Чувствительный элемент микромеханического акселерометра
SENSING ELEMENT OF MICROMECHANICAL ACCELEROMETER

Изобретение относится к измерительной технике и может применяться для создания микромеханических датчиков линейных ускорений и гироскопов.
Известен микромеханический акселерометр [1], который содержит чувствительный элемент маятникового типа, упругий подвес, соединяющий маятник с рамкой чувствительного элемента, выполняющей одновременно роль каркаса чувствительного элемента, на которой в зоне близкой к упругому подвесу выполнен внутренний изгиб, а также прямоугольные выступы с внешней стороны рамки для расположения упоров, которыми рамка крепится к основанию.
Перемещение поверхности детали согласно формуле Буссинеска:
где: y - перемещение поверхности; E - модуль упругости; ν - коэффициент Пуассона; Р - давление на контакт; r - расстояние от точки приложения сосредоточенной силы до заданного сечения; S - площадь контакта упоров. Напряжение в j-месте стыка упругих подвесов и упоров:
0
где у - толщина упора.
Тогда чувствительность к контактным напряжениям будет:
Таким образом, чувствительность конструкции к контактным напряжениям определяется площадью контакта и удаленностью места заделки упругого подвеса от силового контакта.
Недостатком известного устройства является нестабильность смещения нуля вследствие высокого уровня контактных напряжений, возникающих в местах крепления упоров, а, следовательно, снижается точность прибора в целом.
Известно устройство, где чувствительный элемент (ЧЭ) микромеханического акселерометра, изготовлен из монокристаллического кремния и стеклянной подложки из боросиликатного стекла. Причем инерционная масса - маятник, рамка, упругие торсионы, площадки крепления к стеклянной подложки сформированы, заодно методом жидкостного травления и соединены через площадки крепления методом анодной посадки с подложкой из боросиликатного стекла [2].
Недостатком данного устройства является то, что при производстве микромеханических акселерометров, а именно ЧЭ возникают механические напряжение в ЧЭ. Эти напряжения приводят к значительным погрешностям микромеханического акселерометра. При изготовлении датчиков чувствительный элемент монтируется в корпусе простым приклеиванием поверхности ЧЭ к основанию. Боросиликатное стекло, применяемое для анодной сварки, при изготовлении ЧЭ имеет, низкую теплопроводность по сравнению с кремнием. Так при воздействии положительных и отрицательных температур в стеклянной подложке возникают большое напряжение, которое происходит во время переходного теплового режима. Такое относительно большое механическое напряжение приводит к погрешностям акселерометра, которое не могут быть компенсированы алгоритмически из-за временной зависимости переходного процесса. Другим недостатком является наличие клея-герметика на стеклянной подложке. Клей - герметик, нанесенный на основание микромеханического акселерометра и соответственно на одну из сторон стеклянной подложки также является источником напряжений. Эти напряжения зависят от температуры и влияют на чувствительность датчика и на смещение нулевого сигнала. Чтобы обеспечить прочность соединения от вибраций, ударов область клеевого соединения должна быть достаточно большой, а увеличение площади клеевого соединения повышает воздействие напряжений на чувствительный элемент датчика. Таким образом, напряжения, вызванные разницей между коэффициентами теплового расширения монокристаллического кремния, боросиликатного стекла из которых изготовлен чувствительный элемент датчика, а также основания корпуса микромеханического акселерометра и клея-герметика увеличивают смещение нулевого сигнала акселерометра, а это уменьшает точность микромеханического акселерометра.
Известен чувствительный элемент микромеханического акселерометра, содержащий двухплечевой маятник из монокристаллического кремния, стеклянную обкладку и внешнюю рамку с площадками крепления к стеклянной обкладке, упругие торсионы, соединенные с маятником и внешней рамкой, ось симметрии инерционной массы совмещена с осью, проходящей через крестообразные торсионы. Площадки крепления расположены в непосредственной близости упругие торсионов. Внешняя рамка одновременно выполняет роль жесткого каркаса чувствительного элемента, при этом соединение чувствительного элемента с неподвижным основанием акселерометра осуществляется через обратную сторону стеклянной обкладки [3]. Анодное соединение стеклянной подложки с монокристаллическим кремниевым чувствительным элементом осуществляется при повышенной температуре. После остывания конструкции «стеклянная подложка-монокристаллический кремниевый двухплечевой маятник с внешней рамкой, соединенные через упругие торсионы» происходит частичная деформация внешней рамки чувствительного элемента. Эта деформация передается на упругие торсионы. Это существенным образом влияет на стабильность механических характеристик упругих торсионов.
Таким образом, недостатком известного устройства является нестабильность смещения нуля вследствие высокого уровня контактных напряжений, возникающих в местах фиксации площадок крепления к стеклянной подложки и передающихся на упругий торсион.
Другим недостатком известного устройства является высокая погрешность при воздействии положительных и отрицательных температур. Так как чувствительный элемент закреплен на основании корпуса акселерометра, то возникающие напряжения от воздействия положительных или отрицательных температур передается от основания через стеклянную обкладку на внешнюю рамку и соответственно на упругие торсионы. Вследствие этого упругие торсионы деформируются, и в результате происходит смещение маятника при отсутствии воздействия ускорения. Таким образом, происходит температурное смещение нулевого сигнала, а это снижает точность акселерометра. Изменится также жесткость торсионов и, как следствие, уход крутизны преобразователя перемещений. Это также существенным образом снижает точность прибора.
Задачей, на решение которой направлено изобретение, является повышение точности микромеханического акселерометра.
Поставленная задача решается за счет того, что в чувствительном элементе микромеханического акселерометра, содержащем внешнюю рамку, на которой сформированы площадки крепления к обкладкам, инерционную массу, соединенную одной стороной с упругими элементами, а другие концы упругих элементов соединены с внешней рамкой, согласно изобретению, на одной стороне внешней рамки, в центре симметрии сформирована балка, причем по обе стороны внешней рамки, на конце балки, обращенной внутрь внешней рамки сформирована перекладина, к которой одним концом прикреплены упругие элементы, а другим концом упругие элементы соединены с инерционной массой, в центре балки сформирована Т-образная прорезь, причем ножкой с внешней стороны внешней рамки, по обе стороны ножки Т-образной прорези сформированы L-образные прорези.
Отличительным признаком заявленного изобретения является то, что на одной стороне внешней рамки, в центре симметрии сформирована балка, причем по обе стороны внешней рамки, на конце балки, обращенной внутрь внешней рамки сформирована перекладина, к которой одним концом прикреплены упругие элементы, а другим концом упругие элементы соединены с инерционной массой, в центре балки сформирована Т-образная прорезь, причем ножкой к внешней стороне внешней рамки, по обе стороны ножки Т-образной прорези сформированы L-образные прорези.
Балка строго симметрична относительно оси симметрии стороны внешней рамки чувствительного элемента, при этом площадки крепления к обкладкам расположены на всех сторонах внешней рамки, а сформированные площадки крепления к обкладкам с обеих сторон сформированной балки увеличивают прочность и качество соединения к обкладкам. Кроме того, сформированные Т-образные и L-образные прорези расширяясь или сужаясь сводят к минимуму деформации, передающиеся от основания через обкладки крепления на упругие элементы. Тем самым уменьшается влияние напряжений на упругий подвес, за счет чего уменьшается нестабильность смещения нуля и, как следствие, повышается точность прибора в целом. Таким образом, выполнение такой конфигурации чувствительного элемента микромеханического акселерометра с расположенными на внешней рамке стороны площадками крепления к обкладкам и сформированной балки с формированными в ней Т-образные и L-образными прорезями, с сформированной перекладиной и соединенной с ней упругих элементов с инерционной массой, позволяет - компенсировать, до минимума вредные воздействия от внешних факторов, действующих на чувствительный элемент микромеханического акселерометра, закрепленного на основании.
Предлагаемое изобретение иллюстрируется чертежами, представленными на фиг. 1, фиг. 2, где:
1 - внешняя рамка,
2 - площадки крепления к обкладкам,
3 - балка,
4 - перекладина,
5 - упругие элементы,
6 - инерционная масса,
7 - электрическая контактная площадка,
8 - L-образные прорези,
9 - Т-образные прорези,
10 - обкладка.
Предложенный чувствительный элемент микромеханического акселерометра содержит внешнюю рамку 1, на трех сторонах которой сформированы площадки крепления к обкладкам 2. В центре симметрии четвертой стороны внешней рамки 1 сформирована балка 3. Со стороны балки 3, обращенной вовнутрь внешней рамки 1 присоединена перекладина 4, к которой одними концами присоединены упругие элементы 5. Другие концы упругих элементов 5 соединены с инерционной массой 6. В балке 3 сформированы Т-образные и L-образные прорези. Дифференциальный емкостный преобразователь перемещений реализован на обкладке 10 со сформированными на ней электродами и проводящем маятнике - инерционной массе 6. Электрическая контактная площадка 7 предназначена для подключения дифференциального емкостного преобразователя перемещений к схеме обработке сигнала. Балка 3 строго симметрична относительно оси симметрии стороны внешней рамки чувствительного элемента, при этом площадки крепления к обкладкам 2 расположены на всех сторонах внешней рамки 1, а сформированные площадки крепления к обкладкам 2 с обеих сторон сформированной балки 3 увеличивают прочность и качество соединения к обкладкам 10. Кроме того сформированные Т-образные 8 и L-образные 9 прорези расширяясь или сужаясь сводят к минимуму деформации, передающиеся от основания через площадки крепления к обкладкам 2 на упругие элементы 5. Тем самым уменьшается влияние напряжений на упругий элементы 5, за счет чего уменьшается нестабильность смещения нуля и, как следствие, повышается точность прибора в целом.
Микромеханический датчик может изготавливаться из монокристаллического кремния с ориентацией пластины <100>÷<110> методом анизотропного травления и крепится к основанию, которое может выполняться, например, из стекла марки ЛК 105, методом анодной посадки.
Работа устройства основана на хорошо известном принципе перемещения инерционной массы 6 под действием ускорения и измерения этого перемещения известными способами.
Источники информации:
1. Мокров Е.А., Папко А.А. Акселерометры НИИ физических измерений - элементы микросистемотехники //Микросистемная техника. 2002. №1. С. 3-9.
2. Паршин В.А., Харитонов В.И. Особенности технологии мультисенсорных датчиков с нелегированными упругими подвесами //Датчики и системы. 2002. №2. С. 22-24.
3. Патент РФ №2251702.