ЧУВСТВИТЕЛЬНЫЙ ЭЛЕМЕНТ ИНТЕГРАЛЬНОГО АКСЕЛЕРОМЕТРА
INTEGRAL ACCELEROMETER SENSITIVE ELEMENT

Изобретение относится к измерительной технике и может применяться в интегральных акселерометрах.
Известен чувствительный элемент емкостного акселерометра, который содержит подвижную пластину с планарными выступами и вертикальными выступами, выполненными из проводящего материала. Планарные выступы соединены с концами проводящих упругих ленточных растяжек, противоположные концы которых соединены с проводящей несущей рамкой. На поверхности пластин выполнены тонкопленочные неподвижные электроды и охватывающие их по периметру с зазором полосковые тонкопленочные экраны, расположенные с зазором над выступами. Внешние выводы экранов соединены с несущей рамкой. Электроды и экраны отделены диэлектрическим материалом пластин от тонкопленочных экранирующих электродов, соединенных между собой. Диэлектрические пластины выполнены из стекла [1].
Недостатком такого чувствительного элемента является высокая погрешность измерения, обусловленная соединением несущей рамки и диэлектрических пластин по всему периметру несущей рамки, что увеличивает площадь соединения и приводит к значительным механическим напряжениям в местах соединения несущей рамки и диэлектрических пластин. Механические напряжения передаются на упругие ленточные растяжки, что вызывает их деформацию. В свою очередь, деформация упругих ленточных растяжек приводит к отклонению подвижной пластины относительно неподвижных в отсутствии внешних воздействий измеряемой величины, что увеличивает погрешность измерения.
Кроме того, несимметричность конструкции чувствительного элемента (сдвиг диэлектрических пластин друг относительно друга) требует прецизионной оснастки для сборки чувствительного элемента, предусматривающей возможность соединения подвижной пластины с диэлектрическими пластинами с определенным смещением, что увеличивает сложность изготовления оснастки, требует контроля величины данного смещения.
Известен также чувствительный элемент интегрального акселерометра, содержащий первую пластину, в которой образованы соединенные упругим шарниром неподвижная часть и подвижная часть с электропроводными поверхностями, дифференциальный емкостный преобразователь положения с неподвижными электродами на второй и третьей пластинах. На второй пластине выполнены первый и второй неподвижные электроды. На третьей пластине выполнены третий и четвертый неподвижные электроды. Одна часть дифференциального емкостного преобразователя положения образована первым и вторым неподвижными электродами и одной электропроводной поверхностью подвижной части, другая часть образована третьим и четвертым неподвижными электродами и второй электропроводной поверхностью подвижной части [2].
Недостатками такого чувствительного элемента являются низкие метрологические характеристики, обусловленные необходимостью использования прокладок для создания зазора между первой и второй пластиной, между первой и третьей пластиной. Увеличение количества деталей при сборке чувствительного элемента приводит к увеличению температурных напряжений в местах соединения пластин с прокладками, которые передаются на упругие перемычки, что ведет к увеличению погрешности измерений.
Кроме того, увеличение количества деталей при сборке чувствительного элемента приводит к увеличению времени сборки.
Наиболее близким аналогом, принятым за прототип, является чувствительный элемент интегрального акселерометра [3]. Чувствительный элемент выполнен из проводящего монокристаллического кремния и содержит маятник, соединенный с помощью упругих подвесов с каркасной рамкой, которая через неподвижную обкладку с помощью консольной балки соединена с несущей рамкой. Несущая рамка площадками крепления жестко соединена с основанием акселерометра.
Недостатками данного чувствительного элемента являются низкие метрологические характеристики, обусловленные необходимостью выполнения несущей рамки и, как следствие, сложностью точного совмещения деталей - каркасной рамки с упругими подвесами и маятником, неподвижных обкладок, несущей рамки с консольной балкой, что требует сложной оснастки для сборки чувствительного элемента. Рассовмещение неподвижных обкладок и каркасной рамки относительно несущей рамки будет приводить к неточной установке чувствительного элемента на неподвижное основание акселерометра, что может вызвать прогиб упругих подвесов в отсутствие измеряемого ускорения и появление погрешности при проведении измерений.
При сборке интегрального акселерометра необходимо провести соединение деталей - маятника, соединенного упругими подвесами с каркасной рамкой, и обкладок в монолитную конструкцию. Известно, что детали чувствительных элементов акселерометров имеют малые габариты и массу, отличаются прецизионностью выполнения размеров [4]. Рассовмещение деталей при сборке приводит к начальному разбалансу емкостей дифференциального конденсатора чувствительного элемента, что в дальнейшем ведет к сложности настройки прибора и погрешности измерения ускорения.
Сборка чувствительных элементов интегральных акселерометров требует большой точности совмещения деталей и прецизионной технологической оснастки.
Задачей, на решение которой направлено данное изобретение, является повышение метрологических характеристик путем усовершенствования конструкции чувствительного элемента интегрального акселерометра.
Поставленная задача достигается за счет того, что чувствительный элемент интегрального акселерометра, содержащий кремниевый проводящий маятник, соединенный упругими подвесами с каркасной рамкой, обкладки, соединенные с каркасной рамкой через площадки, расположенные на рамке, согласно предлагаемому изобретению на обкладках выполнены выемки, причем геометрический центр выемок совпадает с геометрическим центром площадок, расположенных в местах соединения маятника с обкладками, при этом высота площадок больше емкостного зазора и обусловлена диапазоном измерения.
Кроме того, в соответствии с заявляемым изобретением геометрические размеры верхнего основания площадок составляют a×b,
где a, b - длина и ширина верхнего основания площадок, геометрические размеры нижнего основания выемок определяются как:
(a+Δ)×(b+Δ),
где Δ - технологический допуск на изготовление деталей, величина Δ находится в пределах (5…10) мкм.
Изобретение также предусматривает, что на поверхностях выемок и площадок сформированы последовательно слои диэлектрика и металла для улучшения качества соединения.
Кроме того, обкладки выполнены из материала, аналогичного материалу маятника - монокристаллического кремния.
При этом высота площадок больше емкостного зазора, образованного поверхностью маятника и поверхностью металлизации, нанесенной на обкладки, и позволяет регулировать величину зазора и соответственно величину диапазона измерения.
На поверхностях выемок и площадок сформированы последовательно слои диэлектрика и металла для улучшения качества соединения.
В одном частном случае исполнения чувствительного элемента интегрального акселерометра обкладки выполнены из материала, аналогичного материалу маятника - монокристаллического кремния.
При сборке чувствительного элемента необходимо привести в тесное соприкосновение детали - маятник, подвешенный с помощью упругих подвесов на каркасной рамке, и обкладки. При этом площадки, расположенные на каркасной рамке, заходят в выемки, расположенные на обкладках.
Геометрические размеры верхнего основания площадок составляют
a×b,
где a, b - длина, ширина верхнего основания площадок соответственно. Геометрические размеры нижнего основания выемок определяются как:
(a+Δ)×(b+Δ),
где Δ - технологический допуск на изготовление деталей, величина Δ находится в пределах (5…10) мкм.
Соединение каркасной рамки и обкладок посредством площадок и выемок исключает люфт деталей при дальнейших операциях соединения. При этом выемки служат знаками совмещения при соединении деталей, что упрощает технологическую оснастку для сборки чувствительного элемента.
Слои диэлектрика и металла служат для улучшения адгезии при соединении деталей.
Предлагаемый чувствительный элемент интегрального акселерометра иллюстрируется фиг.1 и фиг.2.
На фиг.1 изображена конструкция чувствительного элемента в сборе, где: 1 - каркасная рамка, 2 - упругие подвесы; 3 - маятник, 4 - обкладки, 5 - емкостный зазор, 6 - площадки соединения, 7 - выемки.
На фиг.2 изображены: площадки крепления 6 и выемки 7 со сформированными слоями диэлектрика 10 и металла 11, верхнее основание 8 площадок 6, нижнее основание 9 выемок 7.
На каркасной рамке 1 с помощью упругих подвесов 2 подвешен маятник 3. На каркасной рамке 1 размещены площадки 6 для соединения с обкладками 4, на которых выполнены выемки 7 в местах соединения с площадками 6. На площадки 6 последовательно нанесены слои диэлектрика (диоксид кремния) 10 и металла 11. На поверхности выемок 7 также последовательно нанесены слои диэлектрика 10 и металла 11, которые служат для качественного соединения каркасной рамки 1 и обкладок 4 в процессе сборки чувствительного элемента интегрального акселерометра.
Дифференциальный конденсатор, необходимый для функционирования интегрального акселерометра, образован проводящей поверхностью кремниевого проводящего маятника 3 и металла 11, нанесенного на обкладки 4 со стороны маятника 3 с образованием емкостного зазора 5.
Устройство работает следующим образом. При действии ускорения вдоль оси, перпендикулярной к плоскости чувствительного элемента, маятник 3 отклоняется на угол, определяемый свойствами упругих подвесов 2 и величиной измеряемого ускорения. При этом изменяется емкостный зазор 5 в дифференциальном конденсаторе, что приводит к изменению электрических емкостей. Измеряя изменение емкостей, можно рассчитать величину воздействующего ускорения.
Усовершенствование конструкции чувствительного элемента интегрального акселерометра заключается в следующем.
При сборке чувствительного элемента необходимо привести в тесное соприкосновение детали - маятник 3, подвешенный с помощью упругих подвесов 2 на каркасной рамке 1, и обкладки 4. При этом площадки 6, расположенные на каркасной рамке 1, заходят в выемки 7, расположенные на обкладках 4.
Геометрические размеры верхнего основания 8 площадок 6 составляют a×b,
где a, b - длина, ширина верхнего основания 8 соответственно.
Геометрические размеры нижнего основания 9 выемок 7 определяются как:
(a+Δ)×(b+Δ),
где Δ - технологический допуск на изготовление деталей, величина Δ находится в пределах (5…10) мкм.
Соединение каркасной рамки 1 и обкладок 4 посредством площадок 6 и выемок 7 исключает люфт деталей при дальнейших операциях соединения. При этом выемки 7 служат знаками совмещения при соединении деталей, что упрощает технологическую оснастку для сборки чувствительного элемента.
Слои диэлектрика 10 и металла 11 служат для улучшения адгезии при соединении деталей.
Соединение деталей с помощью площадок и выемок и выполнение слоев диэлектрика и металла на них устраняет рассовмещение деталей при сборке и, таким образом, уменьшает начальный разбаланс емкостей дифференциального конденсатора чувствительного элемента, что улучшает метрологические характеристики интегрального акселерометра при измерении ускорения.