МИКРОМЕХАНИЧЕСКИЙ ОСЕВОЙ АКСЕЛЕРОМЕТР

Полезная модель относится к измерительной технике, в частности, к области приборостроения, и может найти применение в инерциальных системах подвижных объектов.
Особенностью микромеханических акселерометров является то, что при их изготовлении используются материалы из кремния, что определяет малые габариты и вес акселерометра, возможность применения групповой технологии изготовления, что значительно снижает цену приборов, сохраняя при этом высокую надежность в эксплуатации.
Известен Микромеханический акселерометр (US 6149190, 2000-11-21, GO1P 15/08), содержащий основание и крышку из диэлектрического материала, инерционную массу, выполненную в виде пластины из кремния, расположенную с зазором относительно анкеров и связанную через упругие перемычки с анкерами, образующими упругий подвес, который обеспечивает перемещение инерционной массы. Инерционная масса содержит подвижные электроды, которые образуют с неподвижными электродами, емкостные преобразователи. При этом, инерционная масса выполнена в форме балки.
Недостатком этого решения является низкая жесткость конструкции инерционной массы и подвеса, что приводит к невозможности использования данного акселерометра при больших перегрузках.
Известен Микромеханический акселерометр (Патент РФ на полезную модель №30999, 24.07.2002, GO1P 15/08), выбранный авторами в качестве ближайшего аналога, в котором микромеханический акселерометр состоит из скрепленных между собой основания и крышки, выполненных из диэлектрического материала, между которыми размещена пластина из кремния, состоящая из подвижной инерционной массы с электродами, связанной через торсионы с анкерами, образующими упругий подвес, так же внутри пластины из кремния сформированы неподвижные электроды, закрепленные на неподвижном основании, которые вместе с подвижными электродами образуют емкостной преобразователь и датчик силы, инерционная масса разделена продольной и поперечной осями симметрии. При этом, инерционная масса выполнена в форме балки
Недостатком этого решения является низкая жесткость конструкции инерционной массы и подвеса, что приводит к невозможности использования данного акселерометра при больших перегрузках.
Кроме того, невозможно производить контроль температуры инерционной массы внутри датчика.
Технической задачей вытекающей из уровня техники является повышение жесткости конструкции инерционной массы и подвеса, необходимой для применения акселерометра при больших перегрузках.
Поставленная техническая задача решена за счет того, что в заявленный микромеханический осевой акселерометр, содержит скрепленные между собой основание и крышку, выполненные из диэлектрического материала, между которыми размещена пластина из кремния, состоящая из подвижной инерционной массы с электродами, связанной через торсионы с анкерами, образующими упругий подвес. Внутри пластины из кремния сформированы неподвижные электроды, закрепленные на неподвижном основании, которые вместе с подвижными электродами образуют емкостной преобразователь. Инерционная масса разделена продольной и поперечной осями симметрии. Отличается тем, что в конструкции инерционной массы, выполненной в виде прямоугольной рамки с продольными и поперечными сторонами, выполнены продольная и поперечная балки, направленные по продольной и поперечной осям симметрии и соединяющая противоположные стороны рамки инерционной массы, подвижные электроды выполнены на продольной балке, ориентированные в направлении продольных сторон рамки, так же имеющих подвижные электроды, направленные к продольной балки. В пластине из кремния выполнены по крайней мере четыре анкера с неподвижными электродами, расположенные параллельно продольной оси симметрии, так же введена пара дополнительных анкеров, расположенных параллельно продольной оси симметрии, в каждый подвес введены дополнительные торсионы.
Выполнение продольной и поперечной балок в конструкции инерционной массы, увеличение анкеров и добавление дополнительных торсионов в подвес увеличивает жесткость конструкции чувствительного элемента и упругого подвеса, позволяя использовать акселерометр при увеличенных ударных и вибрационных воздействия. Таким образом решается поставленная техническая задача.
Анкеры выполнены одинаково по размеру и форме. Это является одним из возможных вариантов выполнения анкеров.
В конструкции инерционной массы продольная балка соединяет центры поперечных сторон рамки, что является одним из вариантов размещения балки внутри рамки инерционной массы.
В конструкции рамки инерционной массы выполнена по крайней мере одна поперечная балка. Это является одним из возможных вариантов выполнения балки.
Поперечная балка совпадает с поперечной осью симметрии, что является одним из возможных вариантов размещения балки внутри рамки.
Анкеры выполнены попарно-параллельно относительно поперечной оси симметрии и равноудалены от поперечной оси симметрии, что является одним из возможных вариантов расположения анкеров.
Введен датчик температуры, размещенный на основании и через металлизированные дорожки связанный с токоподводами, что позволяет контролировать температуру кремниевой пластины.
Дополнительная пара анкеров, расположенная параллельно относительно продольной оси симметрии, связана с инерционной массой через перпендикулярно установленные торсионы, образуют упругий подвес, что является одним из вариантов выполнения анкеров.
Торсионы связанны с центрами продольных сторон рамки инерционной массы, что является одним из возможных вариантов выполнения торсионов.
Выполнен по крайней мере один дополнительный торсион в подвесах. Это является одним из возможных вариантов выполнения торсионов.
В конструкции анкеров выполнены сквозные отверстия, что позволяет уменьшить их массу, снизив тем самым усилие, возникающее при больших нагрузках.
Заявленное устройство соответствует критерию «новизны», так как оно не известно из уровня техники.
На чертеже представлена конструктивная схема заявленного акселерометра.
Микромеханический осевой акселерометр, содержащий скрепленные между собой основание и крышку, выполненные из диэлектрического материала, между которыми размещена пластина из кремния, состоящая из подвижной инерционной массы 1 с подвижными электродами 2, связанной через торсионы 3 с анкерами 4, образующими упругий подвес. Внутри пластины из кремния сформированы неподвижные электроды 6, закрепленные на анкерах 7, которые вместе с подвижными электродами 2 образуют емкостной преобразователь. Инерционная масса 1 разделена продольной и поперечной осями симметрии. В конструкции инерционной массы 1, выполненной в виде прямоугольной рамки 1 с продольными и поперечными сторонами, выполнены продольная 8 и поперечная балки 9, направленные по продольной и поперечной осям симметрии и соединяющая противоположные стороны рамки инерционной массы 1. Подвижные электроды 2 выполнены на продольной балке 8, ориентированные в направлении продольных сторон рамки 1, так же имеющих подвижные электроды 2, направленные к продольной балке 8. В пластине из кремния выполнены по крайней мере четыре анкера 7 с неподвижными электродами, расположенные параллельно продольной оси симметрии. Введена пара дополнительных анкеров 5, расположенных параллельно продольной оси симметрии В каждом упругом подвесе введены дополнительные торсионы 3. Выполнение продольной 8 и поперечной 9 балок в конструкции инерционной массы 1, введение дополнительных анкеров 5 и дополнительных торсионов 3 в упругий подвес, позволяет увеличить жесткость конструкции чувствительного элемента и подвеса, позволяя использовать акселерометр при увеличенных ударных и вибрационных воздействия. Анкеры 4, 5 выполнены одинаковыми по размеру и форме, это является одним из возможных вариантов выполнения анкеров 4, 5. Продольная балка 8 соединяет центры поперечных сторон рамки 1, что является одним из вариантов размещения балки 8 внутри рамки инерционной массы 1. В конструкции рамки инерционной массы 1 выполнена одна продольная 8 и поперечная 9 балки, это является одним из возможных вариантов расположения продольной 8 и поперечной 9 балок. Поперечная балка 9 совпадает с поперечной осью симметрии, что является одним из возможных вариантов размещения балки 9 внутри рамки 1. Анкеры 4 выполнены попарно-параллельно относительно поперечной оси симметрии и равноудалены от поперечной оси симметрии, что является одним из возможных вариантов расположения анкеров 4. Установлен датчик температуры (на чертеже не показан), который позволяет контролировать температуру внутри акселерометра. В конструкцию введена по крайней мере одна дополнительная пара анкеров 5, которые связаны с инерционной массой 1 через торсионы 3 и образуют дополнительный упругий подвес, что является одним из возможных вариантов выполнения анкеров. В данной конструкции выполнена всего одна дополнительная пара анкеров 5, что является одним из возможных вариантов выполнения анкеров 5. Торсионы 3 связанны с центрами продольных сторон инерционной массы 1, что является одним из возможных вариантов выполнения торсионов 3. Выполнен по крайней мере один дополнительный торсион 3 в подвесах, что является одним из возможных вариантов выполнения дополнительных торсионов 3. В анкерах 4 выполнены сквозные отверстия 10, что позволяет уменьшить массу анкеров 4, снизив тем самым усилие, возникающее при больших нагрузках.
Заявленное устройство работает следующим образом. При действии линейного ускорения в направлении оси чувствительности Х-Х инерционная масса 1 отклоняется от исходного положения. При этом изменяется емкость между подвижными 6 и неподвижными 2 электродами. Далее сигнал с емкостного преобразователя поступает в электрическую схему обработки сигнала (на чертеже не показано). Сигнал с электрической схемы поступает к потребителю. Термодатчик позволяет учесть изменения температуры внутри акселерометра и провести калибровку выходного сигнала акселерометра в зависимости от температуры.
Техническим результатом заявленной полезной модели является то, что за счет выполнение продольной 8 и поперечной 9 балок в конструкции инерционной массы 1, введения дополнительных анкеров 5 и дополнительных торсионов 3 в упругий подвес, позволяет использовать акселерометр при увеличенных ударных и вибрационных воздействия. Встраивание в конструкцию акселерометра термодатчика позволяет контролировать температуру внутри акселерометра. За счет выполнения отверстий 10 в анкерах 4 можно снизить усилие, возникающее при больших нагрузках. Улучшение конструкционных параметров чувствительного элемента позволяет сохранить точность преобразования при больших перегрузках до десятков тысяч g. Таким образом конструкция заявленного микромеханического осевого акселерометра обладает большей конструкционной жесткостью и прочностью по сравнению с прототипом.