ЧАСТОТНЫЙ МИКРОМЕХАНИЧЕСКИЙ АКСЕЛЕРОМЕТР

Полезная модель относится к измерительной технике, а именно к датчикам 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 частотный микромеханический акселерометр, содержащий, основание, кристалл-чувствительный элемент, выполненный из монокристаллического кремния, внешнюю рамку, инерционную массу, соединенную с внешней рамкой через упругий подвес, стержневой резонатор и систему возбуждения и съема сигнала [2].
Недостатком этого устройства является то, что частотный, датчик линейных ускорений содержит один резонатор. Это является основной причиной нестабильности частоты колебаний и ее зависимости от амплитуды колебаний резонатора, меняющейся вследствие целого ряда причин - воздействия отрицательных и положительных температур, вибрации, ударов. Так, при воздействии диапазона температур резонатор меняет свои геометрические размеры: сжимается или удлиняется. При этом изменяется резонансная частота его колебаний при отсутствии полезного сигнала. Так и при действии линейного ускорения возникает погрешность измерения, следовательно, уменьшается точность прибора. Уменьшение влияния связи резонатора с основанием в этом устройстве приводит к усложнению конструкции - это введение основания, заполнение демпфирующим материалом.
Задачей, на решение которой направлено полезная модель, является увеличение точности частотного микромеханического акселерометра. Для достижения этого в частотном микромеханическом акселерометре, содержащем основание, кристалл-чувствительный элемент, выполненный из монокристаллического кремния, внешнюю рамку, инерционную массу, соединенную с внешней рамкой через упругий подвес, стержневой резонатор и систему возбуждения и съема сигнала, содержит, минимум, два резонатора, причем каждый резонатор сформирован на отдельном кристалле и закреплены на своих инерционных массах, при этом сформированы резонаторы заодно с одной из внешних сторон кристалла и расположены на продольной оси кристалла, площадки крепления к основанию сформированы со стороны расположения резонатора, вдоль поперечной его оси, на минимальном расстоянии от внешней рамки, в местах сопряжения которой с площадками крепления к основанию сформированы сквозные окна со сквозными прорезями на внешней стороне рамки и расположенными вдоль продольной ее оси, площадки крепления к основанию сопряжены с внешней рамкой через упругие элементы, на внешней рамке на продольной оси кристалла сформированы опорные выступы, с обеих сторон которых расположены сквозные T-образные щели.
Признаками, отличающими предложенный частотный микромеханический акселерометр от прототипа, является то, что содержит минимум два резонатора, причем каждый резонатор сформирован на отдельном кристалле и закрепленные на своих инерционных массах, при этом сформированы заодно с одной из внешних сторон кристалла, расположенные на продольной оси кристалла. Таким образом, при воздействии измеряемого ускорения один резонатор сжимается, другой при этом растягивается. То есть, у одного резонатора частота увеличивается, у другого уменьшается. Далее эти частоты вычитаются. Разность этих частот пропорциональна измеряемому ускорению, тем самым, обеспечивая минимальную нестабильность частоты колебаний, минимальную температурную погрешность, так как воздействие этих вредных факторов на каждый резонатор вычитается. Формирование резонаторов на отдельном кристалле, закрепленных на своих инерционных массах и заодно с одной из внешних поверхностей кристалла позволяет с высокой точностью изготавливать резонаторы и оптимально закрепить их, то есть, с минимальными потерями энергии возбуждения от резонаторов в основание, повысить добротность резонатора, а, следовательно, повышает точность. Такое расположение резонаторов позволяет более равномерно сжимать-растягиваться резонаторам, тем самым уменьшая целинейность, а это повышает точность прибора. Площадки крепления к основанию сформированы со стороны расположения резонатора вдоль поперечной его оси на минимальном расстоянии от внешней рамки. Такое расположение площадок крепления позволяет максимально удалить концы резонаторов - развязать их от основания, тем самым обеспечивая высокую добротность, а следовательно, и высокую точность прибора. И также позволяет оптимально разместить систему возбуждения и съема сигнала, то есть, магнитную систему, обеспечивает крепление резонатора частотного микромеханического акселерометра в месте с минимально напряженным состоянием. В местах сопряжения внешней рамки с площадками крепления к основанию сформированы сквозные окна со сквозными прорезями на внешней стороне рамки и расположенными вдоль продольной ее оси. Площадки крепления к основанию сопряжены с внешней рамкой через упругие элементы. Это обеспечивает минимальную нестабильность частоты и минимальную температурную погрешность. Для обеспечения минимальной нестабильности частоты и минимальной температурной погрешности дополнительно также на внешней рамке на продольной оси кристалла сформированы опорные выступы, с обеих сторон которых расположены сквозные Т-образные щели. Возбуждение резонаторов осуществляется встречно-противоположно. Это обеспечивает минимальную потерю энергии резонаторов - повышает добротность, следовательно, повышает точность.
Предложенный частотный микромеханический акселерометр иллюстрируется чертежами фиг. 1, фиг. 2. На фиг. 1 изображен его основной вид,
где:
1 - резонаторы,
2 - кристаллы-чувствительного элемента частотного микромеханического акселерометра,
3 - маятники,
4 - основание-стеклянная подложка,
5 - постоянные магниты,
6 - центральный магнитопровод.
7 - нижний магнитопровод.
8 - крышка магнитопровод,
9 - опорные выступы.
На фиг. 2 изображен кристалл-чувствительный элемент частотного микромеханического акселерометра,
где:
10 - Τ-образные сквозные щели,
11 - упругие элементы.
12 - сквозные окна.
13 - упругие торсионы,
14 - площадки крепления к основанию-стеклянным подложки,
15 - внешняя рамка,
16 - электрические контактные площадки и токоведущие дорожки системы возбуждения колебаний и съема информации.
Частотный микромеханический акселерометр содержит основание-стеклянные подложки 4, кристаллы 2, выполненный из монокристаллического кремния, два резонатора 1, закрепленных на своих инерционных массах - маятниках 3 и сформированные заодно с одной из поверхностей кристаллов 2, расположенные на продольной оси кристалла 2. Каждый кристалл 2 содержит внешнюю рамку 15, соединенную с ней через упругие торсионы 13 пару маятников 3. На внешней рамке 15 сформированы площадки крепления к основанию-стеклянным подложкам 4, со стороны расположения резонаторов 1 вдоль поперечной его оси на минимальном расстоянии от внешней рамки 15. В местах сопряжения внешней рамки 15 с площадками крепления к основанию-стеклянным подложкам 4 сформированы сквозные окна 12 со сквозными прорезями на внешней стороне рамки 15 и расположенными вдоль продольной ее оси. Площадки крепления к основанию-стеклянным подложкам 4 сопряжены с внешней рамкой 15 через упругие элементы 11. На внешней рамке 15 на продольной оси кристалла 2 сформированы опорные выступы 9, с обеих сторон которых расположены сквозные Т-образные щели 10. Возбуждение резонаторов 1 осуществляется встречно-противоположно. Система возбуждения и съема сигнала представлена нанесенными на внешней стороне кристалла 2 электрическими контактными площадками и токоведущими дорожками системы возбуждения колебаний и съема информации 16, находящимися в воздушном зазоре магнитной системы. Магнитная система представлена нижним магнитопроводом 7, центральным магнитопроводом 6 и крышкой магнитопровода 8, закрепленными в нижним магнитопроводе 7 и крышке магнитопровода 8 постоянными магнитами 5.
На нижний магнитопровод 7 с вклеенным одним постоянным магнитом 5 устанавливается предварительно анодно-соединенные кристалл 2 и основание-стеклянная подложка 4 со сквозным отверстием в центре. Далее устанавливается центральный магнитопровод 6. Второй кристалл 2 с анодно-присоединенным основанием-стеклянной подложкой 4 устанавливается сверху центрального магнитопровода 6. Полученный пакет прижимается крышкой магнитопровода 8, по месту соединения плотно охватывается хомутом (не показан) и заваривается.
Частотный микромеханический акселерометр работает следующим образом. При подаче переменного тока через электрические контактные площадки и токоведущие дорожки системы возбуждения колебаний и съема информации 16 от взаимодействия с магнитным полем, создаваемым магнитной системой, состоящей из постоянных магнитов 6, нижнего магитопровода 7, центрального магнитопровода 6 и крышкой магнитопровода 8 возникает сила, приводящая к колебанию резонаторов 1. При действии линейного ускорения вдоль оси X маятники 3 отклоняются от своего нейтрального положения. Упругие торсионы 7 маятников 3 закручиваются на определенный угол. Резонаторы 1 жестко связаны с обоими маятниками 3, находящимися на внешней стороне маятников 3 каждого кристалла 2. Поэтому один резонатор 1 одного из кристаллов 2 растягивается, а другого - сжимается. В итоге резонансная частота обеих резонаторов 1 изменяется. Причем у одного увеличивается, а у другого уменьшается. Разность этих частот пропорциональна изменению измеряемого ускорения. Использование двух стержневых резонаторов 1 позволяет повысить точность, так как используется для измерения разность изменения собственных частот резонаторов 1, что уменьшает нестабильность частоты, температурную погрешность, линеаризует характеристику прибора. Так как концы резонаторов 1 напрямую не связаны с основанием-стеклянными подложками 4, тем самым обеспечивая высокую добротность, а, следовательно, и высокую точность прибора. Площадки крепления к основанию 4 сформированы со стороны расположения резонатора 1 вдоль поперечной его оси на минимальном расстоянии от внешней рамки 15. Такое расположение площадок крепления 15 позволяет максимально удалить концы резонаторов 1 - развязать их от основания 4, тем самым обеспечивая высокую добротность, а, следовательно, и высокую точность прибора, позволяет оптимально разместить систему возбуждения и съема сигнала и магнитную систему. Также обеспечивает крепление резонатора 1 частотного микромеханического акселерометра в месте с минимально напряженным состоянием всей колебательной системы, следовательно, обеспечивающей высокую добротность всей колебательной системы и как следствие - повышение точности. В местах сопряжения внешней рамки 15 с площадками крепления к основанию 4 сформированы сквозные окна 12 со сквозными прорезями на внешней стороне внешней рамки 15 и расположенными вдоль продольной ее оси. Площадки крепления к основанию 4 сопряжены с внешней рамкой 15 через упругие элементы 11. Тем самым обеспечивается минимальная нестабильность частоты и минимальная температурная погрешность. Для обеспечения минимальной нестабильности частоты и минимальной температурной погрешности дополнительно также на внешней рамке 15 на продольной оси кристалла 1 сформированы опорные выступы 9, с обеих сторон которых расположены сквозные Т-образные щели 10. Возбуждение резонаторов 1 осуществляется встречно-противоположно. Это обеспечивает минимальную потерю энергии резонаторов - повышает добротность, следовательно, повышает точность.
Источники информации:
1. Патент РФ №2251702
2. Патент РФ №2436106 - прототип.