МИКРОМЕХАНИЧЕСКИЙ АКСЕЛЕРОМЕТР

Предлагаемое изобретение относится к области измерительной техники, а более конкретно к измерительным элементам линейного ускорения.
Известен микромеханический акселерометр [Распопов В.Я., Микромеханические приборы: учебное пособие. - М.: Машиностроение, 2007, стр.26, рис.1.4], содержащий основание (подложку) из диэлектрического материала, четыре анкера (опорных элемента) расположенные с противоположных сторон и закрепленные неподвижно на основании, инерционную массу, выполненную в виде прямоугольной пластины, расположенную с зазором относительно основания и связанную с анкерами через четыре упругих элемента подвеса, расположенных по краям инерционной массы, емкостной измеритель перемещений, образованный гребневыми структурами электродов (штырей), из которых подвижные электроды (подвижные штыри) образуют единую структуру с инерционной массой и расположены по обе стороны от нее, а неподвижные электроды (неподвижные штыри) жестко закреплены к основанию и расположены по обе стороны от инерционной массы.
Данный акселерометр позволяет измерять ускорение в направлении оси чувствительности, расположенной в плоскости подложки.
Известен микроэлектромеханический акселерометр [заявка №WO9428427, опубл. 08.12.1994], содержащий подложку, выполненную в виде прямоугольной пластины, четыре опорных элемента, расположенных по краям подложки, осевую балку (инерционную массу), расположенную с зазором относительно подложки, связанную с опорными элементами через пружины (упругие элементы) и емкостную систему измерения перемещения осевой балки, содержащую штыри, закрепленные к осевой балке, расходящиеся в поперечном направлении и штыри, закрепленные к основанию, расположенные с зазором относительно штырей закрепленных к осевой балке.
Данный акселерометр позволяет измерять ускорение в направлении оси чувствительности, расположенной в плоскости подложки.
Из известных, наиболее близким по технической сущности к заявляемому объекту является микромеханический акселерометр [Распопов В.Я., Микромеханические приборы: учебное пособие. - М.:
Машиностроение, 2007.-400 стр., стр.26, рис.1.10], содержащий подложку, выполненную из диэлектрического материала, два опорных элемента (анкера), закрепленных неподвижно на подложке, инерционную массу, выполненную в виде стержня, расположенную с зазором относительно подложки связанную с опорными элементами через четыре сквозных упругих элемента подвеса и емкостную систему измерения перемещения инерционной массы, содержащую подвижные штыри (подвижные пластины), закрепленные к инерционной массе и неподвижные штыри (неподвижные пластины) закрепленные на подложке, расположенные с зазором относительно подвижных штырей.
При движении подложки с линейным ускорением вдоль оси чувствительности на инерционную массу будут действовать силы инерции, которые вызовут перемещение инерционной массы, что вызовет изменение величины зазора и емкости между подвижным и неподвижными штырями емкостной системы измерения перемещения инерционной массы. По величине изменения емкости системы измерения перемещения инерционной массы можно судить о действующем ускорении.
Данный акселерометр так же как предыдущие аналоги позволяет измерять ускорение в направлении оси чувствительности, расположенной в плоскости подложки.
Общими недостатками рассмотренных аналогов является:
- отсутствие элементов развязки мест крепления упругих элементов от подложки, что приводит при изменении температуры к возникновению напряжений в упругом подвесе и уменьшению точности измерения линейного ускорения;
- отсутствие элементов предотвращающих замыкание элементов емкостной системы измерения перемещения инерционной массы вдоль оси чувствительности, что ведет к уменьшению надежности работы микромеханического акселерометра при действии ударов и вибрации большой интенсивности.
Задача предлагаемого изобретения - увеличение точности измерения линейного ускорения и увеличение надежности работы микромеханического акселерометра в условиях действия ударов и вибрации большой интенсивности.
Технический результат, достигнутый при осуществлении предлагаемого изобретения, заключается:
- в развязке мест крепления упругого подвеса от подложки;
- в предотвращении замыкания элементов емкостной системы измерения перемещения инерционной массы вдоль оси чувствительности.
Для увеличения точности измерения линейного ускорения в микромеханический акселерометр, содержащий подложку, выполненную из диэлектрического материала, два опорных элемента, инерционную массу, расположенную с зазором относительно подложки и выполненную в виде стержня, четыре упругих элемента, закрепленных с одной стороны к инерционной массе, и емкостную систему измерения перемещения инерционной массы, содержащую подвижные штыри, закрепленные к инерционной массе, и неподвижные штыри, закрепленные к основанию, расположенные с зазором относительно подвижных штырей закрепленных к инерционной массе, согласно изобретению дополнительно введена рама, расположенная с зазором относительно подложки, внутри которой размещается инерционная масса и упругие элементы, причем упругие элементы закреплены со второй стороны к раме, а рама крепится к опорным элементам.
Для увеличения надежности работы в условиях действия ударов и вибрации большой интенсивности в устройство микромеханического акселерометра дополнительно введены упоры, ограничивающие перемещения инерционной массы вдоль оси чувствительности.
Введение в конструкцию предлагаемого акселерометра рамы, закрепленной на опорных элементах и расположенной с зазором относительно подложки, внутри которой размещается инерционная масса и упругие элементы, причем упругие элементы закреплены со второй стороны к раме, обеспечивает развязку мест крепления упругого подвеса от подложки, а, следовательно, уменьшаются напряжения вносимые в упругий подвес при изменении температуры, тем самым уменьшается температурная погрешность акселерометра и увеличивается точность измерения линейного ускорения. Введение в конструкцию упоров, которые ограничивают перемещения инерционной массы вдоль оси чувствительности, предотвращают замыкание элементов емкостной системы измерения перемещения инерционной массы вдоль оси чувствительности, следовательно, увеличивается надежность работы микромеханического акселерометра в условиях действия ударов и вибрации большой интенсивности.
Наличие в заявляемом изобретении признаков, отличающих его от прототипа, позволяет считать его соответствующим условию «новизна».
Новые признаки, которые содержит отличительная часть формулы изобретения, не выявлены в технических решениях аналогичного назначения. На этом основании можно сделать вывод о соответствии заявляемого изобретения условию «изобретательский уровень».
Изобретение иллюстрируется чертежами.
На фиг.1 представлена конструкция предлагаемого микромеханического акселерометра.
На фиг.2 представлен разрез А-А на фиг.1 микромеханического акселерометра.
На фиг.3 представлен разрез Б-Б на фиг.1 микромеханического акселерометра.
Микромеханический акселерометр (фиг.1, 2, 3) содержит подложку 1, выполненную из диэлектрического материала, раму 2, расположенную с зазором относительно подложки и закрепленную на опорных элементах 3. Внутри рамы 2 расположена инерционная масса 4, выполненная в виде стержня, расположенная с зазором относительно подложки 1. Инерционная масса 4 связана с рамой 2 через четыре упругих элемента 5. К инерционной массе 4 закреплены подвижные штыри 6 емкостной системы регистрации перемещения инерционной массы. Неподвижные штыри 7 емкостной системы регистрации перемещений инерционной массы расположены с зазором относительно подвижных штырей 6 и крепятся к выступам 8 подложки 1. Подвижные штыри 6 и неподвижные штыри 7 образуют два конденсатора. На инерционной массе 4 и раме 2, друг напротив друга, по направлению движения инерционной массы 4 выполнены упоры 9 и 10 соответственно, ограничивающие перемещение инерционной массы вдоль оси чувствительности.
Работает устройство следующим образом.
При движении подложки 1 с линейным ускорением вдоль оси Х на инерционную массу 4 действуют силы инерции, которые вызывают ее перемещение, что в свою очередь вызовет изменение зазора между подвижными штырями 6 и неподвижными штырями 7 емкостной системы измерения перемещений инерционной массы. Измеряя изменение емкости между подвижными штырями 6 и неподвижными штырями 7 можно судить о действующем линейном ускорении.
Крепление упругих элементов 5 к раме 2, которая в свою очередь крепится к подложке 1 с помощью опорных элементов 3, обеспечивает развязку мест крепления упругих элементов 5 от подложки 1, что уменьшает напряжения на упругие элементы 5 и увеличивает точность измерения линейного ускорения.
При действии ударов и вибрации большой интенсивности упоры 9 ограничат перемещение инерционной массы 4 в направлении оси X, что предотвращает замыкание подвижных штырей 6 и неподвижных штырей 7 емкостной системы измерения перемещений инерционной массы, что обеспечивает увеличение надежности работы микромеханического акселерометра.
Таким образом, предлагаемое устройство представляет собой микромеханический акселерометр, позволяющий измерять величину действующего линейного ускорения в направлении оси Х и по сравнению с аналогами обеспечивает повышение точности измерения линейного ускорения за счет уменьшения температурной погрешности. Введение в конструкцию упоров увеличивает надежность работы акселерометра в условиях действия ударов и вибрации большой интенсивности.
Представленные данные свидетельствуют о выполнении при использовании заявляемого изобретения следующей совокупности условий:
- средство, воплощающее заявленное изобретение при его осуществлении, предназначено для использования в промышленности, а именно в измерительной технике для измерений линейного ускорения;
- для заявленного устройства в том виде, в котором оно охарактеризовано в независимом пункте формулы изобретения, подтверждена возможность его осуществления;
- средство, воплощающее заявленное изобретение при его осуществлении способно обеспечить повышение точности измерения линейного ускорения и надежность работы.
Следовательно, заявляемое изобретение соответствует условию "промышленная применимость".