ЧУВСТВИТЕЛЬНЫЙ ЭЛЕМЕНТ МИКРОМЕХАНИЧЕСКОГО ДАТЧИКА ЛИНЕЙНЫХ УСКОРЕНИЙ

Полезная модель относится к измерительной технике и может применяться в микромеханических акселерометрах.
Известен чувствительный элемент микромеханического датчика линейных ускорений, выполненный из монокристаллического кремния, содержащий инерционную массу, внешнюю рамку, соединенную с инерционной массой через упругие элементы, стеклянные обкладки, расположенные с обеих сторон внешней рамки, образуя преобразователь угловых перемещений инерционной массы [1].
Недостатком этого устройства является высокий уровень нулевого сигнала, его нестабильность, высокая температурная погрешность, так как стеклянные обкладки соединены с внешней рамкой в местах сопряжения упругих элементов с внешней рамкой. При этом температурная деформация соединения «кремний-стекло» передается на упругие элементы инерционной массы, которые закручиваются и отклоняют инерционную массу при отсутствии полезного сигнала, а также дополнительно отклоняют инерционную массу при действии линейного ускорения. После соединения кремниевой внешней рамки со стеклянными обкладками в местах соединения возникают остаточные напряжения, которые деформируют упругие элементы, следовательно, перемещают инерционную массу от нейтрального положения, что приводит к увеличению нулевого сигнала. Известен чувствительный элемент микромеханического датчика линейных ускорений, выполненный из монокристаллического кремния в виде инерционной массы, имеющей два плеча и подвешенной на упругих торсионах с поперечным сечением в виде Х-образного профиля, работающих на кручение, внешнюю рамку, к которой другой стороной соединены торсионы, стеклянные обкладки, с которыми соединена внешняя рамка [2]. При этом на внешней рамке сформированы площадки для крепления стеклянных обкладок, расположенные по оси торсионов, в местах сопряжения последних с внешней рамкой.
Недостатком этого устройства является высокая чувствительность к пониженным и повышенным температурным воздействиям. При повышении, понижении рабочих температур, упругие торсионы чувствительного элемента укорачиваются или удлиняются, соответственно. Вследствие того, что упругие торсионы жестко соединены с одной стороны, с инерционной массой, с другой стороны, с внешней рамкой, при этом последняя жестко соединена со стеклянными обкладками, то возникающее при этом деформация приложена к инерционной массе, которая в итоге перемещается, закручиваясь на упругих торсионах. При этом на выходе преобразователя перемещений инерционной массы появляется сигнал при отсутствии действия линейного ускорения, то есть появляется погрешность измерения полезного сигнала. Другим недостатком данного устройства является то, что после анодного соединения кремниевой внешней рамки со стеклянными обкладками, остаточное напряжение, возникающее в стыке «кремний-стекло» деформирует внешнюю рамку. При этом деформирует упругие торсионы, которые закручиваются и перемещают инерционную массу, что увеличивает уровень нулевого сигнала. А это уменьшает точность прибора. Задачей, на решение которой направлена полезная модель, является увеличение точности микромеханического датчика линейных ускорений. Для достижения этого в чувствительном элементе микромеханического датчика линейных ускорений выполненного из монокристаллического кремния, содержащем инерционную массу, стеклянные обкладки, площадки крепления к стеклянным обкладкам, упругие торсионы, площадки крепления расположены в центре симметрии инерционной массы, а упругие торсионы, соединенные одной стороной с инерционной массой, другой - с площадкой крепления, при этом площадка крепления выполнена в виде двутавра и соединена выступающими сторонами со стеклянными обкладками, причем на площадке крепления на стороне, параллельной плоскости инерционной массы, в центре ее, сформированы сквозные щели выполнены так, как изображено на фиг.2, двумя противоположными сторонами охватывающие место сопряжения упругих торсионов с площадкой крепления. Признаком, отличающим предложенный чувствительный элемент от известного, является то, что в чувствительном элементе, а именно, площадка крепления, расположена в центре симметрии инерционной массы, упругие торсионы одной стороной соединены с площадкой крепления, а другой - с инерционной массой. При этом площадка крепления в виде двутавра соединена со стеклянными обкладками выступающими сторонами. В центре площадки крепления, взаимоперпендикулярной стороне ее по отношению к сторонам, прикрепленным к стеклянным обкладкам, сформированы сквозные щели выполнены так, как изображено на фиг.2. Причем, двумя сторонами сквозные щели охватывают место сопряжения упругих торсионов и площадки крепления.
При воздействии отрицательных или положительных температур в центральной точке закрепления, а именно в центре симметрии инерционной массы, которая представляет собой площадку крепления, механические напряжения равны нулю. В точке крепления и вблизи ее с учетом линейного закона распределения механических напряжений и деформаций, напряженное состояние отсутствует. Закрепление площадки в виде двутавра и наличие сквозной щели выполненной так, как изображено на фиг.2 обеспечивает резкое уменьшение напряженного состояния на упругий торсион, сопряженный с площадкой крепления. После процесса анодного соединения площадки крепления со стеклянными подложками остаточные напряжения передаются на упругодеформированную сквозную щель, ограничивая доступ напряженного состояния на место сопряжения упругого торсиона с площадкой крепления, тем самым обеспечивая отсутствие деформации упругого торсиона и его кручение, при отсутствии действия линейного ускорения. Тоже самое происходит при воздействии отрицательных и положительных температур. Таким образом, формирование площадки крепления с таким закреплением к стеклянным обкладкам, а также формирование в последней сквозные щели выполнены так, как изображено на фиг.2 существенно снижает уровень нулевого сигнала и его нестабильность, а также температурную погрешность, тем самым повышая точность измерения линейных ускорений. Предложенный чувствительный элемент микромеханического датчика линейных ускорений иллюстрируется чертежами, представленными на фиг.1, 2. На фиг.1 изображен чувствительный элемент микромеханического датчика линейных ускорений в плане, где:
1 - инерционная масса;
2 - упругие торсионы с поперечным сечением в виде Х-образного профиля;
3 - сквозные щели;
4 - площадка крепления к стеклянным обкладкам в виде двутавра;
5 - место соединения площадки крепления к стеклянным обкладкам;
6 - технологические выступы;
7 - технологические перемычки.
На фиг.2 изображен центр симметрии инерционной массы- площадка крепления к стеклянным обкладкам.
Чувствительный элемент, выполненный из монокристалла кремния низкой проводимости, содержит инерционную массу 1, стеклянные обкладки (не показано), упругие торсионы 2 с поперечным сечением в виде Х-образного профиля, сквозные щели выполнены так, как изображено на фиг.2-3, площадки крепления 4 к стеклянным обкладкам, технологические выступы 6, технологические перемычки 7. Чувствительный элемент работает следующим образом. При действии линейного ускорения инерционная масса 1 отклоняется от своего нейтрального положения. Упругие торсионы 2 закручиваются на определенный угол. Возникающий дисбаланс емкостного преобразователя, реализованный на стеклянных обкладках, пропорционален величине измеряемого ускорения.
При воздействии рабочего диапазона температур, а также после процесса анодного соединения площадки крепления 4 к стеклянным обкладкам обеспечивается отсутствие дополнительной деформации на упругих торсионах 2. Это уменьшает нулевой сигнал и температурную погрешность прибора. Соединение площадки крепления 4 выступающими сторонами со стеклянными обкладками обеспечивает то, чтобы при воздействии температуры сквозные щели выполнены так, как изображено на фиг.2 сужается или расширяется, тем самым минимизируя остаточные напряжения от анодной посадки и уменьшало температурную погрешность. Технологические выступы 6, обеспечивают плотный контакт инерционной массы 1 к стеклянной обкладке (с обеих сторон). Причем, анодное соединении происходит, только в центре масс инерционной массы 1. Технологические выступы 6 покрыты двуокисью кремния и в процессе анодного соединения не задействованы. Технологические перемычки 7 необходимы для сборки чувствительного элемента в целом и затем удаляются известным способом.
Проведенные математическое моделирование в среде ANSYS показало положительный эффект данной полезной модели по сравнению с прототипом. Источники информации:
1. Патент РФ №2211001
2. Патент РФ №2251702 (прототип)