ТЕНЗОАКСЕЛЕРОМЕТР
STRAIN ACCELEROMETRE

Заявляемое техническое решение относится к измерительной технике, именно - к акселерометрам.
Широко распространенные тензорезистивные акселерометры содержат корпус, упругий элемент с измерительной мостовой схемой из сформированных на нем тензорезисторов и груз [1-2].
Интегральный кремниевый тензоакселерометр [1] содержит закрепленную одним концом в корпусе консольную кремниевую балку с концентратором напряжений и с соединенными в мостовую схему диффузионными тензорезисторами, расположенными над концентратором с плоской стороны балки, и дополнительный груз, размещенный на кремниевой инерционной массе (свободном конце консоли), при этом общий центр тяжести кремниевой инерционной массы и дополнительного груза равноудален от плоскостей рабочей и противоположной ей нерабочей поверхностей концентратора.
Недостатками этого тензоакселерометра являются низкая собственная частота и его неспособность одновременно с измерением вертикальной составляющей ускорения измерять поперечные составляющие ускорения.
Наиболее близким к заявляемому техническому решению является тензоакселерометр [2], включающий в себя корпус; упругий чувствительный элемент (ЧЭ), работающий на изгиб, с жесткими центральной и периферийной областями и расположенной между ними областью меньшей жесткости (толщины), симметричный относительно своей центральной вертикальной оси и двух взаимно перпендикулярных горизонтальных осей в плоскости ЧЭ, проходящих через его центр; груз, симметричный относительно вертикальной оси симметрии ЧЭ, так что центр инерции груза расположен на вертикальной оси симметрии ЧЭ, при этом груз закреплен (или сформирован) на одной из жестких областей ЧЭ, а другая жесткая область ЧЭ закреплена в корпусе; измерительную мостовую схему, тензорезисторы которой расположены на плоской стороне ЧЭ в области его меньшей жесткости у границ с его жесткими областями на или вблизи горизонтальных осей симметрии и ориентированы вдоль или поперек горизонтальной оси, у которой они расположены.
Акселерометр функционирует следующим образом. При воздействии ускорения вдоль вертикальной оси симметрии ЧЭ (оси Z) на груз действует сила инерции, жесткая область ЧЭ, к которой прикреплен груз, смещается, и область меньшей жесткости упругого элемента деформируется. Деформации вблизи центральной и периферийной областей упругого элемента максимальны, противоположны по знаку и примерно равны по величине. Коэффициенты тензочувствительности продольных и поперечных тензорезисторов также противоположны по знаку и примерно равны по абсолютной величине. Изменения величин сопротивления тензорезисторов в противоположных плечах моста имеют один знак, а в смежных - противоположные знаки. В результате обеспечивается максимальная чувствительность акселерометра к измеряемому ускорению вдоль вертикальной оси. При воздействии поперечных ускорений сила инерции действует в плоскости ЧЭ (т.к. центр инерции груза лежит в плоскости ЧЭ), деформации ЧЭ и изменения величин тензорезисторов близки к нулю, чем обеспечивается близкая к нулю поперечная чувствительность акселерометра.
Недостатком акселерометра является его неспособность одновременно с измерением вертикальной составляющей ускорения измерять поперечные составляющие ускорения.
Ожидаемым техническим результатом заявляемого изобретения является обеспечение одновременного измерения поперечных составляющих ускорения.
Для этого в тензоакселерометре, включающем в себя корпус; упругий чувствительный элемент (ЧЭ), работающий на изгиб, с жесткими центральной и периферийной областями и расположенной между ними областью меньшей жесткости (толщины), симметричный относительно своей центральной вертикальной оси и двух взаимно перпендикулярных горизонтальных осей в плоскости ЧЭ, проходящих через его центр; груз, симметричный относительно вертикальной оси симметрии ЧЭ, так что центр инерции груза расположен на вертикальной оси симметрии ЧЭ, при этом груз закреплен (или сформирован) на одной из жестких областей ЧЭ, а другая жесткая область ЧЭ закреплена в корпусе; измерительную мостовую схему, тензорезисторы которой расположены на плоской стороне ЧЭ в области его меньшей жесткости у границ с его жесткими областями на или вблизи горизонтальных осей симметрии и ориентированы вдоль или поперек горизонтальной оси, у которой они расположены, причем груз выполнен несимметричным относительно плоскости ЧЭ так, что центр инерции груза, лежащий на центральной вертикальной оси симметрии ЧЭ, смещен относительно плоскости ЧЭ на расстояние H=(0,05…0,5)L, где L - поперечный размер всей области меньшей жесткости ЧЭ; в ЧЭ дополнительно сформирована хотя бы одна мостовая схема из дополнительных тензорезисторов, которые, как и тензорезисторы основной схемы, расположены на плоской стороне ЧЭ в области его меньшей жесткости у границ с его жесткими областями и ориентированы вдоль или поперек горизонтальной оси, у которой они расположены; дополнительные тензорезисторы дополнительной схемы расположены на или вблизи первой или второй горизонтальных осей симметрии ЧЭ, ориентированных в направлении первой или второй измеряемых поперечных составляющих ускорения; дополнительные тензорезисторы дополнительной схемы в противоположных плечах моста одинаково ориентированы и расположены с той же стороны от центра ЧЭ у той же жесткой области или по другую сторону от центра ЧЭ у другой жесткой области ЧЭ; или по-разному ориентированы и расположены с той же стороны от центра ЧЭ у другой жесткой области или по другую сторону от центра ЧЭ у той же жесткой области ЧЭ; каждому дополнительному тензорезистору каждой дополнительной схемы в одном из смежных плеч этой же схемы соответствует другой дополнительный тензорезистор равной исходной величины и так же ориентированный, расположенный по другую сторону от центра ЧЭ у той же жесткой области ЧЭ зеркально симметрично относительно горизонтальной оси симметрии ЧЭ, перпендикулярной оси, на или вблизи которой расположены дополнительные тензорезисторы; каждому тензорезистору основной схемы в том же или противоположном плече этой же схемы соответствует другой тензорезистор равной исходной величины и так же ориентированный, расположенный по другую сторону от центра ЧЭ у той же жесткой области ЧЭ симметрично относительно центра симметрии ЧЭ; расстояние между краями жестких центральной и периферийной областей, расположенными с одной стороны относительно центра ЧЭ, составляет (0,1…0,25)L.
Кроме того, в заявляемом тензоакселерометре в качестве груза может быть использована центральная жесткая часть ЧЭ, что позволяет выполнить тензоакселерометр полностью интегральным.
На фиг.1 показан заявляемый акселерометр в разрезе; на фиг.2 - интегральный вариант выполнения акселерометра, когда грузом является центральная жесткая область ЧЭ; на фиг.3 - вид сверху на ЧЭ; на фиг.4.1 и 4.2 - соответственно мостовые и полумостовые схемы подключения тензорезисторов для измерения компонентов ускорения; на фиг.5.1 и фиг.5.2 - акселерометр в разрезе соответственно при воздействии вертикального ускорения вдоль оси Z и горизонтального ускорения вдоль оси X.
Акселерометр (фиг.1 и фиг.2) включает в себя ЧЭ 1, симметричный относительно своей центральной вертикальной оси Z и двух взаимно перпендикулярных горизонтальных осей X и Y в плоскости ЧЭ, проходящих через центр ЧЭ, с жесткими центральной 2 и периферийной 3 областями и расположенной между ними областью 4 меньшей жесткости (толщины), в которой в отдельных местах могут быть выполнены сквозные отверстия 5. К центральной области 2 ЧЭ 1 прикреплен дополнительный груз 6 (на фиг.2 в интегральном исполнении акселерометра дополнительный груз отсутствует), так что центр тяжести 7 всего груза (включающего в себя центральную область 2 ЧЭ и дополнительный груз 6) расположен на центральной оси симметрии (оси Z) ЧЭ 1 и смещен относительно плоскости 8 ЧЭ на величину H=(0,05…0,5)L, где L - поперечный размер всей области 4 меньшей жесткости ЧЭ. Периферийная жесткая часть 3 ЧЭ 1 закреплена в корпусе 9 акселерометра. В интегральном варианте исполнения акселерометра (фиг.2) роль корпуса выполняют нижняя 10 и верхняя 11 крышки, в центральных частях которых сформированы микрозазоры 12 и 13, позволяющие перемещаться центральной части 2 ЧЭ (она же является в этом случае грузом) при воздействии ускорения. Как вариант исполнения акселерометра возможно крепление в корпусе центральной жесткой части 2 ЧЭ, а крепление груза 6 к периферийной жесткой части 3 ЧЭ.
На ЧЭ 1 (фиг.3) расположены тензорезисторы 14-17 основной (осуществляющей измерения составляющей ускорения вдоль перпендикулярной плоскости ЧЭ оси Z) и двух дополнительных схем, осуществляющих измерения поперечных составляющих ускорения вдоль осей X и Y в плоскости ЧЭ (соответственно 18-21 и 22-25).
z
y
х
z
Все тензорезисторы расположены на плоской стороне ЧЭ в области его меньшей жесткости у границ с его жесткими областями на или вблизи горизонтальных осей симметрии X и Y. Все тензорезисторы ориентированы вдоль или поперек горизонтальной оси в плоскости ЧЭ, у которой они расположены. Тензорезисторы основной схемы (измеряющей a) располагаются вдоль любой (или обеих) горизонтальных осей. Тензорезисторы второй и третьей схем располагаются вдоль оси, ускорение вдоль которой измеряет соответствующая схема, в которую они входят. Так, на фиг.3 тензорезисторы 22-25 схемы 3, осуществляющей измерения составляющей ускорения a, расположены вблизи оси Y и ориентированы поперек нее (поперечные), тензорезисторы 18-21 схемы 2, осуществляющей измерения составляющей ускорения а, расположены вблизи оси X у жесткой центральной области 2 и ориентированы вдоль и поперек нее (продольные и поперечные), тензорезисторы 14-17 схемы 1, осуществляющей измерения составляющей ускорения a, расположены у жесткой периферии 3 вблизи оси X и ориентированы вдоль и поперек нее (продольные и поперечные).
Считая деформации ЧЭ 1 акселерометра упругими, воздействие произвольного ускорения может быть представлено как сумма воздействий соответствующих компонентов ускорений вдоль осей Z, X, Y, каждое из которых можно рассматривать независимо. С учетом симметрии ЧЭ 1 относительно осей X, Y и его центра и расположения центра инерции груза на вертикальной оси симметрии при воздействии отдельных компонентов ускорения деформации отдельных участков ЧЭ также будут симметричными.
Тензоакселерометр работает следующим образом.
z
При воздействии ускорения a (фиг.5.1) участки области меньшей жесткости 4 ЧЭ 1, прилегающие к жесткому центру 2, испытывают максимальные деформации одного знака (на фиг.5.1 - сжатия), а прилегающие к жесткой периферии 3 - максимальные деформации противоположного знака (на фиг.5.1 - растяжения). Деформации тензорезисторов, расположенных симметрично относительно осей X и Y или центра ЧЭ, равны, что следует из симметрии ЧЭ и вертикальности, и центрированности нагружающей силы.
z
В схеме №1 величины сопротивлений тензорезисторов 14 и 16 (расположенных в противоположных плечах схемы) одинаково увеличиваются (коэффициент тензочувствительности продольных тензорезисторов >0, деформации растяжения), а тензорезисторов 15 и 17, расположенных в двух других противоположных плечах, - уменьшаются (коэффициент тензочувствительности поперечных тензорезисторов <0, деформации растяжения). В результате обеспечивается максимальная чувствительность схемы 1 к ускорению a.
z
В схеме №2 деформации тензорезисторов 18 и 21, расположенных симметрично относительно оси Y ЧЭ 1, равны, а поскольку они одинаково ориентированы (поперечные тензорезисторы), одинаковы и изменения их сопротивлений. По этой же причине одинаковы изменения сопротивлений продольных тензорезисторов 19 и 20. Поскольку эти пары тензорезисторов находятся в смежных плечах схемы №2, то их изменения взаимно компенсируются, и выходной сигнал схемы №2 при воздействии ускорения a не меняется.
z
В схеме №3 деформации тензорезисторов 22 и 25, расположенных симметрично относительно оси X ЧЭ 1, равны, а поскольку они одинаково ориентированы (поперечные тензорезисторы), одинаковы и изменения их сопротивлений. По этой же причине равны изменения сопротивлений поперечных тензорезисторов 23 и 24. Поскольку эти пары тензорезисторов находятся в смежных плечах схемы №3, то их изменения взаимно компенсируются, и выходной сигнал схемы №3 при воздействии ускорения a не меняется.
x
При воздействии ускорения a (см. фиг.5.2 и фиг.3) участки ЧЭ 1, где расположены тензорезисторы 20, 21 и 14, 15, испытывают максимальные деформации сжатия, а участки, где расположены тензорезисторы 18, 19 и 16, 17, - максимальные деформации растяжения. Деформации участков ЧЭ, где расположены тензорезисторы 22-25, малы и неодинаковы в разных точках тензорезисторов. При этом деформации тензорезисторов, расположенных симметрично друг другу относительно оси X, одинаковы по величине и по знаку, а расположенных симметрично относительно оси Y или центра ЧЭ, одинаковы по величине и противоположны по знаку, что следует из симметрии ЧЭ и симметричности нагрузки.
х
В схеме №1 деформации тензорезисторов 14 и 16, расположенных симметрично относительно центра ЧЭ 1, одинаковы по величине и противоположны по знаку, а поскольку тензорезисторы одинаково ориентированы (продольные тензорезисторы), изменения их сопротивлений противоположны. Также противоположны изменения сопротивлений тензорезисторов 15 и 17 (расположенных симметрично относительно центра ЧЭ и одинаково ориентированных поперек оси X). Поскольку эти пары тензорезисторов находятся в противоположных плечах схемы, изменения их сопротивлений компенсируются, и выходной сигнал схемы №1 при воздействии ускорения а не меняется.
х
В схеме №2 деформации тензорезисторов 18 и 20, расположенных симметрично относительно центра ЧЭ 1, одинаковы по величине и противоположны по знаку, а поскольку они по-разному ориентированы и их тензочувствительности имеют разный знак, изменения их сопротивлений близки (для случая, показанного на фиг.5.2, их величины уменьшатся). По этой же причине одинаковы изменения сопротивлений тензорезисторов 19 и 21 (для случая, показанного на фиг.5.2, их величины увеличатся). Таким образом, поскольку эти пары тензорезисторов находятся в противоположных плечах схемы №2, обеспечивается ее максимальная чувствительность к ускорениям а.
x
В схеме №3 деформации тензорезисторов 22 и 25, расположенных симметрично относительно оси X ЧЭ 1, одинаковы, а поскольку они одинаково ориентированы (поперечные тензорезисторы), одинаковы и изменения их сопротивлений. По этой же причине одинаковы изменения сопротивлений поперечных тензорезисторов 23 и 24. Поскольку эти пары тензорезисторов находятся в смежных плечах схемы №3, то их изменения взаимно компенсируются, и выходной сигнал схемы №3 при воздействии ускорения a не меняется.
y
При воздействии ускорения a (фиг.3) в положительном направлении оси Y участки ЧЭ 1, где расположены тензорезисторы 23 и 25, испытывают максимальные деформации сжатия, а участки, где расположены тензорезисторы 22 и 24, - максимальные деформации растяжения. Деформации участков ЧЭ 1, где расположены тензорезисторы 14-21, малы и неодинаковы в разных точках тензорезисторов. При этом деформации для тензорезисторов, расположенных симметрично друг другу относительно оси Y, равны, а расположенных симметрично относительно оси X или центра ЧЭ, одинаковы по величине и противоположны по знаку.
y
В схеме №1 деформации тензорезисторов 14 и 16, расположенных симметрично относительно центра ЧЭ 1, одинаковы по величине и противоположны по знаку, а поскольку тензорезисторы одинаково ориентированы (продольные тензорезисторы), изменения их сопротивлений противоположны. Также противоположны изменения сопротивлений тензорезисторов 15 и 17 (расположенных симметрично относительно центра ЧЭ и одинаково ориентированных поперек оси X). Поскольку эти пары тензорезисторов находятся в противоположных плечах схемы, изменения их сопротивлений компенсируются, и выходной сигнал схемы №1 при воздействии ускорения a не меняется.
у
В схеме №2 деформации тензорезисторов 18 и 21, расположенных симметрично относительно оси Y ЧЭ 1, равны, а поскольку они одинаково ориентированы и их тензочувствительности равны, изменения их сопротивлений одинаковы. По этой же причине одинаковы изменения сопротивлений тензорезисторов 19 и 20. Поскольку эти пары тензорезисторов находятся в смежных плечах схемы №2, ее сигнал при воздействии ускорения а не меняется.
y
В схеме №3 тензорезисторы 22 и 24 испытывают максимальные деформации растяжения и, т.к. они расположены поперек оси Y (коэффициент тензочувствительности <0), величины их сопротивлений уменьшатся. Тензорезисторы 23 и 25 испытывают максимальные деформации сжатия и, т.к. они расположены поперек оси Y (коэффициент тензочувствительности <0), величины их сопротивлений увеличатся. Тем самым, поскольку эти пары тензорезисторов находятся в противоположных плечах схемы №3, обеспечивается максимальная чувствительность схемы №3 к ускорению a.
Спроектированные и изготовленные на базе заявляемого решения трехкомпонентные акселерометры обладали следующими характеристиками:
- чувствительность по каналам X, Y, Z: от 8 до 12 мВ/g;
- диапазон измерений: ±20g;
- поперечная чувствительность: от 1,5 до 3% (т.е. не превышала величины, характерной для аналогичных однокомпонентных акселерометров);
- диаметр D=20 мм, высота h=15 мм; масса около 9 г.
Источники информации
1. Интегральный кремниевый тензоакселерометр. Патент РФ №2072728 от 24.02.1994 (G01P 15/12). Шелепин Н.А., Брехов Р.С.
2. Интегральный чувствительный элемент датчика механических величин. Ас СССР №690393 (G01P 15/02, G01L 7/08). Пивоненков Б.И.