ЧУВСТВИТЕЛЬНЫЙ ЭЛЕМЕНТ МИКРОМЕХАНИЧЕСКОГО ДАТЧИКА

Полезная модель относится к измерительной технике и может применяться в микромеханических датчиках линейных ускорений.
Известен микромеханический акселерометр, содержащий корпус, чувствительный элемент, выполненный из каркасной катушки подвешенный в корпусе на металлических растяжках, датчик перемещения каркасной катушки [1].
Недостатком этого устройства является сложность конструкции, нетехнологичность, низкая точность из- за чувствительности к перекрестным связям.
Известен чувствительный элемент микромеханического датчика ускорения, содержащий корпус, чувствительный элемент, выполненный из монокристаллического кремния в виде электропроводящей инерционной массы, представляющей собой маятник, подвешенный с помощью торсионов, которые другой стороной соединены с внешней рамкой [2]. Торсионы выполнены крестообразными с поперечным сечением в виде Х-образного профиля, а наклонные грани крестообразных торсионов с профилем поперечного сечения в виде Х-образной формы ориентированы по направлению (111) кристаллографической решетки монокристаллического кремния. Внешняя рамка равномерная по ширине по всему периметру, на которой расположены площадки для крепления стеклянных обкладок. Стеклянные обкладки прямоугольные, напыленные электроды на них равны по площади маятнику, являющемуся центральной обкладкой дифференциального преобразователя перемещений. При воздействии ускорения - маятник отклоняется относительно оси, проходящей через торсионы на определенный угол.
Недостатком этого устройства является то, что при отклонении центральной обкладки или маятника происходит изменение емкостей с одной стороны маятника и одной обкладкой, и противоположной стороной маятника и другой обкладкой. При данной конструкции изменение емкостей будет нелинейно. Соответственно, это уменьшает точность прибора. Еще одним недостатком этого устройства является то, что анодное соединение двух стеклянных обкладок с кремниевым чувствительным элементом проводится при температуре свыше 450°С. После остывания пакета из двух стеклянных обкладок и кремниевого чувствительного элемента происходит деформация внешней рамки. Эта деформация соответственно передается на упругие торсионы. Это существенным образом влияет на стабильность упругих свойств последних.
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.
Еще одним недостатком данной конструкции - воздействие возмущающих факторов, в частности, плюсовых и минусовых температур, конструкция чувствительного элемента будет деформирована, что приведет к появлению нестабильности нулевого сигнала, его высокому уровню. Изменится также жесткость торсионов и, как следствие уход крутизны преобразователя перемещений.
Задачей, на решение которой направлена полезная модель, является увеличение точности микромеханического датчика.
Поставленная задача решается за счет того, что в чувствительном элементе микромеханического датчика, содержащем маятник, упругий подвес, соединяющий маятник с рамкой чувствительного элемента с расположенными на ней площадками для крепления рамки к стеклянным обкладкам и сформированными на них электродами, маятник и рамка сформированы так, что посередине боковых сторон рамка имеет утонение, выше и ниже этого утонения на широкой части ее, выполнены узкие сквозные щели, а площадки крепления на боковых сторонах одинаковые по площади и меньше чем на нижней части рамки, электроды на стеклянных обкладках соответствуют по площади нижней - расширенной части маятника. Отличительным признаком заявленной полезной модели является то, что маятник и рамка сформированы так, что имеют не прямоугольную форму, а от средней части вниз расширены. Причем нижняя - расширенная часть маятника по площади равна сформированному электроду на обеих стеклянных обкладках. Это позволяет значительно уменьшить нелинейность преобразователя перемещений. Так как в нижней части преобразователя перемещений, угловой поворот на небольшой угол маятника практически равен осевому перемещению. Расширение компенсирует уменьшение рабочей емкости. Так как при прямоугольном маятнике и укороченных электродах имеем уменьшение рабочей емкости в два раза, а это соответственно ухудшает рабочие технические характеристики, следовательно, уменьшает точность. Формированиие рамки соответственно определена формой маятника. Но посередине боковых сторон - утонение и, вместе тем выше и ниже которого - расположение сквозных щелей на широкой части рамки, позволяет развязать площадки крепления к стеклянным обкладкам от упругих торсионов. Площадки крепления расположены в ниже утонения и сквозной щели, после анодной посадки и остывания конструкции - остаточная неравномерная деформация будет приложена к цепи «нижняя щель-утонение-верхняя щель». Только ничтожная часть передастся на упругий торсион. Тем самым уменьшится нулевой сигнал. Площадки крепления к стеклянным обкладкам по площади на боковых сторонах рамки равные, но меньше чем на нижней стороне. Это дает более надежное соединение со стеклянными обкладками. Так как боковые площадки расположены ближе к Х-образным торсионам, в соответствии с формулой:
0
где v - коэффициент Пуассона; S - площадь контакта; у - толщина рамки; р - давление на контакт; L - расстояние от площадок крепления до заданного сечения.
их влияние на них большее. Поэтому их площадь должна быть минимальной. А площадка на нижней-самая дальняя. Соответственно влияние контактных напряжений от нее намного ниже, что позволяет увеличить площадь соединения со стеклянными обкладками.
Предлагаемая полезная модель иллюстрируется чертежами. На фиг.1 показана конструкция в плане,
где:
1 - маяник;
2 - рамка;
3 - утонение;
4 - сквозные щели;
5 - площадки крепления на боковых сторонах рамки;
6 - площадка крепления на нижней стороне рамки;
7 - упругий торсион.
На фиг.2 изображена стеклянная обкладка с нанесенным электродом преобразователя перемещений,
где:
8 - стеклянная обкладка;
9 - электрод преобразователя перемещений.
Чувствительный элемент, выполненный из монокристаллического кремния низкой проводимости, содержит маятник 1, рамку 2, на боковых сторонах которой расположены площадки крепления 5 и нижней стороне 6. На рамке 2, посередине сформированы утонения 3. С обеих сторон утонения 3 расположены сквозные щели 4. Маятник 1 сопрягается с рамкой 2 через упругие торсионы 7. На стеклянных обкладках 8 методом вакуумного напыления сформированы электрод преобразователя перемещений 9. Стеклянные обкладки 8 соединяются с рамкой 2 методом анодной посадки через площадки 5 и 6. Уменьшение нелинейности обеспечивается конфигурацией электродов преобразователя перемещений 9, нанесенных на стеклянную обкладку 8. При этом для компенсации емкости преобразователя перемещений маятник 1 имеет форму как показано на фиг.1. Соответственно и рамка 2 имеет форму как показано на фиг.1. Введение утонения 3 и сквозных щелей 4 позволяют уменьшить нулевой сигнал за счет того, что остаточная деформация прилагается к ним и не передается на упругие торсионы 7. То самое при воздействии положительных и отрицательных температур. Таким образом, такое формирование электродов преобразователя перемещений 9 на стеклянных обкладках 8 и соответственно конфигурация маятника 1 и рамки 2 как показано на фиг.1, а также введение утонения 3 со сквозными щелями 4 увеличивают точность.
Работа устройства основана на хорошо известном принципе перемещения маятника 1 под воздействием линейного ускорения и измерения этого перемещения, например емкостным способом.
Проведенные математическое моделирование в среде ANSYS показало положительный эффект данной полезной модели по сравнению с прототипом.
Источники информации:
1. Акселерометр капиллярный АК5-15, ТУ 611.781.ТУ. 1984 г.
2. Патент РФ №106001 (прототип).