ЧУВСТВИТЕЛЬНЫЙ ЭЛЕМЕНТ МИКРОМЕХАНИЧЕСКОГО АКСЕЛЕРОМЕТРА

Полезная модель относится к измерительной технике, а именно к датчикам линейных ускорений.
Известен чувствительный элемент микромеханического акселерометра, содержащий основание и инерционную массу, расположенную с зазором относительно основания, выполненную в виде пластины с гребенчатой структурой из полупроводникового материала и связанную с основанием с помощью упругих балок, которые одними концами жестко соединены с инерционной массой, а другими - с опорами, неподвижный электрод емкостного преобразователя перемещений с гребенчатой структурой, расположенный на основании с зазором относительно инерционной массы [1].
Недостатком данного устройства является то, что чувствительный элемент выполнен из поликристаллического полупроводникового материала, что существенным образом отражается на упругих свойствах чувствительного элемента, так при воздействии перекрестных связей возникает погрешность, прямым образом влияющая на точность. Конфигурация упругих элементов также чувствительна к перекрестным связям, что и снижает точность. Известен чувствительный элемент микромеханического акселерометра, выполненный на подложке из монокристаллического кремния, ориентированной в плоскости (100), и содержащий подвес инерционной массы в виде консольно закрепленных на основании упругих, элементов, обеспечивающих инерционной массе поступательное перемещение в плоскости подложки, совпадающей с плоскостью (100) кристаллической решетки кремния, и емкостные гребенчатые встречно-штырьевые преобразователи [2].
Недостатком данного устройства является то, что о величине действующего ускорения можно судить по изменению емкости системы измерения перемещения инерционной массы и при дальнейшем преобразовании емкости вносится дополнительная погрешность, что значительно снижает точность прибора в целом.
Задачей, на решение которой направлена полезная модель, является увеличение точности измерения.
Для достижения этого в чувствительном элементе микромеханического акселерометра, содержащим основание, инерционную массу, упругие элементы, закрепленные на основании и инерционной массе, емкостные гребенчатые встречно-штырьевые преобразователи, 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 упруго-деформируемые 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.
Признаками, отличающими предложенный чувствительный элемент виброчастотного микромеханического акселерометра от известного, является то, 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 упруго-деформируемые растяжки с одной стороны соединены с упругими элементами с другой с жестким центром инерционной массы. Упруго-деформируемые растяжки позволяют инерционной массе перемещаться под действием линейного ускорения в направлении перпендикулярном деформации упругих элементов. Так, возбуждая колебания путем подачи переменного напряжения на емкостные гребенчатые встречно-штырьевые преобразователи, получаем резонатор. При этом инерционная масса совершает колебания вдоль оси х. При воздействии линейного ускорения инерционная масса перемещается вдоль оси у. Наличие рамки крепления и площадок крепления к основанию, расположенных по углам рамки крепления, позволяют создать высокодобротный резонатор. А это, в свою очередь, повышает точность прибора. Две Г-образные сквозные щели с двух сторон на рамке крепления уменьшают температурную погрешность и стабилизируют нулевую частоту прибора.
Предложенный чувствительный элемент микромеханического акселерометра иллюстрируется чертежом фиг.1,
где:
1 - рамка крепления;
2 - инерционная масса;
3 - упругие элементы;
4 - емкостные гребенчатые встречно-штырьевые преобразователи перемещений;
5 - жесткий центр;
6, 7 - упруго-деформируемые растяжки;
8 - площадки крепления к основанию;
9 - две Г-образные сквозные щели.
Чувствительный элемент микромеханического акселерометра содержит инерционную массу 2 с жестким центром 5, к которому с двух сторон прикреплены упруго-деформируемые растяжки 6, 7. Другим концом упруго-деформируемые растяжки 6, 7 прикреплены к упругим элементам 3, противоположный конец которых соединен с рамкой крепления 1. В месте соединения упругих элементов 3 и рамки крепления 1. сформированы по две Г-образных щели 9. На рамке крепления 1 в углах расположены площадки крепления к основанию 8. На рамке крепления 1 и инерционной массе 2 сформированы емкостные гребенчатые встречно-штырьевые преобразователи перемещений 4.
Чувствительный элемент микромеханического акселерометра работает следующим образом. На емкостные гребенчатые встречно-штырьевые преобразователи перемещений 4 подается переменное напряжение. Таким образом, создается резонатор с определенной фиксированной частотой. При этом инерционная масса 2 совершает колебания вдоль оси х. Упруго-деформируемые растяжки 6, 7 позволяют инерционной массе 2 перемещаться под действием линейного ускорения в направлении перпендикулярном деформации упругих элементов 3. При воздействии линейного ускорения инерционная масса 2 перемещается вдоль оси y. При изгибе упруго-деформируемых растяжек 6, 7 происходит деформация упругих элементов 3. То есть изменяется их жесткость, а следовательно и частота совершаемых колебаний. Изменение частоты собственных колебаний пропорционально измеряемому ускорению.
Рамка крепления 1 и площадки крепления к основанию 8, расположенные по углам рамки крепления 1 обеспечивают высокодобротный резонатор. То есть потери энергии резонатора минимальны. Тем самым обеспечивается повышение точности. Две Г-образные сквозные щели 9 с двух сторон на рамке крепления 1 уменьшают температурную погрешность и стабилизируют нулевую частоту прибора. Источники информации:
1. Патент РФ №2279092.
2. Патент РФ №2296390 - прототип.