ЧУВСТВИТЕЛЬНЫЙ ЭЛЕМЕНТ ДАТЧИКА ЛИНЕЙНЫХ УСКОРЕНИЙ

Полезная модель относится к измерительной технике и может применяться в микромеханических акселерометрах.
Известен чувствительный элемент датчика линейных ускорений, содержащий маятник и упругие подвесы, соединяющие маятник с рамкой чувствительного элемента, которая непосредственно крепится к основанию [1].
Недостатком такого чувствительного элемента является низкая точность, связанная с влиянием контактных напряжений, возникающих в месте крепления рамки, на упругие подвесы маятника.
Известен чувствительный элемент микромеханического акселерометра, содержащий двухплечевой маятник из монокристаллического кремния, стеклянную обкладку и внешнюю рамку с площадками крепления к стеклянной обкладке, Х-образные торсионы, соединенные с маятником и внешней рамкой, ось симметрии инерционной массы совмещена с осью, проходящей через крестообразные торсионы. Площадки крепления расположены в непосредственной близости Х-образных торсионов. Внешняя рамка одновременно выполняет роль жесткого каркаса чувствительного элемента, при этом соединение чувствительного элемента с неподвижным основанием акселерометра осуществляется через обратную сторону стеклянной обкладки [2].
Недостатком данного устройства является нестабильность смещения нулевого сигнала вследствие высокого уровня контактных напряжений, возникающих в местах расположения площадок крепления и передающихся на Х-образный торсион, а также высокая погрешность при воздействии положительных и отрицательных температур. Так как чувствительный элемент закреплен на основании акселерометра, то воздействие положительных или отрицательных температур передается от основания через стеклянную обкладку на внешнюю рамку и соответственно на X-образные торсионы. Вследствие этого Х-образные торсионы деформируются, и в результате происходит смещение маятника при отсутствии воздействия ускорения. Таким образом, происходит температурное смещение нулевого сигнала, а это снижает точность акселерометра. Изменится также жесткость торсионов и, как следствие, уход крутизны преобразователя перемещений. Это также существенным образом снижает точность прибора. Задачей, на решение которой направлена полезная модель, является увеличение точности датчика линейных ускорений.
Для достижения этого в чувствительном элементе микромеханического акселерометра, содержащем двухплечевой маятник из монокристаллического кремния, стеклянную обкладку и внешнюю рамку с площадками крепления к стеклянной обкладке, Х-образные торсионы, соединенные с двухплечевым маятником и внешней рамкой, ось симметрии инерционной массы совмещена с осью, проходящей через Х-образные торсионы, внешняя рамка выполнена в виде упругодеформируемых балок, сформированных между площадками крепления к стеклянным обкладкам на внешней рамке и между Х-образными торсионам и площадками крепления к стеклянным обкладкам, дополнительно сформирована прокладка, закрепленная с обратной стороны к стеклянной обкладке через ножки, сформированные на прокладке, расположенные соосно с площадками крепления к стеклянной обкладке на внешней рамке, с другой стороны прокладки сформирована опора крепления к основанию, расположенная в центре симметрии прокладки и соединенная с ножками через жесткие растяжки.
Признаком, отличающим предложенный датчик от известного является то, что внешняя рамка выполнена в виде упругодеформируемых балок сформированных между площадками крепления к стеклянным обкладкам на внешней рамке и между Х-образными торсионам и площадками крепления к стеклянным обкладкам. Такое расположение площадок крепления к стеклянным обкладкам по отношению к Х-образным торсионам уменьшает влияние остаточных деформаций на Х-образный торсионы, возникающих после анодного соединения внешней рамки со стеклянной обкладкой через площадки крепления к стеклянным обкладкам. Сформирована прокладка, закрепленная с обратной стороны к стеклянной обкладке через ножки, сформированные на прокладке, расположенные соосно с площадками крепления к стеклянной обкладке на внешней рамке, с другой стороны прокладки сформирована опора крепления к основанию, расположенная в центре симметрии прокладки и соединенная с ножками через жесткие растяжки. Сформированная прокладка выполняет функцию буфера между стеклянной обкладкой и неподвижным основанием акселерометра. Ножки, сформированные на прокладке соосно с площадками крепления на внешней рамке исключают паразитные моменты после сборки всего чувствительного элемента. Опора крепления к основанию акселерометра, расположенная в центре симметрии прокладки и соединенная с ножками через жесткие растяжки обеспечивает минимизацию возникающих контактных напряжений и, следовательно, минимально влияют на упругий подвес, за счет чего уменьшается нестабильность смещения нуля и, как следствие, повышается точность прибора в целом. Также при воздействии возмущающих факторов, в частности плюсовых и минусовых температур, конструкция чувствительного элемента будет минимально деформирована. Так, из-за разности коэффициентов линейного расширения, основания акселерометра и чувствительного элемента после воздействия положительных или отрицательных температур возникает деформация, которая воздействует на опору крепления к основанию, сформированную на прокладке. Опора крепления к основанию расположена в в центре симметрии прокладки и следовательно всего чувствительного элемента. При деформации опоры крепления к основанию напряженное состояние передается на жесткие растяжки, причем равномерно. Далее через опоры крепления к основанию через стеклянную обкладку и ножки на площадки крепления на внешней рамке. После чего, через площадки крепления на внешней рамки на упругодеформируемые балки, затем на Х-образный торсион. Таким образом, остаточные деформации, передающиеся на X-образный торсион сведены к минимуму. А это уменьшает уход крутизны преобразователя перемещений, уменьшает температурное смещение нулевого сигнала, уменьшает температурную погрешность. Причем жесткие растяжки сформированы таким образом, чтобы исключить их деформацию по перекрестным осям относительно измерительной оси, обеспечивая лишь деформацию на предельно высоким ускорениям по измерительной оси. Это обеспечивает защиту при вибрациях и ударах.
Предложенный чувствительный элемент датчика линейных ускорений иллюстрируется чертежами, представленными на фиг. 1, 2, 3. На фиг. 1 представлен основной вид чувствительного элемента датчика линейных ускорений,
где:
1 - двухплечевой маятник,
2 - внешняя рамка,
3- упругодеформируемые балки,
4 - Х-образные торсионы.
На фиг. 2 вид А-А,
где:
5 - стеклянная обкладка,
6 - ножки,
7 - площадки крепления к стеклянным обкладкам,
8 - опора крепления к основанию,
9 - прокладка.
На фиг. 3 вид прокладки со стороны соединения со стеклянной обкладкой,
где:
10 - жесткие растяжки.
Чувствительный элемент датчика линейных ускорений содержит двухплечевой маятник 1, соединенный с внешней рамкой 2 через Х-образные торсионы 4, стеклянную обкладку 5, соединенную с внешней рамкой 2 через площадки крепления к стеклянным обкладкам 7. Внешняя рамка 2 состоит из упругодеформируемых балок 3, сформированных между площадками крепления к стеклянным обкладкам 7 на внешней рамке 2 и между X-образными торсионам 4 и площадками крепления к стеклянным обкладкам 7. Прокладка 9 закреплена с обратной стороны к стеклянной обкладке 5 через ножки 6, сформированные на прокладке 9, расположенные соосно с площадками крепления к стеклянной обкладке 7 на внешней рамке 2, с другой стороны прокладки 9 сформирована опора крепления к основанию 8, расположенная в центре симметрии прокладки 9 и соединенная с ножками 6 через жесткие растяжки 10.
Чувствительный элемент датчика линейных ускорений работает следующим образом.
При действии линейного ускорения двухплечевой маятник 1 отклоняется от своего нейтрального положения. Х-образные торсионы 4 закручиваются на определенный угол. Возникающий дисбаланс емкостного преобразователя, реализованный на стеклянной обкладке 5 пропорционален величине измеряемого ускорения.
При воздействии рабочего диапазона температур, а также после процесса анодного соединения, возникает деформация, которая воздействует на опору крепления к основанию 8, сформированную на прокладке 9. Опора крепления к основанию 8 расположена в в центре симметрии прокладки 9 и следовательно всего чувствительного элемента. При деформации опоры крепления к основанию 8 напряженное состояние передается на жесткие растяжки 10. Причем равномерно. Далее через опору крепления к основанию 8 через стеклянную обкладку 5 и ножки 6 на площадки крепления к стеклянной обкладке 7 на внешней рамке 2. После, через площадки крепления к стеклянной обкладке 7 на внешней рамке 2 на упругодеформируемые балки 3. Затем на Х-образный торсион 4. Таким образом, остаточные деформации, передающиеся на Х-образный торсион 4 сведены к минимуму. А это уменьшает уход крутизны преобразователя перемещений, уменьшает температурное смещение нулевого сигнала, уменьшает температурную погрешность и отсутствие дополнительной деформации на Х-образных торсионах 4. Причем жесткие растяжки 10 сформированы таким образом, чтобы исключить их деформацию по перекрестным осям относительно измерительной оси, обеспечивая лишь деформацию на предельно высоким ускорениям по измерительной оси. Это обеспечивает защиту при вибрациях и ударах. Это уменьшает нулевой сигнал и температурную погрешность прибора. Проведенные макетные испытания показали положительный эффект предлагаемого устройства и по технологии и по точности.
Источники информации:
1. Паршин В.А., Харитонов В.И. Особенности технологии мультисенсорных датчиков с нелегированными упругими подвесами // Датчики и системы. 2002. №2. С. 22-24.
2. Патент РФ №2251702 - прототип.