ЧУВСТВИТЕЛЬНЫЙ ЭЛЕМЕНТ ИНТЕГРАЛЬНОГО АКСЕЛЕРОМЕТРА

Полезная модель относится к измерительной технике и может применяться в микромеханических датчиках линейных ускорений.
Известен чувствительный элемент интегрального акселерометра, выполненный из плавленого кварца в форме прямоугольной рамки, преобразователя перемещений рамки, регистрирующего поворот кварцевой рамки в зависимости от измеряемого ускорения [1].
Недостатком этого устройства является сложность конструкции, низкая технологичность, низкая точность из-за чувствительности к перекрестным связям. Изготовление таких устройств из плавленого кварца возможно только в единичном производстве и требует специальной высококвалифицированной подготовки персонала. Трудоемкая реализация преобразователя перемещений, так как установка в корпус кварцевой рамки возможна только раздельно от преобразователя перемещений и требует затем отдельной регулировки положения рамки в зазоре преобразователя перемещений, то есть установки ее в нулевое положение.
Известен чувствительный элемент интегрального акселерометра, содержащий подложку из диэлектрического материала, кристалл в виде внешней рамки, соединенной с инерционной массой через упругий элемент, преобразователь перемещений в виде конденсатора переменной емкости, образованный металлическими обкладками, расположенными на инерционной массе и подложке. При этом обкладки расположены на вертикальных плоскостях кристалла и подложки [2].
Недостатком этого устройства является сложность конструкции. Такое расположение обкладок конденсатора переменной емкости значительно усложняет изготовление интегрального датчика и ограничивает его функциональные возможности, а также снижает точность измерения.
Задачей, на решение которой направлено полезная модель, является увеличение точности и чувствительности чувствительного элемента интегрального акселерометра.
Для достижения этого в чувствительном элементе интегрального акселерометра, содержащем подложку из диэлектрического материала, кристалл в виде внешней рамки, соединенной с инерционной массой через упругий элемент, преобразователь перемещений в виде конденсатора переменной емкости, образованный металлическими обкладками, расположенными на инерционной массе и подложке, инерционная масса выполнена в виде перфорированного диска с N количеством прорезей, причем перфорация сформирована на инерционной массе симметрично относительно продольной ее оси по внутреннему диаметру инерционной массы, упругий элемент выполнен с радиусом закругления наружу с обеих сторон и со сквозной прорезью посередине упругого элемента, на диэлектрической подложке сформированы обкладки датчика перемещений в виде двух раздельных секторов, симметрично относительно продольной ее оси, каждый сектор содержит N-ое количество параллельно соединенных электродов емкостей датчика перемещений и расположены они таким образом по отношению к инерционной массе, что образуют смещение двух раздельных секторов обкладки датчика перемещений относительно внешней кромки инерционной массы и смещения двух раздельных секторов обкладки датчика перемещений относительно перфорации инерционной массы вдоль поперечной оси инерционной массы и симметрично относительно продольной оси инерционной массы.
Признаками, отличающими предложенный чувствительный элемент интегрального акселерометра от прототипа является то, инерционная масса выполнена в виде перфорированного диска с N количеством прорезей, причем перфорация сформирована на инерционной массе симметрично относительно продольной ее оси по внутреннему диаметру инерционной массы, упругий элемент выполнен с радиусом закругления наружу с обеих сторон и со сквозной прорезью посередине упругого элемента, на диэлектрической подложке сформированы обкладки датчика перемещений в виде двух раздельных секторов, симметрично относительно продольной ее оси, каждый сектор содержит N-ое количество параллельно соединенных электродов емкостей датчика перемещений и расположены они, таким образом, по отношению к инерционной массе, что образуют смещение двух раздельных секторов обкладки датчика перемещений относительно внешней кромки инерционной массы и смещения двух раздельных секторов обкладки датчика перемещений относительно перфорации инерционной массы вдоль поперечной оси инерционной массы и симметрично относительно продольной оси инерционной массы. Таким образом емкость датчика перемещений C=(eS)/d, где e - диэлектрическая постоянная воздушного зазора или другой газовой среды, в которой сформирован датчик перемещений, S - площадь перекрытия электродов, сформированных на диэлектрической подложке в виде двух раздельных секторов и общего электрода сформированного на перфорированной инерционной массе, d - величина зазора между электродами, сформированными на диэлектрической подложке в виде двух раздельных секторов и общего электрода сформированного на перфорированной инерционной массе. То есть преобразователь перемещения чувствительного элемента интегрального акселерометра детектирует движение инерционной массы за счет перекрытия площадей электродов сформированных на диэлектрической подложке в виде двух раздельных секторов и общего электрода сформированного на перфорированной инерционной массе, таким образом, обеспечивающий перемещение инерционной массы параллельно диэлектрической подложке. Поэтому с целью увеличения чувствительности перфорированный диск выполнен с N количеством прорезей, а каждый сектор содержит N-ое количество параллельно соединенных электродов емкостей датчика перемещений. Тем самым обеспечивая увеличивается смещение, которое в итоге суммируется. При этом величина зазора d - не изменяется за счет формирования упругого элемента, выполненного с радиусом закругления наружу с обеих сторон и со сквозной прорезью посередине упругого элемента. Такая конфигурация позволяет минимизировать движение инерционной массы перпендикулярно диэлектрической подложке, на которой расположены электроды преобразователя перемещений. Тем самым исключает изменение емкости по паразитной оси и повышает точность прибора.
Предложенный чувствительный элемент интегрального акселерометра иллюстрируется чертежами фиг. 1, фиг. 2, фиг. 3, фиг. 4, фиг. 5. На фиг. 1 изображен кристалл чувствительного элемента интегрального акселерометра,
где:
1 - инерционная масса.
2 - упругий элемент,
3 - внешняя рамка.
4 - опорные площадки,
5 - перфорация,
6 - электрическая контактная площадка.
На фиг. 2 изображена диэлектрическая подложка,
где:
7 - диэлектрическая подложка.
8, 9 - обкладки датчика перемещений в виде двух раздельных секторов.
На фиг. 3 изображен чувствительный элемент интегрального акселерометра в сборе,
где:
10 - смешение секторов обкладки датчика перемещений относительно внешней кромки инерционной массы,
11 - смещения секторов обкладки датчика перемещений относительно перфорации инерционной массы.
На фиг. 4 изображен вид A-A.
На фиг. 5 изображен упругий элемент чувствительного элемента интегрального акселерометра,
где:
12 - сквозная прорезь.
Чувствительный элемент интегрального акселерометра состоит из кристалла, содержащего инерционную массу 1 в форме перфорированного диска, упругий элемент 2, внешнюю рамку 3 выполненную в виде кольца, диэлектрическую подложку 7. Перфорация 5 сформирована на инерционной массе 1 симметрично относительно продольной ее оси по внутреннему диаметру инерционной массы 1. Упругий элемент 2 выполнен с радиусом закругления наружу с обеих сторон и со сквозной прорезью 12 посередине упругого элемента 1. На внешней рамке 3 сформированы опорные площадки 4 для закрепления на диэлектрической подложке 7. На диэлектрической подложке 7 сформированы обкладки датчика перемещений в виде двух раздельных секторов 8, 9 симметрично относительно продольной ее оси и расположены таким образом по отношению к инерционной массе 1 образуя смещение 11 двух раздельных секторов обкладки датчика перемещений относительно внешней кромки инерционной массы 1 и смещения 10 двух раздельных секторов обкладки датчика перемещений относительно перфорации 5 инерционной массы 10 вдоль поперечной оси инерционной массы 1 и симметрично относительно продольной оси инерционной массы 1. Электрическая контактная площадка 7 сформированная на кристалле чувствительного элемента интегрального акселерометра предназначена для подключения подвижной обкладки - инерционной массы 1 датчика перемещений чувствительного элемента интегрального акселерометра. Чувствительный элемент интегрального акселерометра работает следующим образом. При воздействии линейного ускорения инерционная масса 1, кристалла чувствительного элемента интегрального акселерометра отклоняется от своего нейтрального положения. При этом упругий элемент 2 изгибается на определенный угол. На инерционной массе 1 и диэлектрической подложке 7 с сформированными на ней обкладками датчика перемещений в виде двух раздельных секторов 8, 9 реализована схема обработки сигнала. При воздействии линейного ускорения возникает дисбаланс между емкостями образующими секторами 8 и 9, со стороны стеклянных подложек и инерционной массы 1. Величина этого дисбаланса пропорциональна измеряемому ускорению.
Проведенные макетные испытания показали положительный эффект данного устройства и по технологичности и по точности.
Источники информации:
1. Мельников В.Е. «Электромеханические преобразователи на базе кварцевого стекла». Москва, Машиностроение, 1984 г.
2. Патент Франции N 2558263 (прототип).