МИКРОАКСЕЛЕРОМЕТР
MICROACCELEROMETER

Изобретение относится к измерительной технике и может применяться в навигационно-пилотажных системах летательных аппаратов.
Известен чувствительный элемент микросистемного акселерометра, содержащий монокремниевую несущую пластину, маятник, выполненный в несущей пластине и две обкладки с проводящими электродами, неразъемно соединенные с несущей пластиной [1]. На проводящие электроды подается управляющее напряжение, в результате чего маятник возвращается в исходное положение.
Недостатками такого чувствительного элемента является недостаточность развиваемой электростатической силы для компенсации силы инерции и высокочастотность его характеристик.
Известен микроакселерометр, содержащий монокремниевую несущую пластину, маятник, выполненный в несущей пластине и две обкладки, неразъемно соединенные с несущей пластиной. [2]. Недостатками известного микроакселерометра являются малая сила отработки и высокочастотность его характеристик.
Наиболее близким к заявляемому изобретению может служить микроакселерометр [3], содержащий кремниевую каркасную рамку, в которой методом анизотропного травления выполнен кремниевый проводящий маятник, соединенный упругими подвесами с каркасной рамкой, согласно изобретения маятник включает две жестко соединенные первую и вторую пластины разных размеров с достаточной электростатической силой отработки.
Недостатком данного устройства является высокочастотность микроакселерометра и невозможность его использования для летательных аппаратов с низкочастотной областью эволюции.
Задачей, на решение которой направлено данное изобретение, является повышения точности за счет достижения возможности выбора собственной частоты микроакселерометра, соответствующей рабочей полосе частот объекта на котором установлен микроакселерометр.
Поставленная цель достигается следующим образом:
1. Микроакселерометр, содержащий кремниевую проводящую каркасную рамку, в которой методом анизотропного травления выполнен несимметричный маятник, представляющий прямоугольную пластину соединенную двумя упругими торсионами с каркасной рамкой, электронный блок состоящий из емкостного преобразователя перемещений и силового электростатического преобразователя, имеющие первую и вторую непроводящие обкладки, жестко соединенные с каркасной рамкой, на каждой обкладке нанесены проводящие прямоугольные электроды против подвижной пластины, в котором в соответствии с изобретением несимметричность маятнику придана смещением оси качания относительно оси, проходящей через средину пластины, ось качания маятника разделяет пластину на две не равные части: первую и вторую, а маятниковость (произведение массы на плечо) определяется в виде
<mrow><mi>m</mi><msub><mi>X</mi><mi>с</mi></msub><mo>=</mo><mi>ρ</mi><mrow><mo>(</mo><mrow><msub><mi>a</mi><mrow><mi>m</mi><mn>1</mn></mrow></msub><mo>−</mo><msub><mi>a</mi><mrow><mi>m</mi><mn>2</mn></mrow></msub></mrow><mo>)</mo></mrow><msub><mi>b</mi><mi>m</mi></msub><msub><mi>c</mi><mi>m</mi></msub><mrow><mo>[</mo><mrow><msub><mi>a</mi><mrow><mi>m</mi><mn>1</mn></mrow></msub><mo>+</mo><mrow><mo>(</mo><mrow><mi>a</mi><mo>-</mo><msub><mi>a</mi><mrow><mi>m</mi><mn>2</mn></mrow></msub></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>/</mo><mn>2</mn></mrow><mo>]</mo></mrow><mo>,</mo><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mo stretchy="false">(</mo><mn>1</mn><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
c
m1
m2
m
m
a
a
где m - масса маятника; X - плечо маятника; ρ - плотность материала маятника;  - длина первой части пластины;  - длина второй части пластины; b - ширина пластины; c - толщина пластины.
2. Микроакселерометр по пункту 1, в котором введено устройство отрицательной жесткости, состоящее из двух резисторов и источника напряжения, одними концами резисторы соединены вместе и к ним подключен источник напряжения, вторыми концами резисторы соединены - один с проводящим электродом первой обкладки, а второй с проводящим электродом второй обкладки, необходимая величина источника напряжения выбирается исходя из требуемой полосы пропускания по выражению
<mrow><mi>U</mi><mo>=</mo><mfrac><mrow><mrow><mo>(</mo><mrow><msub><mi>G</mi><mrow><mi>к</mi><mi>р</mi></mrow></msub><mo>−</mo><msup><mi>ω</mi><mn>2</mn></msup><mi>J</mi></mrow><mo>)</mo></mrow><msup><mi>h</mi><mn>3</mn></msup></mrow><mrow><mn>2</mn><mi>ε</mi><msub><mi>ε</mi><mn>0</mn></msub><mi>F</mi><msub><mi>X</mi><mi>с</mi></msub></mrow></mfrac><mo>,</mo><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mo stretchy="false">(</mo><mn>2</mn><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
кр
0
c
U - необходимая величина источника напряжения; G - жесткость упругих торсионов; ω - полоса пропускания; J - момент инерции маятника; h - зазор между пластиной маятника и обкладкой; ε - диэлектрическая постоянная; ε - относительная диэлектрическая проницаемость для среды, находящейся между маятником и электродами; F - площадь проводящего электрода; X - плечо маятника.
Существенным отличием заявленного устройства по сравнению с известным является то, что на пределах измерения ускорения от 0 до 500 g может быть установлена заданная полоса пропускания от 5 до 100 Гц, что требуется для навигационных акселерометром.
Заявляемое изобретение иллюстрируется чертежами, показанными на фигурах 1, 2, 3.
На фигуре 1 показан чувствительный элемент, включающий: кремниевую каркасную рамку 1, сквозную щель 2, полученную с помощью анизотропного травления и отделяющую каркасную рамку 1 от маятника, состоящего из первой пластины 3 маятника, упругий подвес 4, второй пластины 5 маятника и чувствительной массы 6, выполненных за одно целое. Упругий подвес 4 может быть выполненным для работы как на изгиб, так и на кручение. С каркасной рамкой 1 с обеих сторон неразъемно соединены неподвижные пластины-обкладки силовых электродов (на фиг.1 не показаны). Зазор между силовыми электродами и проводящим маятником образуется разностью в размерах между толщинами каркасной рамки 1 и проводящими пластинами 3, 5 маятника.
0
0
На фигуре 2 показан контур создания отрицательной "электрической жесткости". В контуре задействованы те же самые подвижный и неподвижные электроды, что и в силовом преобразователе. На изоляционных обкладках каркасной рамки 1 выполнены проводящие электроды 7 попарно соединенные вместе с разных сторон пластин 3,5 проводящего маятника и к ним подключено напряжение U, необходимое для создания отрицательной "электрической жесткости" достаточной для обеспечения заданной собственной частоты ω акселерометра. Величина напряжения определяется следующей зависимостью (2).
На фигуре 3 приведена функциональная схема микроакселерометра. В состав микроакселерометра входят следующие блоки: неподвижные 7 и подвижные 3 электроды чувствительного элемента. Неподвижные электроды 7 расположены симметрично относительно подвижного 3 (проводящего маятника). Подвижный электрод заземлен. Электроды 8 емкостного преобразователя перемещений соединены со входом ШИМ 9, содержащегося в составе микроконтроллера 10. Выход ШИМ подключен ко входу корректирующего устройства 11, реализованного схемно из навесных к микроконтроллеру элементах. Корректирующее устройство 11, представляющее собой ПИД-регулятор, настроенный на получение оптимального переходного процесса микроакселерометра. С выхода ПИД-регулятора приборный сигнал поступает по команде микроконтроллера на линеаризатор 12 электростатического преобразователя и одновременно на вход приема информации микроконтроллера для преобразования в цифровой сигнал и далее в аналоговый. Аналоговый сигнал идет на вход компаратора микроконтроллера для сравнения с приборным сигналом. При равенстве этих сигналов цифровой код переписывается на выход микроакселерометра.
Линеаризатор 12 включен в цепи обратной связи контура регулирования и управляется выходным аналоговым сигналом, вырабатываемым микроконтроллером 10, в свою очередь включенным в прямой цепи контура. За исключением источников опорных напряжений 13 микроконтроллером 10 управляет всеми блоками микроакселерометра.
Устройство 14 контура создания отрицательной "электрической жесткости" работает следующим образом. В исходном состоянии, когда маятник находится в нейтральном положении, площади неподвижных электродов с разных сторон маятника одинаковы и расположены от него с одинаковыми зазорами. При этом электростатическая сила, действующая на маятник, равна нулю. При отклонении маятника относительно оси качания 4 на угол α возникает электростатическая сила притяжения в сторону меньшего зазора. Момент от электростатической силы всегда совпадает по направлению с возмущающим моментом. Создается эффект отрицательной жесткости. Варьируя напряжением на электродах, можно достичь любой разности между механической жесткостью упругого подвеса и "электрической жесткостью". Контур "электрической жесткости" не связан электрически с контуром регулирования измерительного канала. Но при его наличии все характеристики микроакселерометра зависят от разности жесткостей упругого подвеса и отрицательной "электрической жесткости".
5
Важной характеристикой микроакселерометров является отношение "электрической жесткости" к механической жесткости упругих подвесов. В заявляемом устройстве это отношение достигает 10, а установление полосы пропускания, задаваемое собственной частотой акселерометра, возможно от 5 до 100 Гц. Этим задача изобретения достигнута.
Источники информации
1. Вавилов В.Д., Поздяев В.И. Конструирование интегральных датчиков. - М.: Изд-во МАИ, 1993, - 68 с.
2. Вавилов В.Д. Интегральные датчики. Изд-во НГТУ, 2003, С, 500.
3. Вавилов В.Д., Вавилов И.В. Патент России №2426134, М.кл. G01P 15/08, Опубликовано: 10.08.2011 г.