ЧУВСТВИТЕЛЬНЫЙ ЭЛЕМЕНТ МИКРОМЕХАНИЧЕСКОГО ДАТЧИКА

Полезная модель относится к измерительной технике и может быть использована при создании микромеханических датчиков линейного ускорения для систем управления подвижных объектов различного назначения.
Известен чувствительный элемент микромеханического датчика, который выполнен из монокристаллического кремния, ориентированного в плоскости (100), который содержит подвес инерционной массы в виде консольно закрепленных на основании упругих элементов, обеспечивающих ей две рабочие степени свободы в поступательном перемещении в плоскости подложки, совпадающей с плоскостью (100) кристаллической решетки кремния, и емкостные системы для измерения перемещений инерционной массы и для создания на нее силового воздействия, реализованные в виде гребенчатых встречно-штырьевых структур электродов /1/. Каждый из упругих элементов подвеса выполнен в виде балки Г образной формы, состоящей из двух идентичных элементов, причем один из этих элементов ориентирован вдоль направления [010] кристаллической решетки кремния, а другой - вдоль направления [001], подвес содержит 8 идентичных упругих элементов, расположенных в плоскости (100) попарно симметрично относительно центра геометрии инерционной массы вдоль направлений, повернутых на угол 45° относительно направлений [010] и [001] кристаллической решетки кремния.
Данный ЧЭ в ММВГ позволяет измерять угловую скорость вокруг оси OZ, ЧЭ в ММА позволяет измерять ускорение вдоль осей ОХ и OY.
Признаками аналога, совпадающими с существенными признаками, являются инерционная масса, подвешенная на упругих элементах и емкостные системы для измерения перемещений инерционной массы и для создания на нее силового воздействия, реализованные в виде гребенчатых встречно-штырьевых структур электродов.
Недостатком данной конструкции является то, что при воздействии ускорений вдоль перекрестных осей изменение емкости неотличимо от изменения емкости, возникающего при воздействии ускорения вдоль измерительной оси, что приводит к погрешности, влияющей на точность измерения. Кроме того, сплошная поверхность инерциальной массы приводит к повышению сил трения, а значит уменьшает полосу пропускания датчика.
Известен также интегральный микромеханический акселерометр, содержащий полупроводниковую подложку с расположенным на ней неподвижным электродом, выполненным из полупроводникового материала, инерционную массу, расположенную с зазором относительно подложки, выполненную в виде пластины из полупроводникового материала, образующую с неподвижным электродом плоский конденсатор за счет их полного перекрытия, используемый в качестве емкостного преобразователя перемещений, упругие балки, выполненные из полупроводникового материала, опоры, выполненные из полупроводникового материала и расположенные непосредственно на подложке, и неподвижные электроды, выполненные из полупроводникового материала с гребенчатыми структурами и расположенные непосредственно на подложке, отличающийся тем, что в него введены слой дополнительной инерционной массы, выполненный из задубленного фоторезиста и расположенный непосредственно на инерционной массе, три дополнительных неподвижных электрода емкостных преобразователей перемещений, выполненные из полупроводникового материала и расположенные непосредственно на полупроводниковой подложке так, что они образуют с инерционной массой плоские конденсаторы за счет их полного перекрытия, четыре дополнительных подвижных электрода емкостных преобразователей перемещений, выполненных в виде пластин с гребенчатыми структурами из полупроводникового материала и расположенных с зазором относительно подложки так, что они образуют плоские конденсаторы с неподвижными дополнительными электродами емкостных преобразователей перемещений в плоскости их пластин через боковые зазоры и взаимопроникающие друг в друга гребенки электродов, причем упругие балки расположены в пределах маленьких промежутков инерционной массы /2/.
Данный интегральный микромеханический акселерометр-клинометр позволяет измерять величину ускорения вдоль осей X и Y, расположенных в плоскости подложки, и оси Z, направленной перпендикулярно плоскости подложки, а также угла наклона инерционной массы относительно линии горизонта.
Признаками аналога, совпадающими с существенными признаками, являются инерционная масса, выполненная в виде пластины из полупроводникового материала, образующей с неподвижным электродом плоский конденсатор за счет их полного перекрытия, используемый в качестве емкостного преобразователя перемещений; упругие балки, выполненные из полупроводникового материала, опоры, выполненные из полупроводникового материала и расположенные непосредственно на подложке, и неподвижные электроды, выполненные из полупроводникового материала с гребенчатыми структурами и расположенные непосредственно на подложке.
Недостатком данной конструкции является невысокая чувствительность к ускорению вдоль осей X и Y, сплошная поверхность инерциальной массы приводит к повышению сил трения и приводит к уменьшению полосы пропускания датчика, а значит и к ухудшению точности.
Аналогом заявляемого объекта является чувствительный элемент микромеханического акселерометра, содержащий основание, инерционную массу, упругие элементы, закрепленные на основании и инерционной массе, емкостные гребенчатые встречно-штырьевые преобразователи, отличающийся тем, что упругие элементы выполнены попарно - одна пара с одной стороны инерционной массы, другая - с противоположной, симметрично относительно поперечной и продольной оси инерционной массы, в инерционной массе сформированы упругодеформируемые растяжки, которые с одной стороны соединены с упругими элементами, с другой - с жестким центром инерционной массы, введены рамка крепления и площадки крепления к основанию, расположенные по углам рамки крепления, на продольной оси которой сформированы по две Г-образные сквозные щели с двух сторон /3/.
Данный ЧЭ позволяет измерять ускорение, воздействующее вдоль оси Y.
Признаками аналога, совпадающими с существенными признаками, является чувствительный элемент микромеханического акселерометра, содержащий основание, инерционную массу, упругие элементы, закрепленные на основании и инерционной массе, емкостные гребенчатые встречно-штырьевые преобразователи.
Недостатком данной конструкции является то, что при воздействии перекрестных ускорений вдоль оси чувствительности появляется дополнительная погрешность, влияющая на точность измерений. В этой конструкции также действуют повышенные силы трения, что ограничивает достижимую полосу пропускания.
Задачей, на решение которой направлена полезная модель, является повышение точности измерения - полоса пропускания влияет на точность измерения динамично меняющегося ускорения.
Для достижения поставленной задачи разработан чувствительный элемент микромеханического датчика, содержащий основание, инерционную массу, упругие элементы, закрепленные на основании и инерционной массе, емкостную систему съема сигнала, сформированную из подвижных элементов на инерционной массе и неподвижных элементов на основании, отличающий тем, что упругие элементы имеют П-образную форму и есть перфорация инерционной массы.
Предложенный чувствительный элемент микромеханического датчика иллюстрируется чертежом фиг. 1, где:
1 - основание для торсионов;
2 - основание для неподвижных электродов;
3 - инерционная масса;
4 - электроды емкостной системы съема сигнала;
5 - упругие элементы П-образной формы.
Чувствительный элемент микромеханического датчика содержит инерционную массу 3, подвешенную при помощи упругих элементов П-образной формы 5 к основанию 1. Упругие элементы 5 одной стороны закреплены на инерционной массе 3 с другой стороны соединены с основанием 1. На инерционной массе сформированы подвижные электроды емкостной системы съема, на основании сформированы неподвижные электроды емкостной системы съема сигнала 4.
Чувствительный элемент микромеханического датчика работает следующим образом. При воздействии ускорения вдоль оси чувствительности инерционная масса смещается из центра подвеса. Подвижные электроды емкостной системы съема сигнала смещаются, что приводит к изменению величины емкостей. По изменению величины емкостей судят о величине воздействующего ускорения.
Признаками, отличающими предложенный чувствительный элемент (фиг. 1) микромеханического датчика от известного, является форма упругих элементов (фиг. 2), которая снижает влияние перекрестных воздействий вдоль оси Y и увеличивает точность измерения. Перфорация инерционной массы позволяет существенно уменьшить силу трения и за счет этого расширить полосу пропускания, что приводит к улучшению точности измерения переменного ускорения, а также снизить вес конструкции и за счет этого увеличить диапазон измерения при сохранении габаритных размеров. Сформированная емкостная система съема сигнала, состоящая из неподвижных электродов, расположенных на основании и подвижных, расположенных на инерционной массе, позволяет фиксировать смещение инерционной массы при воздействии ускорения вдоль оси чувствительности.
Источники информации:
1. Патент РФ №2296390.
2. Патент РФ №2279092.
3. Патент РФ №133315 - прототип.