МИКРОМЕХАНИЧЕСКИЙ АКСЕЛЕРОМЕТР

МИКРОМЕХАНИЧЕСКИЙ АКСЕЛЕРОМЕТР
Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для создания микромеханических датчиков линейного ускорения.
Известны микромеханические акселерометры (ММА) [1, 2, 3].
Известные ММА [1, 2] содержат корпус, чувствительный элемент, выполненный из монокристаллического кремния в виде электропроводящей инерционной массы, представляющей собой маятник, имеющий два плеча и подвешенный с помощью торсионов, и электрическую плату, представляющую собой диэлектрическую пластину с электродами. Его недостатком является пониженная точность, обусловленная различными температурными коэффициентами линейного расширения (далее ТКЛР) электрической платы и прикрепленной к ней с помощью корпуса торсионов и маятника.
Наиболее близким по своей технической сущности к заявляемому изобретению является ММА [3], содержащий маятник, имеющий два плеча и подвешенный с помощью крестообразных торсионов к корпусу, который закреплен на электрической плате, представляющей собой диэлектрическую пластину с электродами, причем маятниковый подвес (разбаланс) образован удалением части одного плеча маятника на внешней по отношению к электрической плате поверхности плеча.
Прототип по сравнению с аналогом имеет более высокие точностные характеристики вследствие симметричности конструкции маятника и электродов, но обладает тем же недостатком, что и аналог. У прототипа одна пара концов торсионов подсоединена к маятнику, а другая через корпус жестко соединена с основанием. Так как маятник и торсионы выполняются из кремния, а основание (обычно) из стекла ЛК-105, имеющее близкий, но не идентичный кремнию ТКЛР, то вследствие изменения температуры меняется их длина, что приводит к усилению или ослаблению натяжения торсионов, что в свою очередь приводит к изменению жесткости торсионов, приводящему к изменению крутизны преобразования и смещения нуля. Так как торсионы имеют сравнительно большую длину, то наибольший вклад в изменение крутизны преобразования и смещение нуля при изменении жесткости подвеса вносит различие ТКЛР между торсионами и основанием.
Более того, даже при использовании кремниевой пластины с диэлектрическим покрытием в виде двуокиси кремния вместо стекла имеет место быть разница в ТКЛР между чувствительным элементом и диэлектрической пластиной, которая так же влияет на уход характеристик, хотя и несколько меньше. Использование кремниевых пластин с диэлектрическим покрытием в виде двуокиси кремния приводит к внесению дополнительных паразитных емкостей и, как следствие, влиянию на точностные параметры, что ограничивает их использование, не смотря даже на меньшую разницу ТКЛР.
Задачей предлагаемого изобретения является повышение точности микромеханического акселерометра.
Для достижения поставленной задачи ММА, содержащий маятник, выполненный из монокристаллического кремния, имеющий два плеча и подвешенный с помощью крестообразных торсионов, и электрическую плату, представляющую собой диэлектрическую пластину с электродами, введено основание, соединенное с электрической платой, к которому с помощью торсионов крепится маятник, причем основание, торсионы и маятник выполнены из одной пластины монокристаллического кремния.
Поставленная цель достигается более эффективно, когда ось, проходящая через торсионы, пересекает вертикальную ось основания, которую так же пересекает одна из осей симметрии маятника.
Изобретение иллюстрируется графическими материалами, где изображено:
Фиг.1 - конструктивная схема ММА, где:
1 - маятник,
2 - плечи маятника,
3 - основание,
4 - диэлектрическая пластина,
5 - электроды. Фиг.2 - схема расположения осей симметрии некоторых элементов ММА.
ММА согласно изобретению содержит (фиг.1) маятник 1, имеющий два плеча, подвешенный с помощью двух крестообразных торсионов 2 к основанию 3, закрепленному на электрической плате, представляющую собой диэлектрическую пластину 4 с электродами 5, причем часть материала одного из плеч маятника удалена с внешней по отношению к электрической плате стороны плеча, а маятник, торсионы и основание выполнены из одной пластины монокристаллического кремния.
Кроме того, ось X, проходящая через торсионы, пересекает вертикальную ось Z основания, которую так же пересекает одна из осей симметрии Y маятника (фиг.2).
Благодаря тому, что электрическая плата соединена в одной точке с основанием, к которому подвешен маятник с помощью двух торсионов, а основание, торсионы и сам маятник выполнены из одной пластины монокристаллического кремния, все эти элементы имеют идентичный ТКЛР, а, следовательно, изменение температуры не сказывается на натяжении торсионов и, как следствие этого, их жесткость не меняется, в результате чего повышается точность ММА, а именно стабильность крутизны преобразования и смещения нуля.
Наибольший эффект достигается при совмещении оси симметрии маятника с осью, проходящий через торсионы подвеса, что обеспечивает симметричность элементов емкостной системы и приводит к симметрированию «паразитных» емкостей, в результате чего снижается влияние «паразитных» емкостей на стабильность крутизны преобразования и смещения нуля.
Источники информации:
1. Захаров Н.П., Багдасарян А.В. Механические явления в интегральных структурах. - М.: Радио и связь, 1992. - С.72-75.
2. В.М.Ачильдиев Бесплатформенные инерциальные блоки на основе микромеханических датчиков угловой скорости и линейного ускорения:
монография. - М.:ГОУ ВПО МГУЛ, 2007. С.30,31.
3. Патент РФ 2251702 - прототип.