МИКРОМЕХАНИЧЕСКИЙ ОСЕВОЙ АКСЕЛЕРОМЕТР

Полезная модель относится к измерительной технике, в частности, к области приборостроения, и может найти применение в инерциальных системах подвижных объектов, в автопилотах авиа- и судомоделей, в системах безопасности транспортных средств.
Особенностью микромеханических акселерометров является преимущественное изготовление чувствительных элементов этих устройств из материалов на основе кремниевой технологии, что определяет: малые габариты и вес акселерометра, возможность применения групповой технологии изготовления и, следовательно, дешевизну изготовления при массовом производстве, высокую надежность в эксплуатации.
Известен микромеханический осевой акселерометр [Распопов В.Я. Микромеханические приборы, М., “Машиностроение”, 2007 г., с.22, рис.1.4], содержащий корпус, инерционную массу, упругий подвес, датчик выходного сигнала и анкеры.
Недостатком подобного устройства является невысокая точность, в частности, из-за температурного дрейфа основных параметров устройства.
Наиболее близким по своей технической сущности к предлагаемому устройству является микромеханический осевой акселерометр [Свидетельство на полезную модель РФ №30999 “Микромеханический акселерометр”. Заявка №2002120743 от 24.07.2002 г.], содержащий корпус, инерционную массу, выполненную в виде пластины из кремния, расположенную с зазором относительно корпуса и связанную с ним через упругие перемычки, образующие упругий подвес, обеспечивающий перемещение инерционной массы вдоль оси, лежащей в плоскости инерционной массы, электронную схему обработки сигналов, датчик выходного сигнала, электростатический датчик силы и анкеры.
Недостатком данного технического решения является невысокая точность из-за температурного дрейфа основных параметров устройства.
Задачей полезной модели, как технического решения, является повышение точности работы устройства при изменении температуры окружающей среды.
Технический результат получен за счет того, что в микромеханическом осевом акселерометре, содержащем корпус, выполненный в виде платы из диэлектрического материала с расположенными на ней неподвижными электродами гребенчатого электростатического датчика силы и датчика выходного сигнала, инерционную массу, выполненную в виде пластины из кремния, расположенную с зазором относительно корпуса и связанную с ним через упругие перемычки, образующие упругий подвес, обеспечивающий перемещение инерционной массы вдоль первой оси, лежащей в плоскости инерционной массы, электронную схему обработки сигналов, датчик выходного сигнала, электростатический датчик силы и анкер, в центре инерционной массы может быть выполнена сквозная прорезь прямоугольной формы, внутри которой может быть размещен прямоугольный центральный анкер, боковые стороны которого параллельны второй оси прямоугольной системы координат с началом в центре устройства. Упругий подвес может быть выполнен в виде четырех идентичных петлеобразных упругих перемычек, размещенных внутри четырех сквозных прорезей, выполненных в инерционной массе и расположенных по обе стороны центрального анкера. Один конец каждой из перемычек может быть связан с инерционной массой, а другой конец может быть закреплен на центральном анкере.
При выполнении сквозной прорези в центре инерционной массы и размещении в ней центрального анкера достигается повышение точности при изменении температуры окружающей среды.
На чертеже представлена конструктивная схема микромеханического осевого акселерометра.
Акселерометр содержит корпус 1, выполненный в виде платы из диэлектрического материала, инерционную массу 2, выполненную в виде пластины из кремния, расположенную с зазором относительно корпуса 1 и связанную с ним через упругие идентичные петлеобразные перемычки 3, образующие упругий подвес. Инерционная масса 2 может перемещаться вдоль первой оси OX, лежащей в ее плоскости. Датчик выходного сигнала 4 имеет гребенчатую структуру. Неподвижные электроды датчика 4 закреплены на корпусе 1, а подвижные электроды расположены на инерционной массе 2. Датчик силы 5 содержит подвижные электроды, расположенные на инерционной массе 2. Неподвижные электроды скреплены с корпусом 1. В центре инерционной массы 2 выполнена сквозная прорезь 6 прямоугольной формы, внутри которой может быть размещен прямоугольный центральный анкер 7. Кроме этого, в инерционной массе 2 выполнены четыре идентичные петлеобразные прорези 8, внутри которых размещены четыре идентичные петлеобразные упругие перемычки 3. Один конец каждой из перемычек 3 скреплен с инерционной массой 2, а другой конец закреплен на центральном анкере 7.
Предложенное устройство работает следующим образом. При действии линейного ускорения в направлении оси чувствительности ОХ инерционная масса 2 отклоняется от своего исходного положения. При этом изменяются емкости между подвижными и неподвижными электродами датчика выходного сигнала 4. Сигнал, снимаемый с датчика 4, преобразуется электронной схемой обработки сигналов и поступает на вход электростатического датчика силы 5. Возникающая сила стремится возвратить инерционную массу 2 в исходное установившееся положение. В установившемся состоянии сила инерции, действующая на инерционную массу 2, уравновешивается электростатической силой датчика силы 5. Напряжение на выходе электронной схемы обработки сигналов является выходным сигналом микромеханического осевого акселерометра.
Точность преобразования действующего ускорения в электрический сигнал определяется величинами смещения нуля, погрешностью полной шкалы, а также температурным дрейфом этих параметров. Погрешности акселерометра, обусловленные изменением температуры, зависят также от геометрических размеров и формы отдельных элементов, от их взаимного расположения и связей между ними. Как показали экспериментальные исследования, введение центрального анкера 7 и расположение его связей с инерционной массой 2 позволяет уменьшить температурный дрейф основных параметров заявленного устройства по меньшей мере в два раза.
Таким образом, заявленный микромеханический осевой акселерометр позволяет уменьшить погрешности, обусловленные изменением температуры окружающей среды, и тем самым повысить точность его работы.