Датчик с микроэлектронным первичным измерительным преобразователем инерционного типа

Использование: для измерения линейных или угловых колебаний. Сущность изобретения заключается в том, что датчик с микроэлектронным первичным измерительным преобразователем инерционного типа содержит микросхему первичного измерительного преобразователя и вспомогательные электронные компоненты, а также содержит первую и вторую печатные платы, на первой из которых установлены микросхема первичного измерительного преобразователя и вспомогательные электронные компоненты, которые соединены печатными проводниками в соответствии с электрической схемой, а также содержит плоскую рамку, внешний периметр которой соответствует периметрам первой и второй печатных плат, причем микросхема первичного измерительного преобразователя и вспомогательные электронные компоненты расположены с одной стороны первой печатной платы внутри плоской рамки, которая приклеена к первой печатной плате, а вторая печатная плата приклеена к другой стороне плоской рамки, в одной из сторон которой выполнен вырез для размещения соединителя, который припаян к контактным площадкам печатного монтажа первой печатной платы в соответствии с электрической схемой. Технический результат: обеспечение возможности упрощения выполнения датчика, снижение его веса и габаритных размеров, а также повышение его надежности и достоверности выполнения измерений. 12 з.п. ф-лы, 18 ил.

 

Изобретение относится к конструктивному исполнению датчиков инерционного типа с измерительными преобразователями в виде микроэлектронного элемента, реализующего измерение линейных или угловых колебаний, например, акселерометров или гироскопов в части выполнения конструкции таких датчиков. Изобретение также может быть использовано при реализации некоторых других датчиков физических величин, например магнитного поля, температуры и т.п. в случаях, когда не требуется непосредственный контакт микроэлектронного первичного преобразователя с внешней средой, изолированной от указанного преобразователя.

Уровень техники

В настоящее время выпускается большое количество различных датчиков инерционного типа для контроля механических процессов движения в одном или нескольких направлениях на основе микроэлектронной электромеханической технологии. Такие датчики позволяют контролировать линейное и угловое движение. Конструктивно такие датчики реализованы в виде электронных микросхем и для подключения в измерительным каналам они устанавливаются на печатные платы. Возможны различные физические принципы организации первичного измерительного преобразователя, устанавливаемого на печатную плату.

Известно устройство для контроля вибрации в виде печатной платы, с установленным на ней пьезоэлементом, который через контактные электроды соединен с электрической схемой [Piezoelectric accelerometer. US Patent Application Publication US 2015/0063062 A1. 05.03.2015, G01V 1/162, G01P 15/09, 367/15].

Недостатком этого устройства является относительно низкая надежность и помехозащищенность.

Известно техническое решение, в котором микросхема датчика вибрации закреплена на печатной плате через выводы микросхемы и дополнительные элементы крепления [Microaccelerometer package with integral support braces. US Patent 5644081, 01.07.1997, G01P 1/02, 73/493].

Недостатком этого устройства является слабая защищенность от влияния внешней среды и относительно большие габариты и вес.

Известно техническое решение, в котором микроэлектронный датчик инерционного типа, датчик температуры и процессор обработки сигналов установлены на общее основание и соединены в соответствии с электрической схемой [MEMS sensor. WO 2013/046955 A1, 04.04.2013, G01P 15/08, G01P 1/02].

Недостатком этого устройства является отсутствие защиты от влияния внешней среды.

Известно техническое решение в виде печатной платы с первичным измерительным преобразователем и вспомогательными электронными компонентами, которые установлены на плате и соединены в соответствии с электрической схемой. Плата установлена во внешний корпус с элементами крепления [Integrated motion processing unit (MPU) with MEMs inertial sensing and embedded digital electronic. Patent US 8250921 B2, 28.08.2012, G01P 15/00, G01P 1/02, 73/511].

Недостатком данного решения является необходимость использования внешнего корпуса, который существенно усложняет конструкцию, увеличивает вес и стоимость, снижает достоверность проведения измерений, поскольку своим сравнительно большим весом может повлиять на контролируемый объект, а передача механических колебаний через ряд последовательно соединенных элементов может приводить к искажению оценки таких колебаний.

Известно техническое решение в виде печатной платы с первичным измерительным преобразователем и вспомогательными электронными компонентами, которые установлены на плате и соединены в соответствии с электрической схемой. Плата установлена во внешний корпус с элементами крепления [System and method for angular rate and position measurement. Patent US 7938004 B1, 10.05.2011, G01P 21/02, G01P 1/02, 73/509].

Недостатком данного решения является необходимость использования внешнего корпуса, который существенно усложняет конструкцию, увеличивает вес и стоимость, снижает достоверность проведения измерений, поскольку своим сравнительно большим весом может повлиять на контролируемый объект, а передача механических колебаний через ряд последовательно соединенных элементов может приводить к искажению оценки таких колебаний.

Известно техническое решение в виде печатной платы с первичным измерительным преобразователем и вспомогательными электронными компонентами, которые установлены на плате и соединены в соответствии с электрической схемой. Плата установлена во внешний корпус с элементами крепления [Acceleration sensor with opposed amplifier and detection sections. Patent US 5650567, 22.07.1997, G01P 1/02, 73/493].

Недостатком данного решения является необходимость использования внешнего корпуса, который существенно усложняет конструкцию, увеличивает вес и стоимость, снижает достоверность проведения измерений, поскольку своим сравнительно большим весом может повлиять на контролируемый объект, а передача механических колебаний через ряд последовательно соединенных элементов может приводить к искажению оценки таких колебаний.

Известно техническое решение в виде печатной платы с первичным измерительным преобразователем и вспомогательными электронными компонентами, которые установлены на плате и соединены в соответствии с электрической схемой. Плата установлена во внешний корпус с элементами крепления [Inertial measurement unit and packages thereof. European patent application. EP 1813951 A1, G01P 1/02, 30.01.2006].

Недостатком данного решения является необходимость использования внешнего корпуса, который существенно усложняет конструкцию, увеличивает вес и стоимость, снижает достоверность проведения измерений, поскольку своим сравнительно большим весом может повлиять на контролируемый объект, а передача механических колебаний через ряд последовательно соединенных элементов может приводить к искажению оценки таких колебаний.

Известно техническое решение в виде печатной платы с первичным измерительным преобразователем и вспомогательными электронными компонентами, которые установлены на плате и соединены в соответствии с электрической схемой. Плата установлена во внешний корпус с элементами крепления [Тузов А. Датчики для измерения параметров движения на основе MEMS-технологии. Часть 1. Инерциальные датчики средней точности. Электроника, наука, технология, бизнес, №1, 2011, с. 72-78].

Недостатком данного решения является необходимость использования внешнего корпуса, который существенно усложняет конструкцию, увеличивает вес и стоимость, снижает достоверность проведения измерений, поскольку своим сравнительно большим весом может повлиять на контролируемый объект, а передача механических колебаний через ряд последовательно соединенных элементов может приводить к искажению оценки таких колебаний.

Известно техническое решение в виде печатной платы с первичным измерительным преобразователем и вспомогательными электронными компонентами, которые установлены на плате и соединены в соответствии с электрической схемой. Плата установлена во внешний корпус с элементами крепления [Гавриков В. Универсалы для быта и промышленности: новая линейка MEMS-гироскопов от Maxim. Новости электроники №10, 2013, с. 14-19].

Недостатком данного решения является необходимость использования внешнего корпуса, который существенно усложняет конструкцию, увеличивает вес и стоимость, снижает достоверность проведения измерений, поскольку своим сравнительно большим весом может повлиять на контролируемый объект, а передача механических колебаний через ряд последовательно соединенных элементов может приводить к искажению оценки таких колебаний.

Известно техническое решение в виде металлического основания и крышки, внутри которых через изолирующие прокладки установлены электронные компоненты и микроэлектронный первичный измерительный преобразователь [Vertical integration of a MEMs structure with electronics in a hermetically sealed cavity. Patent US 7247246 B2, 24.07.2007, C23F 1/00, 216/2].

Недостатком такого устройства являются относительно большие габариты и вес, а также возможность дополнительных механических резонансных явлений, которые могут оказать влияние на результаты измерения.

Известно устройство во котором первичный измерительный преобразователь в виде микроэлектронной схемы установлен в защитный корпус, который соединен с печатной платой через шариковые выводы [Integrated sensor and electronics package. Patent US 6891239 B2, 10.05.2005, H01L 27/14, 257/414].

Недостатком данного решения является слабая защищенность от влияния внешней среды на выходные сигналы устройства.

Известен датчик с микроэлектронным первичным измерительным преобразователем, который установлен на металлическое основание, которое через изолирующие прокладки соединены с внешними контактами разъема, внутренние соединения которых через навесные проводники соединены первичным измерительным преобразователем [Mount for semiconductor device. Patent US 6137170, 24.10.2000, H01L 23/12, 257/711].

Недостатками данного решения являются сравнительно сложная конструкция и процесс сборки и относительно низкая надежность, отсутствие защищенности выходных контактов и элементов крепления к объекту.

Известен датчик, содержащий микроэлектронные первичные измерительные преобразователи на платах для контроля вибрации в трех направлениях, внешний корпус для крепления плат, а также содержащий датчик температуры [Miniaturezed inertial measurement unit and associated method. Patent Application Publication US 2009/0326851 A1, 31.12.2009, G01P 15/00, 702/96].

Недостатком данного устройства являются сложность конструкции, относительно большие габариты и вес и относительно низкая надежности и достоверность измерений.

Известно устройство обеспечивающее управление в зависимости от внешнего механического воздействия и содержащее, по меньшей мере, одну печатную плату для размещения электрических компонентов, которая расположена между пластмассовой крышкой и пластмассовым дном, для соединения между собой пластмассовой крышки, пластмассового дна и, по меньшей мере, одной печатной платы предусмотрено максимум три соединительных средства [Блок управления средствами безопасности для автомобиля и способ сборки блока управления средствами безопасности для автомобиля. Патент RU 2516821, G01P 1/02, 06.04.2009].

Недостатками данного решения являются сравнительно большие габариты и относительно низкие надежность и достоверность функционирования.

Известно решение, состоящее в использовании в защитном корпусе электромеханической микросистемы промежуточного транслятора проводки, причем защитный корпус образован стенкой, изготовленной из электроизоляционного материала и формирующей закрытую камеру, упомянутая стенка имеет внутреннюю поверхность, ориентированную внутрь камеры, и наружную поверхность, находящуюся в контакте с внешней средой. Внутренние электрические контакты, располагающиеся на внутренних поверхностях, и наружные электрические контакты, располагающиеся на наружных поверхностях, попарно электрически связаны между собой, первая поверхность плоской электромеханической микросистемы закреплена на внутренней стенке корпуса, а вторая содержит электрические контакты этой микросистемы, первый конец проволочного соединения, изготовленного из электропроводного материала, закрепляется на электрическом контакте микросистемы, промежуточный транслятор изготавливается из электроизоляционного материала, закрепляется, по меньшей мере, на одной внутренней стенке и содержит дорожки, изготовленные из электропроводного материала, причем одна такая электропроводная дорожка электрически связана, по меньшей мере, с одним внутренним электрическим контактом и с одним вторым концом проволочного соединения [Защитный корпус электромеханической микросистемы, содержащий промежуточный транслятор проводки. Патент RU 2436726, G01P 1/02, 28.11.2007].

Недостатком такого решения являются сравнительно большие габариты и вес при относительно низкой надежности и сравнительно низкая устойчивость к внешним воздействиям из-за наличия внешних контактов незащищенных от внешней среды.

Известно техническое решение, основанное на встраивании электронных элементов внутрь печатной платы путем их установки с последующим прессованием - сверлением - травлением - нанесением рисунка [Brizoux М., Grivon A., Maia Filho W.С., Monier-Vinard М., Stahr J., Morianz M. Industrial PCB Development using Embedded Passive & Active Discrete Chips Focused on Process and DfR. Proceeding of IPC APEX Conference, Las Vegas, USA, April 2010. 12 p.].

Такое решение обеспечивает защиту микроэлектронного элемента первичного измерительного преобразователя, но не связей и внешних контактов от внешней среды и не может быть использовано для построения датчика, все элементы которого защищены от внешних воздействий, а следовательно, оно не обеспечивает достаточной надежности и достоверности функционирования.

Известно техническое решение, основанное на встраивании электронных элементов внутрь печатной платы путем их установки с последующим прессованием - сверлением - травлением - нанесением рисунка [Нисан А. Встраивание пассивных и активных компонентов в печатные платы. Поверхностный монтаж, №5(91), 2011, с. 10-16].

Такое решение обеспечивает защиту микроэлектронного элемента первичного измерительного преобразователя, но не связей и внешних контактов от внешней среды и не может быть использовано для построения датчика, все элементы которого защищены от внешних воздействий, а следовательно, оно не обеспечивает достаточной надежности и достоверности функционирования.

Известно техническое решение, основанное на встраивании электронных элементов внутрь печатной платы путем их установки с последующим прессованием - сверлением - травлением - нанесением рисунка [Назаров Е. Монтаж «микроузлы на плату» - развитие технологии «системы в корпусе», Печатный монтаж, №1(00042), 2013, с. 170-173 - рис. 3, стр. 171].

Такое решение обеспечивает защиту микроэлектронного элемента первичного измерительного преобразователя, но не связей и внешних контактов от внешней среды и не может быть использовано для построения датчика, все элементы которого защищены от внешних воздействий, а следовательно, оно не обеспечивает достаточной надежности и достоверности функционирования.

Известно техническое решение, основанное на встраивании электронных элементов внутрь печатной платы путем их установки с последующим прессованием - сверлением - травлением - нанесением рисунка [Гаршин В. Пути повышения эффективности технологической модернизации радиоэлектронной промышленности. Поверхностный монтаж, №6 (86), декабрь 2010, с. 4-7 - рис. 1, стр. 4].

Такое решение обеспечивает защиту микроэлектронного элемента первичного измерительного преобразователя, но не связей и внешних контактов от внешней среды и не может быть использовано для построения датчика, все элементы которого защищены от внешних воздействий, а следовательно, оно не обеспечивает достаточной надежности и достоверности функционирования.

Известно техническое решение, в котором использована подложка с электронной схемой, на которую установлен инерционный микроэлектронный датчик, сверху на который установлена вторая подложка и между ними выполнена заливка [Integrated motion processing unit (MPU) with MEMs sensing and embedded digital electronics. Patent US 8250921 B2, 28.08.2012, G01p 1/02, 73/511].

Недостатком данного решения является отсутствие возможности безопасного подключения к внешнему измерительному устройству и относительно низкая прочность к сдвигу между верхней и нижней подложками.

Наиболее близким по совокупности конструктивных признаков к предложенному является устройство, например датчик, с микроэлектронным первичным измерительным преобразователем инерционного типа, содержащее микросхему первичного измерительного преобразователя и вспомогательные электронные компоненты, а также содержащее первую и вторую печатные платы, на первой из которых установлены микросхема первичного измерительного преобразователя и вспомогательные электронные компоненты, которые соединены печатными проводниками в соответствии с электрической схемой, а также содержащий плоскую рамку, внешний периметр которой соответствует периметрам первой и второй печатных плат [Коновалов А.А., Чулков И.В., Бунтов М.В., Тимонин, Ануфрейчик К.В., Никифоров А.Ю. Построение бортовых систем сбора информации с использованием межплатных соединителей высокой плотности. Материалы выездного семинара «Вопросы миниатюризации в современном космическом приборостроении», М., ИКИ, 2004, с. 269-274. стр. 271 рис. 2].

Недостатками этого устройства являются сравнительно слабая защищенность от внешних воздействий, поскольку электронные компоненты расположены с внешней стороны конструкции, связанные с этим относительно низкие надежность и достоверность функционирования, в частности, в случае внешних механических воздействий, а также относительно высокий профиль (толщина) конструкции.

Улучшение характеристик и устранение недостатков может быть обеспечено тем, что в датчике с микроэлектронным первичным измерительным преобразователем инерционного типа, содержащем микросхему первичного измерительного преобразователя и вспомогательные электронные компоненты, а также содержащем первую и вторую печатные платы, на первой из которых установлены микросхема первичного измерительного преобразователя и вспомогательные электронные компоненты, которые соединены печатными проводниками в соответствии с электрической схемой, а также содержащем плоскую рамку, внешний периметр которой соответствует периметрам первой и второй печатных плат, микросхема первичного измерительного преобразователя и вспомогательные электронные компоненты расположены с одной стороны первой печатной платы внутри плоской рамки, которая приклеена к первой печатной плате, а вторая печатная плата приклеена к другой стороне плоской рамки, в одной из сторон которой выполнен вырез для размещения соединителя, который припаян к печатному монтажу первой печатной платы в соответствии с электрической схемой.

Другое отличие состоит в том, что в качестве соединителя использован кабель, провода которого соединены с контактными площадками на первой печатной плате в соответствии с электрической схемой.

Другое отличие состоит в том, что в качестве соединителя использован плоский разъем, выводы которого соединены с контактными площадками на первой печатной плате в соответствии с электрической схемой.

Другое отличие состоит в том, что первая печатная плата выполнена в виде однослойной печатной платы с печатными проводниками с одной стороны и без соединительных отверстий.

Другое отличие состоит в том, что в одной из сторон плоской рамки выполнено отверстие для крепления датчика, соосное с аналогичными отверстиями на первой и второй печатных платах.

Другое отличие состоит в том, что плоская рамка выполнена из материала, идентичного материалу основания первой и второй печатных плат.

Другое отличие состоит в том, что внешняя поверхность второй печатной платы выполнена со сплошной металлизацией.

Другое отличие состоит в том, что внутренняя поверхность второй печатной платы выполнена со сплошной металлизацией.

Другое отличие состоит в том, что внешняя поверхность первой печатной платы выполнена со сплошной металлизацией.

Другое отличие состоит в том, что первая печатная плата выполнена многослойной с промежуточным слоем металлизации, который соединен с контактной площадкой контакта экрана соединителя.

Другое отличие состоит в том, что микросхема первичного измерительного преобразователя и вспомогательные электронные компоненты, металлические проводники, которыми они соединены, а также контактные площадки и проводники соединителя, которые к ним подключены, покрыты изолирующим покрытием.

Другое отличие состоит в том, что поверх изолирующего покрытия нанесен слой электропроводящего наполнителя.

Другое отличие состоит в том, что слой электропроводящего наполнителя соединен с контактной площадкой экрана соединителя.

Предлагаемое техническое решение поясняется чертежами.

На фиг. 1. приведен пример выполнение предлагаемого устройства (вид сбоку).

На фиг. 2 приведен пример выполнения первой печатной платы 3 (вид сверху)

На фиг. 3 приведен пример выполнения первой печатной платы 3 (вид сечение сбоку).

На фиг. 4 приведен пример выполнения второй печатной платы (вид сверху)

На фиг. 5 приведен пример выполнения второй печатной платы (вид - сечение сбоку).

На фиг. 6 приведен пример выполнения плоской рамки (вид сверху)

На фиг. 7 приведен пример выполнения устройства при наличии отверстия для крепления и заливки свободного пространства внутри плоской рамки (вид - сечение сбоку).

На фиг. 8 приведен пример выполнения первой печатной платы в случае наличия отверстия для крепления (вид сверху).

На фиг. 9 приведен пример выполнения первой печатной платы в случае наличия отверстия для крепления и слоев металлизации на нижней стороне платы и внутри первой печатной платы (вид - сечение сбоку).

На фиг. 10 приведен пример выполнения второй печатной платы в случае наличия отверстия для крепления и слоя металлизации на верхней стороне платы (вид - сечение сбоку).

На фиг. 11 приведен пример выполнения второй печатной платы в случае наличия отверстия для крепления и слоев металлизации на верхней и нижней стороне платы (вид - сечение сбоку).

На фиг. 12 приведен пример выполнения второй печатной платы в случае наличия отверстия для крепления и слоя металлизации на нижней стороне платы (вид сверху).

На фиг. 13 приведен пример выполнения второй печатной платы в случае наличия отверстия для крепления и слоя металлизации на нижней стороне платы (вид - сечение сбоку).

На фиг. 14 приведен пример выполнения плоской рамки в случае наличия отверстия для крепления (вид сверху).

На фиг. 15 приведен пример выполнения устройства при наличии отверстия для крепления экранирующих слоев металлизации, которые обеспечивают получение двойного экрана, и заливки свободного пространства внутри плоской рамки.

На фиг. 16 и 17 приведены примеры электрических соединений микросхем датчиков вибрации. На фиг. 16 представлена схема для подключения микросхемы ADXL354 [Low Noise, Low Drift, Low Power, 3-Axis MEMS Accelerometers ADXL354/ADXL355. Analog Devices, Inc., September, 2016, 42 p.], которая обеспечивает контроль трех компонент линейного ускорения в частотном диапазоне от 0 до 1 кГц с высокой линейностью и сравнительно низким уровнем помех и шумов, а также контроль температуры. На фиг. 17 приведена схема электрических соединений для микросхемы ADXL001, которая обеспечивает контроль линейной вибрации в одном направлении в частотном диапазоне от 0 до 22 кГц в диапазоне ускорений от ±70 g до ±500 g [High Performance, Wide Bandwidth Accelerometer ADXL001. Analog Devices, Inc., 2010, 17 p.].

На фиг. 18 приведен пример выполнения устройства при использовании в качестве соединителя 6 плоского разъема (вид сбоку).

Датчик с микроэлектронным первичным измерительным преобразователем инерционного типа содержит микросхему 1 первичного измерительного преобразователя и вспомогательные электронные компоненты 2, а также содержит первую 3 и вторую 4 печатные платы, на первой 3 из которых установлены микросхема 1 первичного измерительного преобразователя и вспомогательные электронные компоненты 2, которые соединены печатными проводниками в соответствии с электрической схемой, а также содержит плоскую рамку 5, внешний периметр которой соответствует периметрам первой 3 и второй 4 печатных плат, причем микросхема 1 первичного измерительного преобразователя и вспомогательные электронные компоненты 2 расположены с одной стороны первой печатной платы 3 внутри плоской рамки 5, которая приклеена к первой печатной плате 1, а вторая печатная плата 4 приклеена к другой стороне плоской рамки 5, в одной из сторон которой выполнен вырез для размещения соединителя 6, который припаян к контактным площадкам 7 печатного монтажа первой печатной платы 3 в соответствии с электрической схемой.

Слой металлизации печатного монтажа 8, который обеспечивает соединение микросхемы 1 и компонентов 2, а также контактные площадки 7 расположены внутри свободного пространства плоской рамки 5 на внутренней поверхности первой печатной платы 3, как показано на фиг. 3. Первая печатная плата 3 может быть выполнена в виде однослойной печатной платы с печатными проводниками с одной стороны, на которой установлены микросхема 1, а также вспомогательные компоненты 2 без соединительных отверстий.

В качестве соединителя 6 использован кабель, провода которого соединены с контактными площадками 7 на первой печатной плате 3 в соответствии с электрической схемой.

В одной из сторон плоской рамки 5 может быть выполнено отверстие 9 для крепления датчика, соосное с аналогичными отверстиями на первой 3 и второй 4 печатных платах, как показано на фиг. 7.

Плоская рамка 5 может быть выполнена из материала, идентичного материалу основания первой 3 и второй 4 печатных плат.

Внешняя поверхность второй печатной платы 4 может быть выполнена со сплошной металлизацией, как показано на фиг. 7.

Первая печатная плата 3 может быть выполнена многослойной с промежуточным слоем металлизации, который соединен с контактной площадкой контакта экрана соединителя 6, как показано на фиг. 9.

Внутренняя и/или внешняя поверхность второй печатной платы 4 может быть выполнена со сплошной металлизацией, как показано на фиг. 10 и 11. Это обеспечивает экранирование схемы, размещенной на первой плате 3.

Микросхема 1 первичного измерительного преобразователя и вспомогательные электронные компоненты 2, а также металлические проводники, которые их соединяют, а также контактные площадки 7 и проводники соединителя 6, которые к ним подключены, могут быть покрыты изолирующим покрытием 10, как показано на фиг. 7.

Поверх изолирующего покрытия 10 может быть нанесен слой электропроводящего наполнителя 11, например электропроводящего эпоксидного клея (например, ЕРО-ТЕК Н20Е), как показано на фиг. 15.

Слой электропроводящего наполнителя 11 может быть соединен с контактной площадкой экрана 12 соединителя 6.

В качестве соединителя 6 также может быть использован плоский разъем, выводы которого соединены с контактными площадками на первой печатной плате в соответствии с электрической схемой, как показано на фиг. 18.

Датчик с микроэлектронным первичным измерительным преобразователем инерционного типа работает следующим образом.

Нижняя поверхность первой печатной платы 3 устанавливается на контролируемую поверхность и закрепляется на ней либо с помощью клея, либо с применением болта (винта) через отверстие 9 для крепления 9. Возможно также крепление через промежуточный магнитный прихват, к которому датчик крепится болтом (винтом) через отверстие 9.

Датчик воспринимает вибрацию контролируемого объекта непосредственно через первую печатную плату 3, что снижает вероятность появления дополнительных резонансов, появления отраженных колебаний и т.п. Сравнительно низкий профиль датчика не только позволяет разместить его в местах ограниченного объема (высоты), а также снижает вероятность проявления паразитных установочных низкочастотных резонансов, искажающих результаты измерения.

Микросхема 1 обеспечивает преобразование вибрации, действующей на датчик, в электрический сигнал, передаваемый по соединителю 6.

Поскольку топология схем, как следует из приведенных примеров на фиг. 16 и 17, допускает выполнение соединений, реализуемых в одной плоскости без взаимных пересечений, реализация в виде односторонней печати обычно не вызывает проблем.

В случае заполнения внутреннего пространства плоской рамки 5 наполнителем 10, например эпоксидным клеем, обеспечивается практически сплошная (монолитная) конструкция достаточно высокой прочности.

Выполнение слоя металлизации на внешних сторонах первой 3 и второй 4 печатных плат обеспечивает внешнее экранирование датчика, причем замыкание на корпус контролируемого объекта, если он электропроводящий, может обеспечиваться через болт (винт) крепления через отверстие 9.

При выполнении металлизации второй печатной платы 4 с внутренней стороны и при использовании встроенного слоя металлизации в первой печатной плате 3, которые соединяются с контактом экрана соединителя 6 или непосредственно с экраном кабеля, в случае его использования в качестве соединителя может быть обеспечено второе (внутреннее) экранирование. При этом второй (внутренний) экран не соединен с внешним экраном, который выполнен в виде внешних слоев металлизации на первой 3 и второй 4 печатных платах. Такое двойное экранирование обеспечивает высокую степень подавления внешних помех, которые могли бы исказить результаты измерения данным датчиком колебательных процессов контролируемого объекта.

При использовании встроенного в микросхему 1 датчика температуры обеспечивается сравнительно малая инерционность температурного отклика на изменения температуры контролируемого объекта, поскольку путь распространения изменений температуры фактически минимизирован (только толщина первой печатной платы 3).

Технические преимущества.

Предложенное техническое решение обеспечивает использование печатных плат, на которых размещены электронные компоненты, не только в качестве основания для их закрепления и межсоединений, но и для их защиты от внешней среды, внешних электромагнитных помех, в качестве элемента крепления к контролируемому объекту и единственного элемента передачи механических колебаний от внешнего объекта к первичному измерительному преобразователю. Такая особенность конструкции, исключающая использование внешнего корпуса, позволяет уменьшить высоту профиля датчика, что позволяет размещать его в местах, где конструкция с внешним корпусом не может быть размещена, а это расширяет возможную область его применения. Также обеспечивается более эффективное использование объема, занимаемого датчиком, и его технологичность, поскольку его изготовление сводится к изготовлению печатных плат по типовой простой технологии с распайкой элементов и последующим склеиванием, что не требует применения дополнительных сборочных операций. В предлагаемой конструкции не только электронные элементы расположены внутри печатной платы, но и все контактные площадки и соединители, обеспечивающие передачу сигнала от датчика к внешнему устройству, что исключает сколько-нибудь существенное влияние внешних утечек на сигналы датчика. Как было показано, предлагаемая конструкция позволяет при необходимости реализовать конструкцию датчика по схеме с двойным экраном для обеспечения высокой помехоустойчивости. Если в состав микросхемы первичного измерительного преобразователя входит встроенный датчик температуры, что на практике встречается достаточно часто, короткий путь распространения тепла от объекта, на котором закреплен датчик, к такому датчику обеспечивает сравнительно малую температурную инерционность и позволяет получить быстрый отклик на изменения температуры контролируемого объекта. Малое количество промежуточных элементов снижает также вероятность появления дополнительных резонансов и отражений волновых механических колебательных процессов на границах различных сред, а возможность получения сравнительно малого веса датчика снижает влияние собственного веса датчика на колебания контролируемого объекта, что повышает достоверность проведения измерений. Поскольку изолирующий материал, из которого выполнено основание печатных плат, обладает высококачественными электроизоляционными свойствами, датчик также обеспечивает высокое качество изоляции от объекта, что позволяет применять его для контроля объектов, находящихся под значительным электрическим напряжением. Следует также отметить, что использование в известных решениях внешних защитных корпусов в виде металлической оболочки высокой прочности часто неоправданно, поскольку прочность такой оболочки оказывается существенно более высокой, чем прочность соединительных кабелей для подключения датчика, которые и разрушаются при внешнем воздействии на систему «датчик-кабель», а замена такой системы в случае использования интегрированного кабеля требует замены и датчика, т.е. повышенная прочность корпуса оказывается неэффективным расходованием материала и ведет к неоправданному росту веса, стоимости и габаритов.

В случае когда объем внутри плоской рамки полностью залит твердым компаундом, например эпоксидным клеем, конструкция может быть использована во взрывоопасных зонах.

1. Датчик с микроэлектронным первичным измерительным преобразователем инерционного типа, содержащий микросхему первичного измерительного преобразователя и вспомогательные электронные компоненты, а также содержащий первую и вторую печатные платы, на первой из которых установлены микросхема первичного измерительного преобразователя и вспомогательные электронные компоненты, которые соединены печатными проводниками в соответствии с электрической схемой, а также содержащий плоскую рамку, внешний периметр которой соответствует периметрам первой и второй печатных плат, отличающийся тем, что микросхема первичного измерительного преобразователя и вспомогательные электронные компоненты расположены с одной стороны первой печатной платы внутри плоской рамки, которая приклеена к первой печатной плате, а вторая печатная плата приклеена к другой стороне плоской рамки, в одной из сторон которой выполнен вырез для размещения соединителя, который припаян к печатному монтажу первой печатной платы в соответствии с электрической схемой.

2. Датчик с микроэлектронным первичным измерительным преобразователем инерционного типа по п. 1, отличающийся тем, что в качестве соединителя использован кабель, провода которого соединены с контактными площадками на первой печатной плате в соответствии с электрической схемой.

3. Датчик с микроэлектронным первичным измерительным преобразователем инерционного типа по п. 1, отличающийся тем, что в качестве соединителя использован плоский разъем, выводы которого соединены с контактными площадками на первой печатной плате в соответствии с электрической схемой.

4. Датчик с микроэлектронным первичным измерительным преобразователем инерционного типа по п. 1, отличающийся тем, что первая печатная плата выполнена в виде однослойной печатной платы с печатными проводниками с одной стороны и без соединительных отверстий.

5. Датчик с микроэлектронным первичным измерительным преобразователем инерционного типа по п. 1, отличающийся тем, что в одной из сторон плоской рамки выполнено отверстие для крепления датчика, соосное с аналогичными отверстиями на первой и второй печатных платах.

6. Датчик с микроэлектронным первичным измерительным преобразователем инерционного типа по п. 1, отличающийся тем, что плоская рамка выполнена из материала, идентичного материалу основания первой и второй печатных плат.

7. Датчик с микроэлектронным первичным измерительным преобразователем инерционного типа по п. 1, отличающийся тем, что внешняя поверхность второй печатной платы выполнена со сплошной металлизацией.

8. Датчик с микроэлектронным первичным измерительным преобразователем инерционного типа по п. 1, отличающийся тем, что внутренняя поверхность второй печатной платы выполнена со сплошной металлизацией.

9. Датчик с микроэлектронным первичным измерительным преобразователем инерционного типа по п. 1, отличающийся тем, что внешняя поверхность первой печатной платы выполнена со сплошной металлизацией.

10. Датчик с микроэлектронным первичным измерительным преобразователем инерционного типа по п. 1, отличающийся тем, что первая печатная плата выполнена многослойной с промежуточным слоем металлизации, который соединен с контактной площадкой контакта экрана соединителя.

11. Датчик с микроэлектронным первичным измерительным преобразователем инерционного типа по п. 1, отличающийся тем, что микросхема первичного измерительного преобразователя и вспомогательные электронные компоненты, металлические проводники, которыми они соединены, а также контактные площадки и проводники соединителя, которые к ним подключены, покрыты изолирующим покрытием.

12. Датчик с микроэлектронным первичным измерительным преобразователем инерционного типа по п. 11, отличающийся тем, что поверх изолирующего покрытия нанесен слой электропроводящего наполнителя.

13. Датчик с микроэлектронным первичным измерительным преобразователем инерционного типа по п. 12, отличающийся тем, что слой электропроводящего наполнителя соединен с контактной площадкой экрана соединителя.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к экспериментальной гидромеханике морских инженерных сооружений и касается методов испытания трансформации волн в опытовом бассейне на наклонном дне и оборудования для его проведения.

Изобретение может быть использовано в линейных и угловых акселерометрах и может найти применение в сейсмодатчиках, приборах для стабилизации движущихся объектов и инерциальной навигации.

Изобретение относится к датчику ускорения и способу изготовления такого датчика ускорения. Датчик ускорения содержит подложку с поверхностью подложки и пробную массу, которая выполнена с возможностью перемещения относительно подложки в направлении (x) отклонения, по существу параллельном поверхности подложки первом направлении (x).

Изобретение относится к устройствам для навигации и ориентации в пространстве и может быть использовано для определения направления на географический север. Устройство для определения направления на географический север содержит молекулярно-электронный датчик угловых движений, установленный на платформе, способной вращаться с угловой скоростью, изменяющейся по знаку и абсолютной величине, при этом устройство содержит датчик, измеряющий угловую скорость вращения платформы относительно неподвижного основания, и контроллер, управляющий вращением платформы и выполняющий совместную обработку данных молекулярно-электронного датчика угловых движений и датчика, измеряющего угловую скорость вращения платформы относительно неподвижного основания.

Изобретение относится к области измерительной техники и микросистемной техники. Сущность изобретения заключается в том, что в устройство дополнительно введены четыре дополнительных подвижных электрода емкостных преобразователей перемещений, выполненные в виде пластин с перфорацией с гребенчатыми структурами с двух сторон из полупроводникового материала и расположенные с зазором относительно подложки, восемь дополнительных неподвижных электродов емкостных преобразователей перемещений, выполненные с гребенчатыми структурами с одной стороны и расположенные непосредственно на подложке так, что они образуют с дополнительными подвижными электродами емкостных преобразователей перемещений конденсаторы в плоскости их пластин через боковые зазоры и взаимопроникающие друг в друга гребенки электродов, четыре дополнительных подвижных электрода электростатических приводов, выполненные в виде пластин с перфорацией с гребенчатыми структурами с двух сторон из полупроводникового материала и расположенные с зазором относительно подложки, девять дополнительных неподвижных электродов электростатических приводов, выполненные с гребенчатыми структурами с одной стороны из полупроводникового материала и расположенные непосредственно на подложке так, что они образуют электростатическое взаимодействие с подвижными электродами электростатических приводов в плоскости их пластин через боковые зазоры и взаимопроникающие друг в друга гребенки электродов, шестнадцать «П»-образных систем упругих балок, выполненные в виде пластин из полупроводникового материала и расположенные с зазором относительно подложки, и двадцать одна дополнительная опора, выполненные из полупроводникового материала и расположенные непосредственно на подложке, причем две инерционные массы выполнены с перфорацией, а подложка и неподвижные электроды емкостных преобразователей перемещений выполнены из полупроводникового материала.

Изобретение относится к области измерительной техники и микросистемной техники. Сущность изобретения заключается в том, что в устройство дополнительно введены четыре дополнительных неподвижных электрода емкостных преобразователей перемещений, выполненные в виде пластин с гребенчатыми структурами с одной стороны из полупроводникового материала и расположенные непосредственно на полупроводниковой подложке так, что они образуют конденсатор с подвижными электродами емкостных преобразователей перемещений в плоскости их пластин через боковые зазоры и взаимопроникающие друг в друга гребенки электродов, четыре дополнительных неподвижных электрода электростатических приводов, выполненные в виде пластин с гребенчатыми структурами с одной стороны из полупроводникового материала и расположенные непосредственно на полупроводниковой подложке так, что они образуют конденсаторы с подвижными электродами емкостных преобразователей перемещений в плоскости их пластин через боковые зазоры и взаимопроникающие друг в друга гребенки электродов, восемь дополнительных опор, выполненные из полупроводникового материала и расположенные непосредственно на полупроводниковой подложке, восемь дополнительных «П»-образных систем упругих балок, выполненных из полупроводникового материала и расположенных с зазором относительно полупроводниковой подложки, причем четыре подвижных электрода емкостных преобразователей перемещений выполнены в виде «Т»-образных пластин с перфорацией с гребенчатыми структурами с трех сторон, четыре неподвижных электрода емкостных преобразователей перемещений объединены в один, а инерционная масса выполнена с перфорацией.

Устройство относится к измерительной технике, а именно к датчикам угловых ускорений, принцип действия которых основан на законе электромагнитной индукции. Датчик угловых ускорений с жидкостным ротором содержит чувствительный элемент и тороидальный корпус, заполненный жидкостью.

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.

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.

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.

Изобретение относится к техническим средствам управления манипуляционным роботом в различных режимах движения. Устройство управления аварийным торможением робота-манипулятора использует для остановки манипулятора отключение питания приводов степеней подвижности. Устройство обеспечивает выключение питания приводов каждой степени подвижности независимо друг от друга. Все реле (или аналогичные электронные схемы), с помощью которых осуществляется выключение питания, управляются от общего контроллера устройства. Устройство использует сигнал включения аварийного торможения, поступающий от системы управления робота, и сигналы датчиков положения всех степеней подвижности. Технический результат – возможность управления торможением, выбор траектории торможения. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

Использование: для измерения линейных или угловых колебаний. Сущность изобретения заключается в том, что датчик с микроэлектронным первичным измерительным преобразователем инерционного типа содержит микросхему первичного измерительного преобразователя и вспомогательные электронные компоненты, а также содержит первую и вторую печатные платы, на первой из которых установлены микросхема первичного измерительного преобразователя и вспомогательные электронные компоненты, которые соединены печатными проводниками в соответствии с электрической схемой, а также содержит плоскую рамку, внешний периметр которой соответствует периметрам первой и второй печатных плат, причем микросхема первичного измерительного преобразователя и вспомогательные электронные компоненты расположены с одной стороны первой печатной платы внутри плоской рамки, которая приклеена к первой печатной плате, а вторая печатная плата приклеена к другой стороне плоской рамки, в одной из сторон которой выполнен вырез для размещения соединителя, который припаян к контактным площадкам печатного монтажа первой печатной платы в соответствии с электрической схемой. Технический результат: обеспечение возможности упрощения выполнения датчика, снижение его веса и габаритных размеров, а также повышение его надежности и достоверности выполнения измерений. 12 з.п. ф-лы, 18 ил.

Наверх