РЕЗОНАНСНЫЙ МИКРОМЕХАНИЧЕСКИЙ АКСЕЛЕРОМЕТР

Полезная модель относится к измерительной технике и может применяться в микромеханических датчиках линейных ускорений.
Известен микромеханический акселерометр 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, инерционную массу маятникова типа, резонатор, один конец которого соединен с основанием, а другой - с инерционной массой, упругие элементы с возможностью перемещения инерционной массы относительно основания в направлении измерительной оси [2].
Недостатком данного устройства является то, что резонатор имеет высокую связь с основанием. Защемление резонатора с одного конца - один конец соединен с основанием, имеет низкую механическую добротность, поскольку другой конец соединен с инерционной массой. Запасаемая в нем энергия упругих колебаний беспрепятственно уходит в основание. Таким образом, увеличение потери энергии резонатора уменьшает добротность, соответственно, уменьшает точность. Еще одним недостатком является нестабильность начальной частоты, так как защемление резонатора с одного конца имеет высокую связь с основанием. Упругие элементы расположены непосредственно вблизи закрепления инерционной массы к основанию. При этом возникающие контактные напряжения изменяют жесткость упругих элементов и упругие свойства самого резонатора, а это уменьшает точность измерения полезного сигнала.
Задачей, на решение которой направлено изобретение, является увеличение точности резонансного микромеханического акселерометра. Для достижения этого в резонансном микромеханическом акселерометре, содержащем основание, инерционную массу маятникова типа, резонатор, один конец которого соединен с инерционной массой маятникова типа, упругие элементы, сформированы два идентичных резонатора, электромеханический привод двух резонаторов, опорная плата, к которой одним концом закреплены резонаторы, упругие элементы с возможностью перемещения инерционной массы вдоль основания, причем опорная плата раздельно закреплена к основанию с внешней стороны инерционной массы и соединена с основанием через три опорные площадки, между местами закрепления резонаторов и опорными площадками сформированы упругодеформируемые балки, в местах закрепления резонаторов с инерционной массой сформирован плоский упругоподатливый элемент, прикрепленный к инерционной массе через упругую консоль, а электромеханический привод состоит из неподвижных электродов, закрепленных раздельно на основании, и подвижных электродов, сформированных на обоих резонаторах, с обеих сторон каждого резонатора, резонаторы сформированы симметрично относительно продольной оси инерционной массы в плоскости, параллельной основанию. Признаками, отличающими предложенный резонансный микромеханический акселерометр от известного является то, что сформированы два идентичных резонатора, электромеханический привод двух резонаторов, опорная плата, к которой одним концом закреплены резонаторы. Использование в качестве механической колебательной системы, которая имеет два резонатора, укрепленных на общем основании и колеблющихся синхронно в противофазе, позволяет повысить добротность резонаторов. В этом случае интерференция волн деформации в заделке приводит к консервации энергии в резонаторах, исключая ее утечку в элементы крепления. Сформированный электромеханический привод позволяет синхронно в противофазе колебаться двум идентичным резонаторам. Сформированы упругие элементы с возможностью перемещения инерционной массы вдоль основания, причем опорная плата раздельно закреплена к основанию с внешней стороны инерционной и соединена с основанием через три опорные площадки, между местами закрепления резонаторов и опорными площадками сформированы упругодеформируемые балки. Опорная плата и упругие элементы раздельно закреплены на основании. Таким образом, отсутствует взаимовлияние колеблющегося резонатора на упругие элементы. А это уменьшает нулевой сигнал, следовательно, увеличивает точность. В месте закрепления резонаторов на опорной плате между опорными площадками и резонаторами сформированы упругодеформируемые балки, преграждающие пути отвода колебательной энергии через закрепления к основанию. Это повышает добротность резонаторов, а следовательно точность. В местах закрепления резонаторов с инерционной массой сформирован плоский упругоподатливый элемент, прикрепленный к инерционной массе через упругую консоль. Это позволяет резонаторам свободно совершать крутильные колебания вокруг собственной оси и обеспечивает жесткую связь резонаторов с инерционной массой при ее перемещении вдоль основания. Такое закрепление резонаторов позволяет развязать резонаторы от инерционной массы, повысить добротность за счет консервации энергии колебаний резонаторов. Электромеханический привод состоит из неподвижных электродов, закрепленных раздельно на основании и подвижных электродов, сформированных на обоих резонаторах, с обеих сторон каждого резонатора. Сформированный таким образом электромеханический привод позволяет синхронно в противофазе возбуждать колебания обоих резонаторов. Резонаторы сформированы симметрично относительно продольной оси инерционной массы в плоскости, параллельной основанию. Симметричное расположение резонаторов позволяет исключить воздействие на них вредных внешних факторов, так как в измерительной схеме реализован дифференциальный принцип. То есть, при воздействии линейного ускорения у одного резонатора частота увеличивается, у другого уменьшается. Далее эти частоты вычитаются. А так как внешние факторы воздействуют на каждый резонатор, то эти вредные воздействия в итоге вычитаются. Таким образом, увеличивается точность.
Предложенный резонансный микромеханический акселерометр иллюстрируется чертежом фиг. 1,
где:
1, 2 - резонаторы.
3 - инерционная масса,
4 - внешняя рамка,
5 - упругие элементы,
электромеханический привод двух резонаторов, включающий
6 - боковые неподвижные электроды,
7 - подвижные электроды,
11 - центральный неподвижный электрод,
8 - опорная плата,
9 - опорные площадки,
10 - упругодеформируемые балки.
12 - основание,
13 - площадки крепления к основанию внешней рамки,
14 - упругоподатливый элемент,
15 - упругая консоль.
Резонансный микромеханический акселерометр содержит два резонатора 1, 2, закрепленных одним концом с инерционной массой 3 другим с опорной платой 8, упругие элементы 5, соединенные с внешней рамкой 4 и инерционной массой 3. Опорная плата 8 раздельно закреплена к основанию 12 с внешней стороны инерционной массы 3 и соединена с основанием 12 через три опорные площадки 9. Между местами закрепления резонаторов 1, 2 и опорными площадками 9 сформированы упругодеформируемые балки 10. В местах закрепления резонаторов 1, 2 с инерционной массой 3 сформирован плоский упругоподатливый элемент 13, прикрепленный к инерционной массе 3 через упругую консоль 15. Электромеханический привод состоит из боковых неподвижных электродов 6, закрепленных раздельно на основании 12, центрального неподвижного электрода 11 и подвижных электродов 7, сформированных на обоих резонаторах 1, 2, с обеих сторон каждого резонатора 1, 2. Внешняя рамка 4 закреплена на основании 12 через площадки крепления к основанию внешней рамки 13 раздельно от неподвижных электродов 6 и опорной платы 8. Резонансный микромеханический акселерометр работает следующим образом. Попеременно на боковые неподвижные электроды 6 и центральный неподвижный электрод 11 подается переменное или импульсное напряжение. Причем боковые неподвижные электроды 6 соединены гальванически. В результате этого происходит втягивание подвижных электродов 7, жестко связанных с резонаторами 1, 2 - возникают крутильные колебания резонаторов 1, 2, частота которых определяется частотой подаваемого напряжения на неподвижные электроды 6 и 11. При действии линейного ускорения вдоль оси X инерционная масса 3 отклоняются от своего нейтрального положения. Упругие элементы 5 изгибаются на определенный угол. Резонаторы 1, 2 связаны с инерционной массой 3 через плоский упругоподатливый элемент 13, прикрепленный к инерционной массе 3 через упругую консоль 15. Это позволяет резонаторам 1, 2 свободно совершать крутильные колебания вокруг собственной оси. При этом по оси X резонаторы 1, 2 жестко связаны с инерционной массой 3.Поэтому один из резонаторов 1, 2 растягивается, другой сжимается. В итоге резонансная частота обеих резонаторов 1, 2 изменяется. Разность этих частот пропорциональна изменению измеряемого ускорения. Колеблющиеся синхронно в противофазе резонаторы 1, 2 позволяют повысить добротность колебательной системы. В этом случае интерференция волн деформации в заделке приводит к консервации энергии в резонаторах 1, 2, исключая ее утечку в элементы крепления. Это повышает точность. Опорная плата 8 и упругие элементы 5 раздельно закреплены на основании 12. Упругие элементы 5 соединены с инерционной массой 3 и внешней рамкой 4, которая соединена с основанием 12 через площадки крепления к основанию внешней рамки 13. Опорная плата 8 соединена с основанием 12 через опорные площадки 9. Таким образом, отсутствует взаимовлияние колеблющегося резонаторов 1, 2 на упругие элементы 5. А это уменьшает нулевой сигнал, следовательно, увеличивает точность. В месте закрепления резонаторов 1, 2 на опорной плате 8 между опорными площадками 9 и резонаторами 1, 2 сформированы упругодеформируемые балки 10, преграждающие пути отвода колебательной энергии через закрепления к основанию 12. Это повышает добротность резонаторов 1, 2, а следовательно повышает точность. В местах закрепления резонаторов 1, 2 с инерционной массой 3 сформирован плоский упругоподатливый элемент 14, прикрепленный к инерционной массе 3 через упругую консоль 15. Это позволяет резонаторам 1, 2 свободно совершать крутильные колебания вокруг оси У. При этом по оси X резонаторы 1, 2 жестко связаны с инерционной массой 3. Такое закрепление резонаторов 1. 2 позволяет развязать резонаторы 1, 2 от инерционной массы 3, повысить добротность за счет консервации энергии колебаний резонаторов 1, 2. Это повышает точность. Резонаторы 1, 2 сформированы симметрично относительно продольной оси У инерционной массы 3 в плоскости параллельной основанию. Симметричное расположение резонаторов 1, 2 позволяет исключить воздействие на них вредных внешних факторов, так как в измерительной схеме реализован дифференциальный принцип. То есть, при воздействии линейного ускорения у одного из резонаторов 1, 2 частота увеличивается, у другого уменьшается. Далее эти частоты вычитаются. А так как внешние факторы воздействуют на каждый резонатор 1 и 2, то эти вредные воздействия в итоге вычитаются. Таким образом, увеличивается точность.
Источники информации:
1. Патент РФ №2251702
2. Патент РФ №2371728 (прототип).