ЧУВСТВИТЕЛЬНЫЙ ЭЛЕМЕНТ МИКРОСИСТЕМНОГО АКСЕЛЕРОМЕТРА

Решение относится к измерительной технике и может применяться в интегральных акселерометрах и микрогироскопах.
Известен чувствительный элемент микросистемного акселерометра [1], содержащий маятник, выполненный в кремниевой пластине, и две обкладки, неразъемно соединенные с несущей пластиной. Зазор между маятником и обкладками заполнен демпфирующим газом азотом. При движении маятника газ перекачивается из одной полости в другую по узким зазорам. В результате трения вязкого газа о твердые стенки маятника и обкладок возникает демпфирующая сила.
Недостатком такого акселерометра является зависимость степени демпфирования от величины зазора, который после сборки невозможно изменить. В результате чего становится невозможной подгонка коэффициента демпфирования к оптимальному и, как следствие, низкая точность и надежность.
Наиболее близким к заявляемому решению может служить чувствительный элемент микросистемного акселерометра [2], содержащий маятник, подвешенный на упругих подвесах, несущую пластину из монокремния, первую и вторую пластины-обкладки, неразъемно соединенные с несущей пластиной, между маятником и первой и второй пластинами-обкладками выполнены зазоры, заполненные вязким газом. Перфорацией маятника осуществляется подгонка демпфирования к оптимальному.
Недостатком такого чувствительного элемента является сложность технологического процесса, требующего изготовления дополнительных фотошаблонов для выполнения перфорации и сложность точной подгонки коэффициента демпфирования к оптимальному. Длина пластин выбирается вне зависимости от длины маятника.
Задачей, на решение которой направлено решение, является упрощение настройки акселерометра.
Технический результат - повышение точности акселерометра за счет достижения коэффициента демпфирования на уровне оптимального.
Этот технический результат достигается тем, что в чувствительном акселерометре, содержащем маятник, подвешенный на упругих подвесах, несущую пластину из монокремния, первую и вторую пластины-обкладки, неразъемно соединенные с несущей пластиной, между маятником и первой и второй пластинами-обкладками выполнены зазоры, заполненные вязким газом, длина пластин-обкладок выбрана в зависимости от длины маятника, при этом, отношение длины каждой пластины выбрано из диапазона 0,3-0,5.
В заявляемом устройстве, по сравнению с известным, не требуется выполнять перфорации маятника, а подгонка на оптимальный режим осуществляется выбором длины пластин-обкладок.
На фигурах 1, 2 показан чувствительный элемент, включающий: несущую пластину 1, в которой выполнены за одно целое упругий подвес 2 и маятник 3. С несущей пластиной 1 с обеих сторон неразъемно соединены пластины-обкладки 4 посредством площадок сварки 5. На несущей пластине 1 выполнены консоли 6 крепления к корпусу. На консолях 6 и на пластинах-обкладках 4 выполнены контактные площадки 7 для соединения со схемой обработки. Между пластинами-обкладками 4 и маятником 3 образованы зазоры 8, заполненные вязким газом, например, сухим азотом. Длина пластин-обкладок 4 выбрана в зависимости от длины маятника 3, отношение длины каждой пластины-обкладки к длине маятника выбрано из диапазона 0,3-0,5. Пластины-обкладки 4 могут иметь одинаковую или различную длину. При этом также действует предлагаемое соотношение.
Устройство работает следующим образом. В исходном состоянии, без движения маятника 3 обеих его сторон зазоры 5 одинаковые и равны h. При действии линейного ускорения маятник 3 начинает перемещаться, преодолевая упругость подвесов 2. По направлению движения зазоры 8 между маятником 3 и пластинами-обкладками 4 изменяются; с одной стороны зазор уменьшается, а с противоположной - увеличивается. При этом газ вытесняется из одной полости в другую, преодолевая сопротивление трения вязкого газа о твердые стенки маятника и обкладок. Абсолютный коэффициент газодинамического демпфирования в данном случае определяется:
а
a
о6к
обк
д
обк
д
у
Где: µ - динамическая вязкость газа в зазорах между маятником и пластинами- обкладками;  - длина пластины-обкладки, b - ширина пластины-обкладки; l=l-/2; l - расстояние от точки качания маятника до центра давления на пластине-обкладке; l - расстояние от точки качания до центра тяжести маятника; h - зазор между маятником и пластиной-обкладкой; J - момент инерции маятника; G - угловая жесткость подвеса маятника.
При оптимальном демпфировании абсолютный коэффициент должен быть выбран в зависимости от момента инерции маятника и жесткости упругого подвеса по следующей формуле:
где ξ - относительный коэффициент демпфирования.
м
обк
При оптимальном демпфировании относительный коэффициент демпфирования равен . Ширина маятника и неподвижного электрода равны b=b. Решая совместно (1) и (2), получим соотношение (3).
a
a
a
a
a
a
обк
м
о6к
обк
о6к
у
обк
м
где µ - динамическая вязкость газа в зазоре между маятником и обкладками; χ=/ - отношение длины пластины-обкладки к длине маятника; , b - длина и ширина пластины-обкладки; l=l-/2 - расстояние от точки качания маятника до центра давления на обкладке; l - расстояние от точки качания до центра тяжести маятника; h - зазор между маятником и обкладкой; J - момент инерции маятника; G - угловая жесткость подвеса маятника. Уравнение 3 позволяет определить и уточнить основные конструктивные элементы чувствительного элемента микросистемного акселерометра и, прежде всего, отношение длины пластины-обкладки к длине маятниках χ=/, чтобы обеспечить маятнику оптимальное демпфирование, которое при расчетах находится в диапазоне 0,3-0,5.
Источники информации:
1. Вавилов В.Д., Поздяев В.И., Шеянов В.Н. Об аэродинамическом демпфировании чувствительных элементов интегральных акселерометров //Труды НИТИ. 1986. Вып. 2 (30). С. 89-93.
2. Вавилов В.Д. Интегральные датчики. Изд-во НГТУ, 2003, С. 129-132.