ЧУВСТВИТЕЛЬНЫЙ ЭЛЕМЕНТ ТРЕХОСЕВОГО МИКРОМЕХАНИЧЕСКОГО АКСЕЛЕРОМЕТРА

Заявляемая полезная модель относится к измерительной технике и может применяться в микромеханических датчиках линейных ускорений, используемых в инерциальной навигации.
Известен аналог (см. http://www.lib.tpu.ru/falltext/c/2015/C111/058.pdf), включающий наружную раму, установленную на подложке при помощи упругого подвеса и анкеров. Упругий подвес обеспечивает свободу перемещения рамы вместе с инерционными массами вдоль оси Z. Инерционная масса имеет возможность перемещаться на упругом подвесе вдоль оси X. Также устройство включает емкостные преобразователи перемещений, состоящие из подвижных и неподвижных гребенчатых структур, в которых подвижные зубья расположены напротив неподвижных зубьев.
Работает аналог следующим образом. При появлении ускорения вдоль оси X первая инерционная масса перемещается вдоль оси X, изменяется емкость, за счет изменения расстояния между подвижными и неподвижными зубьями емкостного преобразователя. При появлении ускорения вдоль оси Y аналогично измеряется величина этого ускорения. При появлении ускорения вдоль оси Z обе инерционные массы перемещаются вместе с третьей объединяющей рамкой вдоль оси Z. При этом подвижные зубья емкостных преобразователей по осям X и Y сдвигаются относительно соответствующих им неподвижных зубьев и изменяются величины площадей перекрытия. Что приводит к изменению емкости в преобразователях по осям X и Y. Таким образом, ускорение системы по оси Z влечет за собой возникновение ошибки в измерении ускорений по осям X и Y, что приводит к уменьшению точности измерений по осям X и Y.
Недостатком аналога является низкая точность, вызванная наличием перекрестных связей между инерционными массами чувствительного элемента.
Ближайшим из аналогов, в дальнейшем именуемый прототипом выбран чувствительный элемент микромеханического акселерометра (US 9157927 B2, Seiko Epson Corporation, МПК G01P 15/02, опуб. 13.10.2015, fig. 13), включающий три инерционные массы, подвешенные на упругих элементах к общей опорной, внешней рамке, допускающих поступательное движение масс вдоль оси X, Y и Z. Верхние инерционные массы дополнительно имеют встроенные рамки, которые соединены через торсионные подвесы с общей опорной рамкой, которые с свою очередь осуществляют вращательное движение относительно опорной рамки вдоль оси Z. Также устройство включает емкостные преобразователи перемещений, состоящие из подвижных и неподвижных гребенчатых структур, в которых подвижные зубья расположены напротив неподвижных зубьев.
Работает прототип следующим образом. При появлении ускорения вдоль оси X одна инерционная масса перемещается вдоль оси X, что приводит к изменению расстояния между подвижными и неподвижными зубьями емкостного преобразователя. Вследствие этого происходит изменение емкости в преобразователе перемещений. Изменение емкости пропорционально величине действующего ускорения. А величина емкости прямо пропорциональна площади перекрытия подвижных и неподвижных зубьев гребенчатой структуры и обратно пропорциональна расстоянию между зубьями.
При появлении ускорения вдоль оси Y аналогично измеряется величина этого ускорения. При появлении ускорения вдоль оси Z обе инерционные массы перемещаются вместе с третьей объединяющей рамкой вдоль оси Z. При этом подвижные зубья емкостных преобразователей по осям X и Y сдвигаются относительно соответствующих им неподвижных зубьев. При этом изменяется первоначальные площади их взаимного перекрытия. Что приводит к изменению показаний в преобразователе по оси Y.
Таким образом, ускорение системы по оси Z влечет за собой возникновение ошибки в измерении ускорения по оси Y, что приводит уменьшению точности измерения по оси Y.
Недостатком ближайшего аналога также является низкая точность, вызванная наличием перекрестных связей между инерционными массами чувствительного элемента.
Технической задачей, вытекающей из уровня техники, является повышение точности чувствительного элемента.
Указанная техническая задача решается за счет того, что в заявляемой полезной модели чувствительный элемент трехосевого микромеханического акселерометра содержит выполненные на одной кремниевой пластине три инерционные массы, каждая из которых прикреплена к анкерам с помощью соответствующих упругих элементов таким образом, что упругие элементы допускают поступательное перемещение инерционной массы в направлении оси OZ, упругие элементы допускают поступательное перемещение инерционной массы в направлении оси OY, упругие элементы допускают поступательное перемещение инерционной массы в направлении оси ОХ. Каждая из инерционных масс крепится на упругих элементах и снабжена емкостными преобразователями перемещений.
Заявленное устройство работает следующим образом. При появлении ускорения вдоль оси ОХ внешняя инерционная масса в виде рамки перемещается вдоль оси ОХ, что приводит к изменению соответствующих зазоров емкостного преобразователя перемещений. Изменение емкости пропорционально величине действующего ускорения.
При появлении ускорения вдоль оси OY средняя инерционная масса в виде рамки перемещается вдоль оси OY, что приводит к изменению зазоров соответствующего емкостного преобразователя перемещений. Изменение емкости пропорционально величине действующего ускорения.
При появлении ускорения вдоль оси OZ центральная инерционная масса перемещается вдоль оси OZ, что приводит к изменению соответствующих зазоров емкостного преобразователя перемещений. Изменение емкости пропорционально величине действующего ускорения.
Вследствие того, что все инерционные массы механически развязаны, то отсутствует влияние перекрестных связей, а именно ускорение по оси ОХ не приводит к возникновению ошибки измерений по осям OY и OZ, ускорение по оси OY не приводит к возникновению ошибки измерений по осям ОХ и OZ, ускорение по оси OZ не приводит к возникновению ошибки измерений по осям ОХ и OY, что позволяет решить техническую задачу уменьшения массогабаритных характеристик заявленного устройства.
На фиг. 1 и фиг. 2 представлена принципиальная схема заявленного чувствительного элемента.
Чувствительный элемент трехосевого микромеханического акселерометра содержит выполненные на одной кремниевой пластине три инерционные массы 1, 2, 3, каждая из которых прикреплена к анкерам 4 с помощью соответствующих упругих элементов 5, 6, 7 таким образом, что упругие элементы 5 допускают поступательное перемещение инерционной массы 1 в направлении оси OZ, упругие элементы 6 допускают поступательное перемещение инерционной массы 2 в направлении оси OY, упругие элементы 7 допускают поступательное перемещение инерционной массы 3 в направлении оси ОХ. Каждая из инерционных масс 1,2,3 крепится на упругих элементах 5, 6, 7 и снабжена емкостными преобразователями перемещений 8, 9, 10.
Заявленное устройство работает следующим образом. При появлении ускорения вдоль оси ОХ инерционная масса 3 перемещается вдоль оси ОХ, что приводит к изменению зазоров емкостного преобразователя перемещений 10. Изменение емкости пропорционально величине действующего ускорения.
При появлении ускорения вдоль оси OY инерционная масса 2 перемещается вдоль оси OY, что приводит к изменению зазоров емкостного преобразователя перемещений 9. Изменение емкости пропорционально величине действующего ускорения.
При появлении ускорения вдоль оси OZ инерционная масса 1 перемещается вдоль оси OZ, что приводит к изменению зазоров емкостного преобразователя перемещений 8. Изменение емкости пропорционально величине действующего ускорения.
Вследствие того, что инерционные массы 1, 2, 3 механически развязаны, то отсутствует влияние перекрестных связей, а именно ускорение по оси ОХ не приводит к возникновению ошибки измерений по осям OY и OZ, ускорение по оси OY не приводит к возникновению ошибки измерений по осям ОХ и OZ, ускорение по оси OZ не приводит к возникновению ошибки измерений по осям ОХ и OY.
Таким образом, в заявленном устройстве решается поставленная задача повышения точности измерения линейного ускорения.