ЧУВСТВИТЕЛЬНЫЙ ЭЛЕМЕНТ МИКРОМЕХАНИЧЕСКОГО КОМПЕНСАЦИОННОГО АКСЕЛЕРОМЕТРА
SENSITIVE ELEMENT OF MICROMECHANICAL COMPENSATION ACCELEROMETER

Изобретение относится к измерительной технике и может применяться в микромеханических датчиках линейных ускорений.
Известен чувствительный элемент микромеханического компенсационного акселерометра, содержащий каркасную катушку обратной связи, которая одновременно является маятником и подвешенная на упругих металлических растяжках, датчик угловых перемещений каркасной катушки [1].
Недостатком этого устройства является сложность конструкции, нетехнологичность, трудоемкость сборки.
Известен другой чувствительный элемент микромеханического компенсационного акселерометра, выполненный из плавленого кварца [2].
Недостатком этого устройства является трудоемкость изготовления упругих элементов чувствительного элемента, которые повергаются сложной механической обработке и, соответственно, сложной регулировке нулевого сигнала.
Известен чувствительный элемент микромеханического компенсационного акселерометра, содержащий инерционную массу, соединенную с внешней рамкой через упругие элементы, катушку обратной связи, закрепленную на инерционной массе, стеклянные обкладки дифференциального датчика угла, площадки крепления к стеклянным обкладкам, расположенные на внешней рамке, канавку на которой напылены проводящие дорожки для связи катушки обратной связи со схемой управления.
Инерционная масса представляет собой маятник, подвешенный одной стороной на упругих элементах, соединенных с внешней рамкой. Катушка обратной связи крепится на электропроводящей стороне маятника, которая является обкладкой дифференциального датчика угла. Такое совмещение - усложняет конструкцию чувствительного элемента. В частности обкладка датчика угла имеет сквозное отверстие в центре, для установки на маятнике катушки обратной связи, что усложняет сборку и приводит к погрешности установки, следовательно, увеличивает систематическую погрешность, которая проявляется в дополнительных вредных моментах ухудшающих нулевой сигнал. Упругие элементы, реализованные в этом чувствительном элементе, работают на изгиб. Их формирование сопряжено с определенными трудностями. При изготовлении чувствительного элемента травлением очень важно остановить процесс обработки при достижении необходимой толщины. Канавки, находящийся между двумя рабочими упругими элементами, по поверхности, которого с обеих сторон нанесена проводящая дорожка для соединения катушки обратной связи со схемой управления, являтся источником дополнительной погрешности. Это приводит к дополнительному повышению нулевого сигнала и его нестабильности, а так же повышает температурную погрешность. Так как невозможно точно воспроизвести дополнительный элемент химическим анизотропным травлением, имеем «слоеный» элемент, который из-за погрешности изготовления формируется несимметрично относительно центральной плоскости то есть в ее середине, что ведет к появлению дополнительного нулевого сигнала. Неравномерное положение проводящих дорожек с обеих сторон создает упругодеформированную растяжку. И это приводит к появлению дополнительного нулевого сигнала, его нестабильности, так же повышению температурной погрешности. Другим недостатком является то, что анодное соединение диэлектрической пластиной (стеклянная подложка типа ЛК-105) с кремниевым чувствительным элементом осуществляется непосредственно в зоне сопряжения с упругими элементами. Это существенным образом влияет на стабильность упругих свойств последних. Это приводит к тому, что при воздействии возмущающих факторов, в частности плюсовых и минусовых температур, конструкция чувствительного элемента будет деформирована, что приведет к появлению нестабильности нулевого сигнала, его высокому уровню. Изменится так же жесткость упругих элементов и как следствие уход крутизны преобразователя перемещений. Все это существенно снижает точность прибора в целом. 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. Задачей, на решение которой направлено изобретение, является увеличение точности измерения линейных ускорений.
Для достижения этого в чувствительном элементе микромеханического компенсационного акселерометра, содержащего инерционную массу, упругие элементы, катушку обратной связи, проводящие дорожки для электрической связи катушек со схемой управления, стеклянные обкладки датчика угла, внешнюю рамку, с расположенными на ней площадками крепления к стеклянным обкладкам, согласно изобретению, инерционная масса повешена на упругих элементах Х-образного профиля, расположенных по оси симметрии инерционной массы, в вдоль ее оси, разделяющей инерционную массу на две равные части, причем на одной сформирована обкладка датчика угла, на другой, приклеена катушка обратной связи, при этом проводящие дорожки для электрической связи со схемой управления расположены на оси симметрии инерционной массы над упругими элементами, площадки крепления максимально удалены от мест сопряжения упругих элементов с внешней рамкой, на двух сторонах которой расположены две площадки, а третья, на стороне, примыкающей к этим двум сторонам.
Признаками, отличающими предложенный чувствительный элемент от известного, является то, что инерционная масса подвешена на упругих элементах Х-образного профиля, расположенных по оси симметрии инерционной массы, вдоль ее оси и проходит через ее центр масс. Эта ось делит инерционную массу на две равные части. Это означает, что сформированный таким образом чувствительный элемент абсолютно симметричен относительно оси, проходящей через центр масс, совпадающей с осью крутильных колебаний упругих элементов. Формирование X-образного профиля при химическом анизотропном травлении исключает погрешность при изготовлении упругого элемента. Так как контроль заданных параметров упругого элемента сводится изначально к формированию планарных размеров маски на кремниевой пластине таким образом, чтобы происходило «стоп-травление», когда [111] направление плоскостей «сходились» в кубической кристаллографической решетке и травление самопроизвольно остановилось (так как плотность [111] направления самая высокая в монокристаллическом кремнии). Разделение датчика угла и катушек обратной связи, на разных сторонах инерционной массы, обеспечивает низкую трудоемкость, следовательно, уменьшает систематическую погрешность так как исключает погрешность установки катушки обратной связи. Проводящие дорожки электрической связи расположены по оси симметрии инерционной массы, и оси крутильных колебаний упругих элементов, через центр масс ее и проходят над упругими элементами. Это исключает возникновение моментов тяжения, а следовательно дополнительную температурную погрешность. Максимальное удаление площадок крепления от мест сопряжения упругих элементов со сторонами внешней рамки минимизирует вредных контактных напряжений. Причем именно расположение двух площадок на двух сторонах внегней рамки, сопряженных с упругими элементами, а третьей на стороне, прилегающей к этим двум сторонам, обеспечивает плотное прилегание стеклянных обкладок к внешней рамке по минимальной площади, что в свою очередь тоже уменьшает контактные напряжения, а следовательно снижает, нулевой сигнал и его нестабильность.
Предложенный чувствительный элемент микромеханического компенсационного акселерометра иллюстрируется чертежами фиг.1, 2, 3.
На фиг.1 изображен чувствительный элемент в сборе,
где:
1 - инерционная масса;
2 - внешняя рамка;
3 - магнитопровод;
4 - катушка обратной связи;
5 - магниты;
6 - стеклянные обкладки;
7 - площадки крепления к стеклянным обкладкам;
8 - контактная площадка дифференциального датчика угла.
На фиг.2 изображен кристалл чувствительного элемента а в плане,
где:
9 - упругие элементы;
10 - дорожки с контактными площадками для соединения катушек обратной связи со схемой управления, расположенные на инерционной массе.
11 - дорожки с контактными площадками, расположенными на внешней рамке;
12 - технологическая метка для установки и крепления катушки обратной связи.
На фиг.3 изображен чувствительный элемент в сборе, вид сверху.
Чувствительный элемент содержит инерционную массу 1, изготовленную из монокристаллического кремния, подвешенную на упругих элементах 9 X-образного профиля, которые сопрягаются с внешней рамкой 2, с расположенными на них площадками крепления 7, к стеклянным обкладкам 6. Катушка обратной связи 4 обеспечивает маятниковость и крепится с одной " стороны инерционной массы 1. Инерционная масса 1 с другой стороны анодно соединена со стеклянными обкладками 6 дифференциального датчика угла. Электрическое соединении катушек обратной связи 4 со схемой управления (не показано) осуществляется через дорожки с контактными площадками 10 на инерционной массе 1 и дорожек с контактными площадками 11 на внешней рамке 6, путем установления проводящих дорожек (например, золотым проводом) над упругими элементами 9, по оси симметрии инерционной массы 1. Один контакт проводящей дорожки приваривается к контакту 10, другой - к 11. Таким образом проводящая дорожка зависает над упругим элементом 9, расположенным вдоль оси симметрии инерционной массы 1 и оси крутильных колебаний упругих элементов 9. Магнитопровод 3 собирается совместно с магнитами 5 и устанавливается на кристалл чувствительного элемента после анодного соединения стеклянных обкладок 6 с внешней рамкой 2, через площадки крепления 7. При этом площадки крепления 7 максимально удалены от упругих элементов 9.
Чувствительный элемент микромеханического компенсационного акселерометра работает следующим образом. При воздействии линейного ускорения инерционная масса 1 отклоняется от своего нейтрального положения.
При этом упругие элементы 9 закручиваются на определенный угол. На стеклянных обкладках 6 дифференциального датчика угла появляется сигнал разбаланса, который через контакты на стеклянных обкладках 6 и контактные площадки 8 поступает в схему оправления и оттуда подается в катушку обратной связи 4. Возникающий момент обратной связи, действующий в зазоре магнита 5 и магнитопровода 3, вызывает уравновешивающий момент, действующий на инерционную массу 1 с прикрепленной на ней катушкой обратной связи 4, который пропорционален действующему ускорению.
Проведенные макетные испытания показали положительный эффект предлагаемого устройства и по технологии, и по точности.
Источники информации
1. Акселерометр капиллярный А5-15, ТУ 611.781.ТУ 1984 г.
2. Патент США №3702073.
3. Патент РФ №2247323 (прототип).