ЧУВСТВИТЕЛЬНЫЙ ЭЛЕМЕНТ МИКРОМЕХАНИЧЕСКОГО 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.
Известен чувствительный элемент микромеханического акселерометра, содержащий двухплечевой маятник из монокристаллического кремния, стеклянную подложку и внешнюю рамку с площадками крепления к стеклянной подложке, внешние крестообразные торсионы, соединенные с маятником и внешней рамкой, ось симметрии инерционной массы совмещена с осью, проходящей через крестообразные торсионы, а маятниковый подвес обеспечен удалением части одного плеча инерционной массы на его поверхности [2].
Одним из недостатков известного датчика является высокая чувствительность к температурным воздействиям. При повышении или понижении рабочих температур торсионы чувствительного элемента удлиняются или укорачиваются, соответственно. Так как торсионы жестко соединены, с одной стороны, с внешней рамкой, с другой стороны, с инерционной массой, при этом внешняя рамка жестко соединена со стеклянной подложкой - основанием, то возникающая при этом деформация приложена к инерционной массе, которая закручивает последнюю. При этом в отсутствие приложенного ускорения возникает сигнал, то есть нулевой сигнал, который увеличивается при увеличении, уменьшении уровня температуры. Кроме того, из-за технологического разброса изготовления чувствительного элемента, а именно торсионов, появляется нестабильность нулевого сигнала. Из всего этого следует, что точность измерения параметра, а именно линейного ускорения, существенно уменьшается.
Другим недостатком является высокая чувствительность конструкции чувствительного элемента продольным и поперечным вибрациям, направленным по осям X и Y и под углом к ним. Это существенным образом влияет на стабильность нулевого сигнала и точность измерения самого параметра, то есть линейного ускорения.
Так, при воздействии вибрации по этим осям или под углом к ним возникают объемные волновые процессы в торсионах. Последние представляют собой, в первом приближении, стержни. Объемная волна в торсионах вызывает время-переменную деформацию в инерционной массе, являющейся частью преобразователя перемещений. В результате чего на выходе датчика увеличивается смещение нуля и, как следствие, понижается точность прибора в целом.
Задачей, на решение которой направлена полезная модель, является увеличение точности измерения.
Для достижения этого в чувствительном элементе микромеханического акселерометра, содержащем двухплечевой маятник из монокристаллического кремния, стеклянную подложку и внешнюю рамку с площадками крепления к стеклянной подложке, внешние крестообразные торсионы, соединенные с маятником и внешней рамкой, дополнительно введена жесткая балка, расположенная в центре симметрии маятника, внутренние крестообразные торсионы, соединенные с жесткой балкой и маятником по поперечной оси жесткой балки и маятника, причем ось внешних и внутренних крестообразных торсионов совпадает, на жесткой балке сформированы опоры крепления к стеклянной подложке по продольной оси жесткой балки и на расстоянии от центра симметрии маятника, равном половине длине одного плеча маятника, и с обеих сторон поперечной его оси, опоры крепления к стеклянной подложке на внешней рамки сформированы в углах внешней рамки.
Признаком, отличающим предложенный чувствительный элемент от известного является то, что в чувствительном элементе дополнительно введена жесткая балка, расположенная в центре симметрии маятника. Дополнительно введены внутренние крестообразные торсионы, соединенные с жесткой балкой и маятником по поперечной оси жесткой балки и маятника, причем ось внешних и внутренних крестообразных торсионов совпадает. На жесткой балке сформированы опоры крепления к стеклянной подложке по продольной оси жесткой балки и на расстоянии от центра симметрии маятника, равном половине длине одного плеча маятника, и с обеих сторон поперечной его оси. Опоры крепления к стеклянной подложке на внешней рамки сформированы в углах внешней рамки. Так как жесткая балка сформирована в центре симметрии маятника, то механические напряжения минимальны на этой балке при всех видах колебаний. В точке крепления и вблизи ее с учетом линейного закона распределения механических напряжений и деформаций напряженное состояние отсутствует. Поэтому при воздействии продольной вибрации вдоль осей X и Y или под углом к ним дополнительно введенные внутренние крестообразные торсионы, одной стороной связанные с жесткой балкой, на которой сформированы опоры крепления к стеклянной подложке, а другой - с маятником, что существенно уменьшает деформацию маятника, тем самым уменьшая погрешность измерения. Опоры крепления на жесткой балке сформированы на расстоянии от центра симметрии маятника, равном половине длине одного плеча маятника, и с обеих сторон поперечной его оси. Такое расположение опор крепления к стеклянной подложке позволяет существенно уменьшить контактные напряжения, возникающие при соединении со стеклянной подложкой и передающиеся на крестообразные торсионы, тем самым уменьшить нулевой сигнал чувствительного элемента, а это увеличивает точность измерения полезного сигнала. В соответствии с формулой контактные напряжения:
,
0
где ν - коэффициент Пуассона; S - площадь контакта; γ - толщина жесткой балки или внешней рамки; p - давление на контакт; L - расстояние от опор крепления на жесткой балке или на внешней рамке до заданного сечения. Соответственно, расположение опор к стеклянной подложке крепления на внешней рамке в углах и на жесткой балке, на расстоянии от центра симметрии маятника, равном половине длине одного плеча маятника, и с обеих сторон поперечной его оси, позволяет надежно произвести соединение со стеклянной подложкой, которое осуществлено по трем опорам с каждой стороны от поперечной оси чувствительного элемента и при этом существенно уменьшить воздействия контактных напряжений на крестообразный подвес, тем самым, увеличить точность измерения. Предложенный чувствительный элемент микромеханического акселерометра иллюстрируется чертежами, представленными на фиг. 1, 2.
На фиг. 1 изображен кремниевый чувствительный элемент в плане, где:
1 - маятник,
2 - жесткая балка,
3 - внешняя рамка,
4 - внешние крестообразные торсионы,
5 - внутренние крестообразные торсионы,
6 - опоры крепления к стеклянной подложке на жесткой балке,
7 - опоры крепления к стеклянной подложке на внешней рамке.
На фиг. 2 - вид А-А.
Чувствительный элемент микромеханического акселерометра выполнен из монокристаллического кремния низкой проводимости и содержит маятник 1, соединенный с внешней рамкой 3 через внешние крестообразные торсионы 4. Жесткая балка 2 расположена в центре симметрии маятника 1. Внутренние крестообразные торсионы 5 соединены с жесткой балкой 2 и маятником 1 по поперечной оси жесткой балки 2 и маятника 1, причем ось внешних и внутренних крестообразных торсионов 4 и 5 совпадает. На жесткой балке 2 сформированы опоры крепления к стеклянной подложке 6 по продольной оси жесткой балки 2 и на расстоянии от центра симметрии маятника 1, равном половине длине одного плеча маятника 1, и с обеих сторон поперечной его оси. Опоры крепления к стеклянной подложке на внешней рамке 7 сформированы в углах внешней рамки 3. Чувствительный элемент микромеханического акселерометра работает следующим образом. При воздействии линейного ускорения маятник 1 отклоняется от своего нейтрального положения. При этом крестообразные торсионы 4 и 5 закручиваются на определенный угол. На стеклянных подложках и маятнике 1 реализована схема преобразователя перемещения. При воздействии линейного ускорения возникает дисбаланс между верхом и низом, со стороны стеклянных подложек. Величина этого дисбаланса пропорциональна измеряемому ускорению. При воздействии вредных факторов введение жесткой балки 2, расположенной в центре симметрии маятника 1 и внутренних крестообразныех торсионов 5, соединенных с жесткой балкой 2 и маятником 1 по поперечной оси жесткой балки 2 и маятника 1, а также сформированные на жесткой балке 2 опоры крепления к стеклянной подложке 6, расположенные по продольной оси жесткой балки 2 и на расстоянии от центра симметрии маятника 1, равном половине длине одного плеча маятника 1, и с обеих сторон поперечной его оси, и сформированные в углах внешней рамки 3 опоры крепления к стеклянной подложке на внешней рамке 7 существенно уменьшает нулевой сигнал и его нестабильность, а при одновременном воздействии также измеряемого ускорения уменьшается погрешность измерения полезного сигнала. Расположение опор к стеклянной подложке крепления на внешней рамке 7 в углах внешней рамки 3 и на жесткой балке 2 на расстоянии от центра симметрии маятника 1, равном половине длине одного плеча маятника 1, и с обеих сторон поперечной его оси позволяет надежно произвести соединение со стеклянной подложкой, которое осуществлено по трем опорам с каждой стороны от поперечной оси чувствительного элемента и при этом существенно уменьшить воздействия контактных напряжений на крестообразный подвес 4 и 5, тем самым увеличить точность измерения. Проведенные математическое моделирование в среде ANSYS и макетные испытания показали положительный эффект данного устройства и по технологичности и по точности по сравнению с прототипом. Источники информации:
1. Мельников В.Е. «Электромеханические преобразователи на базе кварцевого стекла». Москва, Машиностроение, 1984 г.
2. Патент РФ №2251702 - прототип.