // 2618481

Изобретение относится к измерительной технике и предназначено для определения коэффициента преобразования датчика ускорения в узкой полосе частот. Способ измерения коэффициента преобразования датчика ускорения заключается в поднятии штока, имеющего свободный или скользящий ход по отношению к трубке, внутри которой он движется, на высоту Н.

Способ обеспечения виброустойчивости маятникового акселерометра линейных ускорений с цифровой обратной связью и виброустойчивый маятниковый акселерометр // 2615221

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в области приборов для измерения линейного ускорения. Сущность изобретения заключается в том, что обеспечивают изменение значения коэффициента передачи регулятора в микроконтроллере от Крег до Kрегmax по закону, для чего на каждом шаге дискретизации выполняют измерение и сравнение в микроконтроллере напряжения U на входе АЦП усилителя с пороговым значением Uпор; при значениях напряжений, меньших либо равных Uпор, для организованного внутри микроконтроллера ШИМ-модулятора формируют в микроконтроллере цифровой входной сигнал для ШИМ-модулятора, для текущего значения напряжения U при значении коэффициента передачи регулятора Крег; обеспечивают формирование ШИМ-модулятором последовательности импульсов постоянной амплитуды и определенной длительности; определяют в микроконтроллере тот шаг дискретизации, на котором U больше Uпор, обеспечивают на последующих шагах дискретизации формирование увеличенного цифрового сигнала U*ув, для увеличенного коэффициента передачи, что обеспечивает увеличение длительности импульсов до определенной величины τув; обеспечивают соответствующее увеличение длительности открытого состояния, определяемого величиной τув, переключателя тока усилителя мощности, что обеспечивает поступление с выхода усилителя мощности в обмотку датчика момента акселерометра последовательности импульсов тока стабилизированной амплитуды и увеличенной длительности, определяют тот шаг дискретизации, на котором на входе АЦП напряжение U меньше либо равно Uпор, после чего обеспечивают возврат системы обратной связи к режиму работы со значением коэффициента передачи, равным Крег.

Способ пневматического частотного измерения ускорения движения тела // 2601271

Изобретение относится к устройствам, использующимся при навигации летательных аппаратов, при измерении ускорения. Техническим результатом является повышение достоверности (уменьшения погрешности) за счет включения в прямую цепь интегратора, линеаризующего выходную характеристику системы измерения, и эффективности измерения путем включения в цепь обратной связи частотной части измерения.

Способ измерения выталкивающей силы упругого объекта методом отскока и устройство для его осуществления // 2600508

Изобретение относится к области спорта и может быть использовано при создании упругих подпятников, вкладываемых в спортивную обувь с целью получения дополнительной выталкивающей силы.

Сенсор на пространственной спирали // 2594071

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано при определении характеристик движения объектов, таких как скорость, ускорение, вибрации и прочее.

Акселерометр-тахогенератор // 2584576

Изобретение относится к электрическим микромашинам, а именно к датчикам угловых ускорений (акселерометрам), предназначенным для измерения угловых ускорений контролируемых валов в устройствах автоматики и вычислительной техники.

Способ определения замедлений поступательно движущихся систем // 2581738

Предложенное изобретение относится к области испытания механических систем, которые оценивают по замедлению при выбеге вращающейся детали, и может быть использовано для определения отрицательных ускорений вращающихся частей или систем в целом.

Способ измерения кажущегося ускорения и пьезоэлектронный акселерометр для его реализации // 2566655

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано для измерения кажущегося ускорения в системах ориентации и навигации подвижных объектов и путеизмерительных комплексах, а также сейсмических измерениях.

Датчик с электростатическим маятниковым акселерометром и способ управления таким датчиком // 2647983

Группа изобретений относится к датчику с электростатическим маятниковым акселерометром и к способу управления таким датчиком. Акселерометрический датчик содержит по меньшей мере один электростатический маятниковый акселерометр, имеющий первый и второй неподвижные электроды, закрепленные на корпусе и соединенные со схемой возбуждения, и третий электрод, установленный на маятнике, соединенном с корпусом, с возможностью перемещения и связанный с детекторной схемой. Схема возбуждения имеет выход, соединенный с переключателем, связанным с первым и вторым электродами, при этом переключатель имеет первое положение соединения и второе положение соединения, чтобы селективно соединять со схемой возбуждения первый электрод и второй электрод, при этом схема возбуждения, переключатель и детекторная схема соединены со схемой управления, выполненной таким образом, чтобы первый и второй электроды возбуждались импульсами таким образом, чтобы удерживать маятник в заданном положении и определять ускорение, действующее на маятник. Технический результат – повышение точности определения ускорения. 2 н. 12 з.п. ф-лы, 4 ил.