ЧУВСТВИТЕЛЬНЫЙ ЭЛЕМЕНТ ИНТЕГРАЛЬНОГО АКСЕЛЕРОМЕТРА

Полезная модель относится к измерительной технике и может применяться в датчиках линейных ускорений интегрального исполнения.
Известен чувствительный элемент интегрального акселерометра, выполненный из монокристаллического кремния, содержащий маятник, внешнюю рамку, соединенную с маятником через упругие элементы, стеклянные обкладки, расположенные с обеих сторон внешней рамки, образуя, преобразователь перемещений маятника [1].
Недостатком этого устройства является высокая нестабильность нулевого сигнала, высокая температурная погрешность, так как стеклянные обкладки соединяются с внешней рамкой практически по всей ее площади с обеих сторон. При соединении стеклянных обкладок с кремниевой внешней рамкой методом анодной посадки, возникают остаточные напряжения, которые после соединения деформируют упругие элементы, что приводит к увеличению нулевого сигнала и его нестабильности. При воздействии температур, внешняя рамка со стеклянными обкладками деформируется, вызывая перемещение упругих элементов и соответственно маятника, что вызывает появление сигнала при отсутствии действия линейного ускорения.
Известен чувствительный элемент интегрального акселерометра, выполненный из монокристаллического кремния в виде инерционной массы (маятника), имеющей два плеча и подвешенной на упругих крестообразных торсионах с поперечным сечением в виде Х-образного профиля, работающих на кручение, внешнюю рамку, к которой другой стороной соединены торсионы., стеклянные обкладки, к которым крепится внешняя рамка. При этом на внешней рамке сформированы площадки для крепления стеклянных обкладок, расположенные по оси торсионов, в местах сопряжения последних с внешней рамкой [2].
Одним из недостатков чувствительного элемента акселерометра является высокая чувствительность к пониженным и повышенным температурным воздействиям. При повышении, понижении рабочих температур, упругие крестообразные торсионы чувствительного элемента укорачиваются или удлинятся. Так как упругие торсионы жестко соединены, с одной стороны, с инерционной массой, с другой стороны, с внешней рамкой, при этом последняя жестко соединена со стеклянными обкладками, то возникающая при этом деформация приложена к инерционной массе (маятнику), которая в итоге деформирует последнюю. В результате на выходе преобразователя перемещений появляется сигнал, при отсутствии приложенного ускорения к инерционной массе или дополнительный сигнал при воздействии линейного ускорения, т.е. появляется погрешность измерения полезного сигнала. Из всего этого следует, что точность измерения линейного ускорения существенно уменьшается.
Другим недостатком является наличие концентраторов напряжения на стыках «упругий торсион-инерционная масса(маятник)» и «упругий торсион-внешняя рамка». Это в свою очередь снижает прочность конструкции чувствительного элемента в целом, что при определенных максимальных ударных нагрузках или вибраций м приводит к разрушению чувствительного элемента.
Задачей, на решение которой направлена полезная модель, является увеличение точности измерения полезного сигнала и увеличение прочности конструкции чувствительного элемента.
Для достижения этого в чувствительном элементе интегрального акселерометра выполненного из монокристаллического кремния, содержащем инерционную массу, стеклянные обкладки и внешнюю рамку с площадками крепления к стеклянным обкладкам, упругие крестообразные торсионы, согласно изобретению, дополнительно сформированы сквозные щели, выполненные с формой, показанной на фиг.2 во внешней рамке, таким образом, что одна линия щели охватывает место сопряжения упругого крестообразного торсиона на внешней рамке, другая перпендикулярная ей сформирована до противоположного края внешней рамки по оси крутильных колебаний упругих крестообразных торсионов, а площадки крепления разнесены от мест сопряжения упругих крестообразных торсионов с внешней рамкой, при этом упругие торсионы со стороны стеклянных обкладок заглублены в тело внешней рамки и инерционной массы (маятника). Признаком, отличающим, предложенный чувствительный элемент от известного является то, что в чувствительном элементе, а именно во внешней рамке дополнительно введены сквозные щели, выполненные с формой, показанной на фиг.2, расположенные в местах сопряжения с упругими крестообразными торсионами Х-профиля. Причем одна линия щели охватывает место сопряжения упругого торсиона с внешней рамкой, другая, перпендикулярная ей сформирована до противоположного края внешней рамки по оси крутильных колебаний упругих торсионов. Площадки крепления к стеклянным обкладкам разнесены от зоны сопряжения «упругий торсион-внешняя рамка», например в углы внешней рамки.
После процесса анодного соединения внешней рамки со стеклянными обкладками остаточные напряжения передаются на внешнюю рамку, которая деформируется. При этом сквозные щели могут сужаться или расширяться, а напряженное состояние на упругие торсионы не передается. Тоже самое происходит при воздействии внешних факторов-рабочих температур. Тем самым наличие сквозных щелей в зоне сопряжения «упругий торсион-внешняя рамка» исключает деформацию упругого торсиона, что в свою очередь существенно снижает нулевой сигнал и температурную погрешность.
Заглубление упругих торсионов в теле внешней рамки и инерционной массы (маятника), обеспечивает снижение концентраторов напряжений.
Тем самым увеличивает прочность узла «упругий торсион-внешняя рамка» и «упругий торсион-инерционная масса».
Предложенный чувствительный элемент интегрального акселерометра иллюстрируется чертежами, представленными на фиг.1. 2, 3. На фиг.1 изображен чувствительный элемент интегрального акселерометра в плане
Где:
1 - инерционная масса (маятник);
2 - внешняя рамка;
3 - упругий крестообразный торсион Х-образного профиля;
4 - площадки крепления;
5 - сквозные щели.
На фиг.2 изображен узел «упругий торсион-внешняя рамка» и «упругий торсион-инерционная масса» в увеличенном виде.
На фиг.3 изображен узел в трехмерной проекции.
Чувствительный элемент, выполненный из монокристаллического кремния низкой проводимости содержит инерционную массу 1, стеклянные обкладки (не показано), внешнюю рамку 2, площадки крепления 4, расположенные в углах внешней рамки 4, упругие крестообразные торсионы 3 Х-образного профиля, сквозные щели, выполненные с формой, показанной на фиг.2-3, сформированные во внешней рамки 2. Упругие торсионы 3 утоплены в тело инерционной массы 1 и внешней рамки 2.
Чувствительный элемент работает следующим образом.
При воздействии линейного ускорения инерционная масса (маятник) 1, отклоняется от своего нейтрального положения. Упругие крестообразные торсионы 3 закручиваются на определенный угол. На стеклянных обкладках (не показано) реализована схема преобразователя перемещений. При воздействии линейного ускорения возникает дисбаланс емкостного преобразователя перемещений, величина которого пропорциональна измеряемому ускорению.
При воздействии температур, сквозные щели 5, расположенные на внешней рамке 2 сужаются, либо расширяются, что обеспечивает отсутствие дополнительной деформации на упругих крестообразных торсионах 3. Это уменьшает нулевой сигнал при отсутствии действия линейного ускорения и уменьшает температурную погрешность при приложении линейного ускорения к инерционной массе 1.
Заглубление концов упругих торсионов 3 в тело инерционной массы (маятника) 1 и внешней рамки 2, перемещает границу сопряжения «упругий торсион-внешняя рамка», «упругий торсион-инерционная масса» в глубь последних 2, 1, устраняя резкую границу перехода упругих торсионов на внешней рамке 2 и инерционной массе (маятнике) 1. с обеих сторон. А это в свою очередь уменьшает концентраторы напряжений, увеличивая прочность чувствительного элемента в узле сопряжения упругих торсоионов 3 с внешней рамкой 2 и инерционной массой 1.
Проведенное математическое моделирование в среде ANSYS показало положительный эффект данной полезной модели по сравнению с прототипом.
1. Патент РФ №2211001
2. Патент РФ №2251702 (прототип)