ЧАСТОТНЫЙ ДАТЧИК ЛИНЕЙНЫХ УСКОРЕНИЙ

Полезная модель относится к измерительной технике и может применяться в микромеханических датчиках линейных ускорений.
Известен датчик линейных ускорений содержащий корпус, чувствительный элемент, выполненный из монокристаллического кремния в виде электропроводящей инерционной массы, представляющей собой маятник, имеющий два плеча и подвешенный с помощью торсионов, емкостную систему съема перемещений инерционной массы [1].
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.
Известен резонансный микромеханический акселерометр, содержащий основание, два кристалла каждый из которых содержит по две инерционные массы маятникового типа и одному резонатору, соединенному с инерционными массами, упругие элементы с возможностью перемещения инерционной массы относительно основания в направлении измерительной оси [2].
Недостатком данного устройства является то, что резонаторы имеет определенную связь с основанием, и как следствие потери механической энергии. Увеличение потери энергии резонатора уменьшает добротность, соответственно, уменьшает точность. Другим недостатком является нестабильность начальной частоты, так как добротность одного резонатора, связывающего две инерционные не высокая. Вследствие воздействия на резонатор вредных факторов начальная частота изменяется, а это уменьшает точность.
Задачей, на решение которой направлена полезная модель, является увеличение точности частотного датчика линейных ускорений. Для достижения этого в частотном датчике линейных ускорений, содержащем основание, два кристалла, состоящих из двух инерционных масс маятникового типа и резонатора, соединенного с инерционными массами, внешней рамки, упругие элементы, площадки крепления к основанию, на каждом кристалле в плоскостях инерционных масс маятникового типа сформированы два резонатора, причем симметрично относительно продольной и поперечной осей каждого кристалла и инерционных масс маятникового типа, внешняя рамка выполнена с переменным по длине сечением и симметрична относительно поперечной и продольной осей кристалла, причем меньшее сечение внешней рамки сформировано от поперечной оси кристалла до поперечной оси каждого маятника, а большее сечение внешней рамки сформировано с другой стороны поперечной оси каждого маятника, в местах сопряжения упругих элементов и внешней рамки сформированы П-образные изгибы, расположенные между сопрягающимися упругими элементами двух маятников с внешней рамкой, сформирована дополнительная каркасная рамка, соединенная с внешней рамкой двумя перемычками, расположенными по продольной оси симметрии кристалла, по одной перемычке по каждой стороне рамок, и соединенная с основанием через две площадки крепления, расположенные на поперечной оси кристалла, а в местах закрепления резонаторов с маятниками сформированы Т-образные узкие сквозные прорези, а с боковых сторон Т-образной прорези дополнительно сформированы узкие сквозные щели. Признаками, отличающими предложенный частотный датчик линейных ускорений от известного, является то, что на каждом кристалле в плоскостях инерционных масс маятникового типа сформированы два резонатора, причем симметрично относительно продольной и поперечной осей каждого кристалла и инерционных масс маятникового типа. Резонаторы сформированы так, что могут совершать противофазные колебания. Таким образом, механическая колебательная система, которая имеет два резонатора, укрепленных на общем основании и колеблющихся синхронно в противофазе, позволяет повысить добротность. Здесь общее основание это плоскости маятников и интерференция волн деформации в заделке приводит к консервации энергии в резонаторах, исключая ее утечку в элементы крепления. Внешняя рамка выполнена переменной по длине сечением и симметрична относительно поперечной и продольной осей кристалла, причем меньшее сечение внешней рамки сформировано от поперечной оси кристалла до поперечной оси каждого маятника, а большее сечение внешней рамки сформировано с другой стороны поперечной оси каждого маятника, в местах сопряжения упругих элементов и внешней рамки сформированы П-образные изгибы, расположенные между сопрягающимися упругими элементами двух маятников с внешней рамкой. Такая конфигурация внешней рамки позволяет оптимально сформировать упругие элементы маятников и свести к минимуму влияние колебательной энергии, передающийся от мест заделки резонаторов на маятниках через упругие элементы на внешнюю рамку и тем самым уменьшать взаимное влияние. Другим положительным эффектом является то, что при воздействии рабочих температур уменьшается влияние упругой деформации внешней рамки на упругие элементы. Повышению добротности колебательной системы способствует то, что частотный датчик линейных ускорений имеет дополнительную каркасную рамку с расположенными на ней площадками крепления с основанием, сформированными на поперечной ее оси. Количество и расположение площадок крепления таково, чтобы обеспечить минимальную трудоемкость балансировки с минимальной потерей добротности. При этом расположение перемычек играет важную роль, т.к. обеспечивает распределение деформации на каркасной рамке таким образом, чтобы свести к нулю их на площадках закрепления, в отличие от прототипа, где максимальную добротность невозможно обеспечить существующими методами балансировки. Учитывая, что потери энергии данной колебательной системой определяются работой деформационных сил в точке закрепления, которые, как показал анализ при помощи программы ANSIS, близки нулю, т.к. равны нулю деформации и напряжения, то добротность предложенной конструкции является достаточно высокой по сравнению с прототипом, что естественно повышает и точность измерения. В местах закрепления резонаторов с маятниками сформированы Т-образные узкие сквозные прорези, а с боковых сторон Т-образной прорези дополнительно сформированы узкие сквозные щели. Это уменьшает передачу колебательной энергии на плоскость маятников, и преграждают пути отвода колебательной энергии через закрепления к основанию. Это повышает добротность резонаторов, а следовательно точность. Предложенный частотный датчик линейных ускорений иллюстрируется чертежами фиг. 1, фиг. 2. На фиг. 1 изображен кристалл частотного датчика линейных ускорений, где:
1, 2 - маятники.
3, 4 - резонаторы,
5 - внешняя рамка,
6 - дополнительная каркасная рамка,
7 - перемычка,
8 - площадка крепления,
9 - П-образный изгиб,
10 - упругий элемент,
11 - узкие сквозные щели,
12 - Т-образные узкие сквозные прорези.
На фиг. 2 изображен частотный датчик линейных ускорений в сборе, где:
13 - постоянные магниты,
14 - стеклянные подложки,
15 - магнитопроводы.
Частотный датчик линейных ускорений содержит основание - стеклянные подложки 14, закрепленные на них два кристалла при помощи площадок крепления 8, расположенных на дополнительной каркасной рамке 6. С внешней рамкой 5 через упругие элементы 10 соединены маятники 1, 2, в которых сформированы по два резонатора 3, 4. В местах закрепления резонаторов 3, 4 с маятниками 1, 2 сформированы Т-образные узкие сквозные прорези 12, а с боковых сторон Т-образной прорези дополнительно сформированы узкие сквозные щели 11. Внешняя рамка 5 выполнена переменной по длине сечением и симметрична относительно поперечной и продольной осей кристалла, причем меньшее сечение внешней рамки 5 сформировано от поперечной оси кристалла до поперечной оси каждого маятника 1 и 2, а большее сечение внешней рамки 5 сформировано с другой стороны поперечной оси каждого маятника 1, 2. В местах сопряжения упругих элементов 10 и внешней рамки 5 сформированы П-образные изгибы 9, расположенные между сопрягающимися упругими элементами 10 двух маятников 1 и 2 с внешней рамкой 5. Сформированная дополнительная каркасная рамка 6 соединена с внешней рамкой 5 двумя перемычками 7, расположенными по продольной оси симметрии кристалла, по одной перемычки по каждой стороне рамок 5 и 6. Схема возбуждения резонаторов 3, 4 включает нанесенными на внешней стороне кристалла токоведущими дорожками системы возбуждения колебаний и съема информации (не показано), находящимися в воздушном зазоре магнитной системы. Магнитная система представлена постоянными магнитами 13 и магнитопроводами 15.
Частотный датчик линейных ускорений работает следующим образом. При подаче переменного тока на токоведущие дорожки системы возбуждения колебаний и съема информации от взаимодействия с магнитным полем, создаваемым магнитной системой, состоящей из постоянных магнитов 13, магитопроводов 15, возникает сила, приводящая к синхронному противофазному колебанию резонаторов 3 и 4. В местах закрепления резонаторов 3, 4 с маятниками 1, 2 сформированы Т-образные узкие сквозные прорези 12, а с боковых сторон Т-образной прорези дополнительно сформированы узкие сквозные щели 11, которые препятствует потери энергии резонатора, уменьшает его связь с основанием, которое представлено здесь стеклянными подложками 14. При действии линейного ускорения вдоль оси X маятники 1, 2 отклоняются от своего нейтрального положения. Упругие элементы 10 маятников 1, 2 закручиваются на определенный угол. Резонаторы 3, 4 жестко связаны с обоими маятниками 1, 2, находящимися на внешней стороне маятников 1, 2 каждого кристалла. Поэтому одна пара резонаторов 3, 4 одного из кристаллов растягивается, а другая - сжимается. В итоге резонансная частота обеих пар резонаторов 3, 4 изменяется. Причем у одного увеличивается, а у другого уменьшается. Разность этих частот пропорциональна изменению измеряемого ускорения. Выполнение внешней рамки 5 выполненной переменной по длине сечением позволяет оптимально закрепить кристалл на основании. Площадки крепления 8 сформированы на дополнительной каркасной рамке 6 соединенной с внешней рамкой 5 двумя перемычками 7, расположенными по продольной оси симметрии кристалла, по одной перемычки по каждой стороне рамок 5 и 6. Это повышает добротность колебательной системы, следовательно, повышает точность. Количество и расположение площадок крепления 8 таково, чтобы обеспечить минимальную трудоемкость балансировки с минимальной потерей добротности. При этом расположение перемычек 7 играет важную роль, т.к. обеспечивает распределение деформации на каркасной рамке 6 таким образом, чтобы свести к нулю их на площадках крейления 8, в отличие от прототипа, где максимальную добротность невозможно обеспечить существующими методами балансировки. Учитывая, что потери энергии данной колебательной системой определяются работой деформационных сил в точке закрепления(соединение площадок крепления 8 к основанию т.е. к стеклянным подложкам 14), которые близки нулю, т.к. равны нулю деформации и напряжения, то добротность предложенной конструкции является достаточно высокой по сравнению с прототипом, что естественно повышает и точность измерения. Внешняя рамка 5 выполнена переменной по длине сечением и симметрична относительно поперечной и продольной осей кристалла, причем меньшее сечение внешней рамки 5 сформировано от поперечной оси кристалла до поперечной оси каждого маятника 1 и 2, а большее сечение внешней рамки 5 сформировано с другой стороны поперечной оси каждого маятника 1, 2. В местах сопряжения упругих элементов 10 и внешней рамки 5 сформированы П-образные изгибы 9, расположенные между сопрягающимися упругими элементами 10 двух маятников 1 и 2 с внешней рамкой 5. Такая конфигурация выполнения внешней рамки 5 позволяет снизить влияние остаточных деформаций после соединения кристалла с основанием 10, например методом анодной посадки, что уменьшает нулевой сигнал и следовательно увеличивает точность, а также снизить воздействие рабочих температур, стремящихся растянуть/сжать внешнюю рамку 5, тем самым снизить воздействие температурных деформаций на упругие элементы 7, что увеличивает точность.
Источники информации:
1. Патент РФ №124791
2. Патент РФ №142011 - прототип.