УСТРОЙСТВО ЗАЩИТЫ ПЕРВИЧНОГО ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ УСКОРЕНИЯ
PROTECTION DEVICE OF PRIMARY ACCELERATION TRANSDUCER

Изобретение относится к системам защиты микромеханических систем и предназначено для обеспечения защиты первичных преобразователей ускорения (ППУ) от неравномерных механических и температурных деформаций корпуса.
Известен «Микроэлектронный датчик абсолютного давления и чувствительный элемент абсолютного давления» (см. патент РФ №2362133, опубликованный 20.07.2009 г.). В данном устройстве чувствительный элемент (ЧЭ) абсолютного давления (в случае заявляемого устройства - первичный преобразователь ускорения) выполнен в виде монокристаллической кремниевой пластины, соединенной с одной стороны защитной крышкой, а с другой стороны - с основанием, имеющем в сечении Т-образную форму. Основание выполнено из верхней и нижней части и предназначено для осуществления развязки ЧЭ от корпуса. Верхняя часть основания выполнена из монокристаллического кремния, нижняя часть основания выполнена из кремния, стекла или керамики. Соединение защитной крышки, монокристаллической кремниевой пластины, нижней и верхней частей основания осуществляется с помощью соединительных слоев из низкотемпературного стекла посредством диффузионной пайки. Кристаллографическая ориентация верхней части основания совпадает с кристаллографической ориентацией монокристаллической кремниевой пластины.
Вышеуказанное устройство является наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству и поэтому выбрано в качестве прототипа.
Недостатком прототипа является то, что при значительных термомеханических деформациях корпуса, нижняя часть основания, выполненная из кремния, стекла или керамики и соединенная с верхней частью основания и корпусом с помощью соединительных слоев из стекла, может повредиться или разрушиться из-за высокой хрупкости этих материалов.
Решаемой технической задачей является создание устройства защиты первичного преобразователя ускорения с расширенной областью применения при сохранении метрологических характеристик первичного преобразователя ускорения (ППУ) в широком диапазоне температур.
Достигаемым техническим результатом является повышение стойкости и прочности ППУ к внешним дестабилизирующим факторам (ВДФ), таким как сварка деталей корпуса либо термоудары, приходящиеся на корпус, и повышение прочности верхней части основания, выполненной из материала ППУ, при нагружении корпуса высокоамплитудными импульсными механическими воздействиями (например, при жестком ударе корпуса о тело, выполненное из металла).
Для достижения технического результата в устройстве защиты ППУ, содержащем корпус, на котором установлено основание, выполненное из двух соединенных между собой нижней и верхней частей, на последней из которой закреплен ППУ, новым является то, что нижняя часть основания выполнена в виде полого металлического цилиндра, на боковой поверхности которого по окружности выполнено не менее двух рядов поперечных сквозных прорезей с образованием в каждом ряду между прорезями идентичных перемычек, при этом прорези одного ряда симметрично смещены относительно прорезей другого ряда, в каждой из которых выполнены два идентичных сквозных отверстия, оси которых лежат в одной радиальной плоскости и образуют между собой угол не более 2π/n, где n - число прорезей, причем центры этих отверстий смещены вдоль прорези относительно ее начала и конца.
Выполнение на боковой поверхности цилиндра, по крайней мере, одного ряда упругих элементов, образованного двумя рядами прорезей и перемычками между прорезями, позволяет максимально ограничить влияние одного ряда упругих элементов на другой при воздействии ВДФ, а выполнение двух идентичных сквозных отверстия в каждой прорези позволяет исключить тонкие перегородки, которые являются концентраторами механических напряжений при действии ВДФ.
Новая совокупность существующих признаков позволяет повысить уровень защиты ППУ от температурных деформаций, вызванных неравномерным разогревом корпуса при сварке либо термоударах, а также осуществить защиту верхней части основания, выполненного из пьезоэлектрического кварца, от ее хрупкого разрушения при нагружении корпуса высокоамплитудными импульсными механическими воздействиями.
На фигуре 1 представлено заявляемое устройство.
На фигуре 2 представлена нижняя часть основания, выполненная в виде полого металлического цилиндра.
Устройство защиты ППУ содержит корпус 1, на который установлено основание, выполненное из двух соединенных между собой частей 3 и 4. На верхней части 3 основания закреплен ППУ 2. Нижняя часть 4 основания выполнена в виде полого металлического цилиндра, на его боковой поверхности 5 по окружности выполнено не менее двух рядов поперечных сквозных прорезей 6 с образованием в каждом ряду между прорезями идентичных перемычек 7. Прорези одного ряда симметрично смещены относительно прорезей другого ряда, в каждой из которых выполнены два идентичных сквозных отверстия 8, оси которых лежат в одной радиальной плоскости и образуют между собой угол не более 2π/n, где n - число прорезей. Число прорезей n в одном ряду выбирается исходя из соображения максимального нарушения монолитности нижней части 4 основания с учетом обеспечения ее прочности при действии ВДФ. Нижняя часть 4 основания предназначена для защиты верхней части 3 основания, выполненной из пьезоэлектрического кварца, от высокоамплитудных импульсных механических воздействий, которые могут привести к ее хрупкому разрушению.
Верхняя часть 3 основания выполнена из пьезоэлектрического кварца, ориентация кристаллографических осей которого совпадает с кристаллографической ориентацией осей ППУ 2, что позволяет свести к минимуму напряжения в зоне его крепления, вызванные разницей температурного коэффициента линейного расширения при нагреве корпуса и других элементов конструкции. ППУ 2 установлен на верхнюю часть 3 основания на бездеформационный оптический клей, не влияющий на преобразовательную характеристику ППУ 2. Толщина верхней части основания выбирается исходя из условия необходимой жесткости ее конструкции, так что бы были сведены к минимуму ее прогибы в области размещения ППУ при действии ВДФ, а также требования по ограничению ее массы или габаритных размеров.
Устройство защиты ППУ работает следующим образом.
ППУ 2 обладает высокой тензочувствительностью. Жесткое крепление 111 ГУ 2 к корпусу 1, при незначительных его деформациях, приведет к возникновению напряжений в местах закрепления ППУ 2, что существенно повлияет на его выходной параметр.
Защита ППУ 2 от влияния деформаций корпуса 1 осуществляется основанием, состоящим из двух частей 3 и 4, соединенных между собой клеем на основе модифицированных фенолформальдегидных смол, типа ВК-9.
При неравномерном разогреве корпуса 1 при сварке возникает его неравномерная температурная деформация. В результате чего, во время сварки образуются, а впоследствии, после охлаждения, частично остаются сварочные напряжения и деформации. Нижняя часть 4 основания за счет жесткой связи с корпусом 1 (например, соединение с помощью клея на основе модифицированных фенолформальдегидных смол, типа ВК-9) испытывает сложное напряженно-деформированное состояние, которое может привести к искажению метрологических характеристик ППУ 2. Наличие в нижней части основания прорезей 6 и перемычек 7, образующих ряды упругих элементов, позволяет нарушить ее монолитность, исключающую свободные температурные деформации нижней части 4 основания.
При механических воздействиях, приводящих к возникновению деформаций корпуса 1, возникает вероятность появления случайной составляющей погрешности выходного параметра ППУ 2. Деформация, передающаяся от корпуса 1, в большей степени локализуется в области сопряжения его с нижней частью 4 основания за счет развязки не менее чем двумя рядами прорезей 6.
Сохранение стабильности положения измерительной оси ППУ при действии ВДФ осуществляется регулированием жесткости упругих элементов, принадлежащих одному ряду. Жесткость упругих элементов, принадлежащих разным рядам, может быть различной.
Регулирование жесткости упругих элементов одного ряда, в том или ином направлении, осуществляется за счет изменения геометрических параметров их прямоугольного сечения 'а' и 'в' так, чтобы в критически важном направлении действия ВДФ, не возникали угловые перемещения верхней части основания и ППУ, превышающие установленное значение, а также отсутствовали ударные взаимодействия между упругими элементами разных рядов.
Возникновение пластических деформаций в зонах размещения тонких перегородок, образуемых при выполнении прорезей в нижней части основания при воздействии ВДФ, исключена введением двух идентичных сквозных отверстий 8, оси которых лежат в одной радиальной плоскости и образуют между собой угол не более 2π/n, где n - число прорезей, причем центры этих отверстий смещены вдоль прорези относительно ее начала и конца.
Данная конструкция позволяет осуществить дифференциальный принцип построения датчиков, разместив второй ППУ на обратной стороне верхней части основания, не увеличив при этом габариты.
На основе результатов имитационного моделирования на ЭВМ, был изготовлен опытный образец, который подтвердил работоспособность заявленного устройства.