ЧУВСТВИТЕЛЬНЫЙ ЭЛЕМЕНТ ИНТЕГРАЛЬНОГО АКСЕЛЕРОМЕТРА

Полезная модель относится к измерительной технике и может применяться в микромеханических датчиках линейных ускорений. Известен чувствительный элемент микромеханического акселерометра, выполненный из плавленого кварца в форме прямоугольной рамки, преобразователя перемещений рамки, регистрирующего поворот кварцевой рамки в зависимости от измеряемого ускорения [1]. Недостатком этого устройства является сложность конструкции, низкая технологичность, низкая точность из-за чувствительности к перекрестным связям. Изготовление таких устройств из плавленого кварца возможно только в единичном производстве и требует специальной высококвалифицированной подготовки персонала. Трудоемка реализация преобразователя перемещений, так как установка в корпус кварцевой рамки возможна только отдельно от преобразователя перемещений и требует отдельной регулировки положения рамки в зазоре преобразователя перемещений, то есть, установки ее в нулевое положение. Известен чувствительный элемент интегрального акселерометра, содержащий двухплечевой маятник, выполненный из монокристаллического кремния и подвешенный с помощью Х-образных упругих элементов, внешнюю рамку, к которой присоединены Х-образные упругие элементы, стеклянную подложку с электродами датчика перемещений, расположенными симметрично относительно оси симметрии двухплечевого маятника, на которую крепится внешняя рамка, ось симметрии двухплечевого маятника совмещена с осью, проходящей через Х-образные упругие элементы, а маятниковый подвес обеспечен удалением части одного плеча двухплечевого маятника на одной стороне его поверхности, при этом указанная поверхность выполнена с ребрами жесткости, а другая сторона выполнена сплошной в одной плоскости с другим плечом маятника. [2].
Недостатком известного устройства является высокая чувствительность конструкции чувствительного элемента к перекрестным ускорениям, направленным по осям X и Y. Это существенным образом влияет на точность измерения линейного ускорения по основной измерительной оси, перпендикулярной плоскости двухплечевого маятника. В данном устройстве маятниковый подвес обеспечен удалением части одного плеча двухплечевого маятника на одной стороне его поверхности. При этом указанная поверхность утоняется, а другая сторона выполнена сплошной в одной плоскости с другим плечом маятника. Таким образом, центр масс двухплечевого маятника смещен от плоскости, проходящей через ось качения двухплечевого маятника в направлениях X и Y. Так, при действии ускорений по этим осям возникает поворот двухплечевого маятника на определенный угол при отсутствии полезного сигнала или доповорот на дополнительный угол при воздействии измеряемого ускорения. В результате чего на выходе датчика увеличивается смещение нуля или измерение осуществляется с погрешностью, как следствие, понижается точность прибора в целом. Задачей, на решение которой направлена полезная модель, является увеличение точности измерения.
Для достижения этого в чувствительном элементе интегрального акселерометра, содержащего двухплечевой маятник, выполненный из монокристаллического кремния, упругие элементы, внешнюю рамку, стеклянную подложку с электродами датчика перемещений, ось симметрии двухплечевого маятника совмещена с осью, проходящей через упругие элементы, электроды датчика перемещений, расположенные симметрично относительно оси симметрии двухплечевого маятника, маятниковый подвес сформирован одним сквозным отверстием части одного плеча маятника от оси качения двухплечевого маятника до продольной оси симметрии этого плеча или маятниковый подвес сформирован n-количеством сквозных отверстий части одного плеча маятника от оси качения двухплечевого маятника до продольной оси симметрии этого плеча, или маятниковый подвес сформирован n-количеством сквозных отверстий одного плеча маятника от оси качения двухплечевого маятника по всей поверхности этого плеча, при этом электрод датчика перемещений, сформированный на стеклянной подложке напротив этого плеча маятника выполнен со сплошной металлизацией, а напротив другого плеча- с перфорированной металлизацией.
Признаком, отличающим предложенный чувствительный элемент интегрального акселерометра от известного является то, что маятниковый подвес сформирован одним сквозным отверстием части одного плеча маятника от оси качения двухплечевого маятника до продольной оси симметрии этого плеча. В предлагаемом устройстве маятниковый подвес обеспечен сквозным травлением части одного плеча двухплечевого маятника с обоих сторон его поверхностей. Двухплечевой маятник при этом сформирован симметричным. Таким образом, центр масс двухплечевого маятника не смещается от плоскостей, проходящей через ось качения двухплечевого маятника. Следовательно, точность измерения увеличивается.
Маятниковый подвес сформирован n-количеством сквозных отверстий части одного плеча маятника от оси качения двухплечевого маятника до продольной оси симметрии этого плеча. N-количество отверстий обеспечивает не только точность прибора, но и прочность конструкции чувствительного элемента интегрального акселерометра, следовательно надежность прибора.
Маятниковый подвес сформирован n-количеством сквозных отверстий одного плеча маятника от оси качения двухплечевого маятника по всей поверхности этого плеча, при этом электрод датчика перемещений, сформированный на стеклянной подложке напротив этого плеча маятника выполнен со сплошной металлизацией, а напротив другого плеча - с перфорированной металлизацией. К обеспечению точности и прочности в этом варианте добавляется увеличение чувствительности акселерометра.
Увеличение чувствительности акселерометра последней конструкции обеспечивается увеличением маятниковости чувствительного элемента интегрального акселерометра. Так, формирование n-количества отверстий (перфорирование) по всей поверхности одного плеча маятника обеспечивает равномерное удаление массы одного плеча двухплечевого маятника относительно его продольной оси симметрии и удаление большей массы, чем в предыдущем выполнении, следовательно, увеличивается маятниковость. Формирование разных по конфигурации электродов датчика перемещений обеспечивает симметричность элементов емкостной системы съема сигнала датчика перемещений и паразитных емкостей. Предложенный чувствительный элемент интегрального акселерометра иллюстрируется чертежами, представленными на фиг. 1, 2, 3, 4. На фиг. 1 изображен чувствительный элемент интегрального акселерометра, где:
1 - двухплечевой маятник.
2 - внешняя рамка,
3 - упругие элементы.
4 - сквозное отверстие,
5 - сплошная часть плеча,
6 - стеклянная подложка,
7 - электроды датчика перемещений.
На фиг. 2 изображен чувствительный элемент интегрального акселерометра со сквозными отверстиями части плеча маятника от оси качения двухплечевого маятника до продольной оси симметрии этого плеча, где:
8 - сквозные отверстия части плеча двухплечевого маятника.
На фиг. 3 изображен чувствительный элемент интегрального акселерометра со сквозными отверстиями всей поверхности плеча от оси качения двухплечевого маятника по всей поверхности этого плеча.
где:
9 - сквозные отверстия всей поверхности части плеча.
На фиг. 4 изображена стеклянная подложка с электродами датчика перемещения с чувствительным элементом интегрального акселерометра со сквозными отверстиями всей поверхности плеча от оси качения двухплечевого маятника по всей поверхности этого плеча, где:
10 - электрод датчика перемещений со сплошной металлизацией,
11 - электрод датчика перемещений с перфорированной металлизацией.
Чувствительный элемент интегрального акселерометра, выполненный из монокристаллического кремния низкой проводимости содержит двухплечевой маятник 1, закрепленный на внешней рамке 2 с помощью упругих элементов 3. На одной из сторон части плеча двухплечевого маятника 1 сформировано сквозное отверстие 4. Сквозное отверстие 4 сформировано травлением с обоих сторон части плеча двухплечевого маятника 1, причем расположено оно от оси качения двухплечевого маятника 1 O-O до продольной оси симметрии этого плеча А1-А1. Таким образом, одновременно сформирована сплошная часть плеча 5 этой стороны двухплечевого маятника 1. Сплошная часть плеча 5 является одним из электродов датчика перемещений. На стеклянной подложке 6 сформированы другие электроды датчика перемещений 7. В чувствительном элементе интегрального акселерометра со сквозными отверстиями части плеча маятника на одной из сторон двухплечевого маятника 1 сформированы n-количество сквозных отверстий 8 части одного плеча маятника от оси качения двухплечевого маятника 1 О-О до продольной оси симметрии этого плеча А1-А1.
В чувствительном элементе интегрального акселерометра со сквозными отверстиями всей поверхности плеча на одной из сторон двухплечевого маятника 1 сформированы сквозные отверстия всей поверхности части одного плеча 9 двухплечевого маятника 1 от оси качения двухплечевого маятника 1 O-O по всей поверхности этого плеча. При этом электрод датчика перемещений со сплошной металлизацией 10 сформирован на стеклянной подложке 6 напротив плеча двухплечевого маятника 1 со сквозными отверстиями всей поверхности части одного плеча 9. Напротив другого плеча двухплечевого маятника 1 на стеклянной подложке 6 сформирован электрод датчика перемещений с перфорированной металлизацией 11.
Чувствительный элемент интегрального акселерометра работает следующим образом. При воздействии линейного ускорения двухплечевой маятник 1 отклоняется от своего нейтрального положения, упругие элементы 3 закручиваются на определенный угол. На стеклянных подложках 6, а именно, электродах датчика перемещений 7 и двухплечевом маятнике 1 реализована дифференциальная схема обработки сигнала. При воздействии линейного ускорения возникает дисбаланс между плечами двухплечевого маятника 1и сформированными на стеклянной подложке 6, напротив них, электродов датчика перемещения 7. Величина этого дисбаланса пропорциональна измеряемому ускорению. Так как двухплечевой маятник 1 сформирован симметричным, то центр масс двухплечевого маятника 1 не смещается от плоскостей, проходящих через ось качения двухплечевого маятника 1 в направлениях X и Y. Следовательно, точность измерения увеличивается. Сформированная конструкция чувствительного элемента интегрального акселерометра с одной из сторон двухплечевого маятника 1 с сформироваными п - количеством сквозных отверстий 8 на части одного плеча маятника от оси качения двухплечевого маятника 1 О-О до продольной оси симметрии этого плеча А1-А1 обеспечивает точность и надежность акселерометра.
Чувствительный элемент интегрального акселерометра может быть сформирован со сквозными отверстиями всей поверхности части плеча 9, при этом электрод датчика перемещений со сплошной металлизацией 10 выполнен на стеклянной подложке 6 напротив этого плеча маятника, а напротив другого плеча сформирован электрод датчика перемещений с перфорированной металлизацией 11. Увеличение чувствительности акселерометра последней конструкции обеспечивается увеличением маятниковости чувствительного элемента интегрального акселерометра. Увеличение маятниковости способствует уменьшению шумов прибора. Формирование разных по конфигурации электродов датчика перемещений обеспечивает симметричность элементов емкостной системы съема сигнала датчика перемещений и паразитных емкостей, а это увеличивает точность измерения.
Источники информации:
1. Мельников В.Е. «Электромеханические преобразователи на базе кварцевого стекла». Москва, Машиностроение, 1984 г.
2. Патент РФ №2251702 - прототип.