МИКРОМЕХАНИЧЕСКИЙ АКСЕЛЕРОМЕТР
MICROMECHANICAL ACCELEROMETER

Изобретение относится к измерительной технике и может применяться в микромеханических датчиках линейных ускорений. Известен микромеханический акселерометр, содержащий корпус, чувствительный элемент, выполненный из каркасной катушки, подвешенный в корпусе на металлических растяжках, датчик перемещения каркасной катушки.
Недостатком этого устройства является сложность конструкции, нетехнологичность, низкая точность из-за чувствительности к перекрестным связям [1].
Известен микромеханический акселерометр, содержащий корпус, чувствительный элемент, выполненный из монокристаллического кремния в виде электропроводящей инерционной массы, представляющей собой маятник, подвешенный с помощью торсионов, которые другой стороной соединены с внешней рамкой. Торсионы выполнены крестообразными с поперечным сечением в виде Х-образного профиля. Внешняя рамка, равномерная по ширине по всему периметру, на которой расположены площадки для крепления стеклянных обкладок. Стеклянные обкладки прямоугольные, соединенные с чувствительным элементом методом анодной посадки [2].
Недостатком этого устройства является то, что анодное соединение двух стеклянных обкладок с кремниевым чувствительным элементом проводится при температуре свыше 450°С. После остывания пакета из двух стеклянных обкладок и кремниевого чувствительного элемента происходит деформация внешней рамки. Эта деформация соответственно передается на упругие торсионы. Это существенным образом влияет на стабильность упругих свойств последних.
Так, после присоединения возникающие контактные напряжения влияют на упругий подвес, за счет чего увеличивается нестабильность смещения нуля и, как следствие, понижается точность прибора в целом. Еще один недостаток данной конструкции - воздействие возмущающих факторов, в частности плюсовых и минусовых температур, - и конструкция чувствительного элемента будет деформирована, что приведет к появлению нестабильности нулевого сигнала, его высокому уровню. Изменится также жесткость торсионов и, как следствие, уход крутизны преобразователя перемещений. Другим недостатком является использование прямоугольных обкладок. При сборке пакета из двух стеклянных обкладок и кремниевого чувствительного элемента возникают трудности в последовательном сопряжении друг с другом элементов микромеханического акселерометра и взаимной их фиксации. Следовательно, снижается производительность и повышается трудоемкость изделия. Все это существенно снижает и точность прибора в целом.
Задачей, на решение которой направлено изобретение, является увеличение точности микромеханического датчика и упрощение сборки его узлов. Для достижения этого в микромеханическом акселерометре, содержащем корпус, кремниевый чувствительный элемент с внешней рамкой, закрепленным на ней при помощи упругих торсионов маятником, стеклянные обкладки, площадки крепления на внешней рамке, внешняя рамка выполнена неравномерной по ширине, площадки крепления расположены на боковых и нижней сторонах внешней рамки, на продольной и поперечной осях чувствительного элемента, в самой широкой ее части, а между боковыми площадками крепления и местом крепления упругого торсиона на внешней рамке сформированы П-образные петли, обращенные наружу, при этом используются круглые стеклянные обкладки, на которых с одной стороны на продольной оси у кромки выполнена выемка для сборки, а с противоположной в месте обеспечивающем разварку противоположной стеклянной обкладки - другая выемка, причем язык чувствительного элемента с электрической контактной площадкой расположен между двумя выемками, предназначенными для разварки.
Признаком, отличающим предложенный микромеханический акселерометр от известного, является то, что внешняя рамка выполнена неравномерной по ширине с П-образными петлями, обращенными наружу, располагающимися между боковыми площадками крепления и местом закрепления упругих торсионов на внешней рамке. Это позволяет значительно уменьшить напряженное состояние на упругих торсионах, так как значительная часть деформации концентрируется в узле связи «площадка крепления - П-образная петля - обратный конец П-образной петли». Деформации, возникающие в нижней широкой части внешней рамки, значительного воздействия на упругие торсионы не оказывают, потому что сконцентрированы между площадками крепления и передаются опять же через узел связи «площадка крепления - П-образная петля - обратный конец П-образной петли». Поэтому для улучшения закрепления стеклянных обкладок и упрощения сборки нижняя внешняя рамка сформирована более широкой по площади. Использование круглых обкладок упрощает сборку узла микромеханического акселерометра, а именно последовательное сопряжение друг с другом элементов микромеханического акселерометра и взаимной их фиксации с последующим анодным соединением.
Предложенный микромеханический акселерометр иллюстрируется чертежами, представленными на фиг.1, 2.
На фиг.1 изображен кремниевый чувствительный элемент, где:
1 - внешняя рамка;
2 - маятник;
3 - упругие торсионы;
4 - П-образные петли;
5 - площадки крепления к стеклянным обкладкам;
6 - электрическая контактная площадка.
На фиг.2 изображен чувствительный элемент с закрепленными на нем стеклянными обкладками, где:
7 - выемка для подвода электрического проводника к противоположной обкладке;
8 - выемка для сборки в пакет двух обкладок и чувствительного элемента;
9 - язык чувствительного элемента с электрической контактной площадкой.
Микромеханический акселерометр содержит чувствительный элемент, выполненный из монокристаллического кремния низкой проводимости, в котором на внешней рамке 1 закреплен маятник 2 через упругие торсионы 3. На внешней рамке 1 между площадками крепления к стеклянным обкладкам 5 и местом крепления упругих торсионов 3 на внешней рамке 1 сформирована П-образная петля 4, обращенная наружу. Площадки крепления к стеклянным обкладкам 5 расположены строго на продольной и поперечной осях чувствительного элемента. Стеклянные обкладки круглые, закреплены на чувствительном элементе через площадки крепления 5. На стеклянной обкладке выемка 7 служит для подвода проводника к противоположной обкладке. Аналогично и на противоположной обкладке. Выемка 8 необходима при сборке в пакет двух стеклянных обкладок и кремниевого чувствительного элемента. При последовательном сопряжении друг с другом элементов микромеханического акселерометра, а именно стеклянных обкладок, кремниевого чувствительного элемента и взаимной их фиксации, достигается необходимая точность совмещения, обеспечивающая минимальную погрешность. Такая конфигурация обкладок позволяет с легкостью удалять оснастку после фиксации пакета в приспособлении для анодного соединения. Электрическая контактная площадка 6 и язык чувствительного элемента с электрической контактной площадкой 9 служат для соединения с преобразователем перемещения маятника 1.
Микромеханический акселерометр работает следующим образом. При воздействии линейного ускорения маятник 2 кремниевого чувствительного элемента отклоняется от своего нейтрального положения. При этом упругие торсионы 3 закручиваются на определенный угол. На стеклянных обкладках маятника 2 реализована схема обработки сигнала. При воздействии линейного ускорения возникает дисбаланс между верхом и низом со стороны стеклянных подложек. Величина этого дисбаланса пропорциональна измеряемому ускорению.
При воздействии вредных факторов такое расположение П-образных петель 4 и площадок крепления 5 на внешней рамке 1 уменьшает нулевой сигнал и его нестабильность, а при одновременном воздействии еще измеряемого ускорения уменьшает погрешность крутизны характеристики прибора в целом. Применение круглых стеклянных обкладок упрощает сборку, снижает трудоемкость, обеспечивает необходимую точность совмещения, уменьшая погрешность. Проведенные макетные испытания показали положительный эффект данного устройства и по технологичности и по точности.
Источники информации
1. Акселерометр капиллярный АК5-15, ТУ 611.781.ТУ. 1984 г.
2. Патент РФ №106001 (прототип).