Микроэлектромеханический первичный преобразователь ускорения
MICROELECTROMECHANICAL PRIMARY ACCELERATION TRANSDUCER

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к области измерений механической силы и связанных с ней величин: момента силы, давления, массы, деформаций, линейных и угловых ускорений.
С начала 90-х годов интенсивно развивается направление микромеханических сенсоров навигационных систем, в том числе акселерометров. В качестве базовых технологий создания микроэлектромеханических систем (МЭМС-технологий) используются технологические приемы микроэлектроники, с помощью которых на подложке из кремния или его соединений формируют полупроводниковые слои, на которые наносят слои диэлектриков и электроды. После чего формируют механическую сенсорную структуру (упругие элементы, подвижную инерционную массу, преобразователи и пр.).
С помощью МЭМС-технологий размеры чувствительных элементов акселерометров удалось довести до долей миллиметра. Соответственно уменьшились и размеры систем съема параметров с чувствительного элемента, габариты и вес акселерометра.
Микромеханические акселерометры могут быть выполнены как с аналоговым, так и с частотным выходом. Последние - на порядок более точны, так как не требуют амплитудо-цифрового преобразования. Кроме того, частотный сигнал просто и без потери точности интегрируется, вычитается и т.п.
Известен частотный микромеханический акселерометр (см. патент RU №2377575 от 04.09.2007 «Частотный микромеханический акселерометр» Кристьянинов А.А., Смирнов Г.Г., опубликован 27.12.2009 г), МПК G01P 15/097 (2006.01), который содержит чувствительный элемент, состоящий из подвижной инерционной массы, упругого подвеса, резонатора и основания, а также систему возбуждения и съема частотного сигнала. Чувствительный элемент выполнен из единой пластины, разделенной сквозными пазами на основание, инерционную массу с упругим подвесом и резонатор, состоящий из двух или трех ветвей, которые соединены свободными концами, а основаниями закреплены на инерционной массе и основании чувствительного элемента с возможностью изменения изгибной жидкости резонатора при перемещении инерционной массы под действием измеряемого ускорения.
Вышеуказанное устройство является наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству и поэтому выбрано в качестве прототипа.
Недостатком прототипа является низкая точность из-за высокой нелинейности характеристики преобразования, сложность технологии изготовления и габаритные размеры.
Технической проблемой, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является создание микроэлектромеханического первичного преобразователя ускорения с повышенной точностью измерений, имеющего двухмерную пространственную структуру и чувствительный элемент плоской формы.
Достигаемым техническим результатом является повышение чувствительности.
Для достижения технического результата в микроэлектромеханическом первичном преобразователе ускорения, содержащем систему возбуждения и съема частотного сигнала, пластину из монокристалла, в которой выполнены прорези с образованием не менее одного чувствительного элемента, включающего в себя подвижную инерционную массу и резонатор, новым является то, что резонатор является стержневым и выполнен в виде сдвоенного камертона, одни концы стержней которого жестко соединены между собой, а другие соединены через упругие шарниры с инерционной массой, в пластине дополнительно выполнены прорези с образованием участков, для размещения на них контактных площадок, одна из которых расположена на любой неподвижной части чувствительного элемента, а две другие расположены напротив каждого стержня, соответственно, для возбуждения противофазных колебаний стержней резонатора, при этом стержни имеют постоянную или переменную ширину.
Новая совокупность существенных признаков позволяет:
- повысить точность измерений за счет выполнения стержневого резонатора в виде сдвоенного камертона, что позволяет получить симметрию колебаний его стержней, минимизируя напряжения, возникающие в местах соединения резонатора и инерционной массы и кратковременную нестабильность частоты выходного сигнала (дрейф «0»),
- уменьшить погрешность от действия внешних воздействующих факторов, за счет увеличения коэффициента преобразования и относительной девиации кинематической схемой первичного преобразователя,
- увеличить чувствительность за счет переменной ширины стержней, позволяющей увеличить значение критической силы.
Изобретение реализуется схемой, представленной на фиг. 1. Резонатор представлен на фиг. 2. Форма деформации стержней при изгибных колебаниях резонатора (упругая линия) представлена на фиг. 3, где L - длина стержня резонатора, мм, Н - амплитуда колебаний стержня, мм. На фиг. 4 показан вариант преобразователя с четырьмя чувствительными элементами.
Микроэлектромеханический первичный преобразователь ускорения содержит систему возбуждения и съема частотного сигнала 1, пластину 2 из монокристалла, в которой выполнены прорези с образованием чувствительного элемента 3, включающего в себя инерционную массу 4 и резонатор 5, выполненный в виде сдвоенного камертона, одни концы стержней 11 которого жестко соединены между собой, а другие соединены через упругие шарниры 6 с инерционной массой 4. В пластине 2 выполнены прорези с образованием участков 7, 10 для размещения на них контактных площадок 8, 9, одна из которых расположена на любой неподвижной части чувствительного элемента 3, а две другие расположены напротив каждого стержня 11 соответственно, при этом стержни 11 резонатора 5 имеют постоянную или переменную ширину.
Система возбуждения и съема частотного сигнала 1 представляет собой конденсатор, одними обкладками которого служат неподвижные участки пластины 2 монокристалла, расположенные напротив каждого стержня 11 соответственно, на которые нанесены контактные площадки 8, а другими обкладками служат стержни 11 резонатора 5.
Резонатор 5 состоит из двух идентичных стержней 11, концы которых объединены элементами 12, соединенными через концентраторы 13 с участками 10, 14, к которым прилагается измеряемая сила Р.
Устройство работает следующим образом.
Микроэлектромеханический первичный преобразователь ускорения подключен в цепь обратной связи автогенератора. После подачи напряжения питания на автогенератор в системе "генератор - микроэлектромеханический первичный преобразователь ускорения" при соблюдении условий "баланса амплитуд" и "баланса фаз" (смотри, например, книгу П.В. Новицкий и др. "Цифровые приборы с частотными датчиками", "Энергия" 1970 г.) устанавливаются колебания резонатора 5 и, соответственно, выходные электрические сигналы с частотой, равной резонансной частоте резонатора 5. Выходные электрические сигналы генератора используются после соответствующего преобразования для регистрации результатов измерения силы, действующей на резонатор 5. В исходном положении, соответствующем нулевому значению измеряемой силы Р, значение резонансной частоты резонатора 5 определяется конструктивными размерами элементов резонатора 5 и физическими свойствами материала, из которого он изготовлен (модуль упругости - Е, плотность - ρ). При действии ускорения в продольном направлении резонатора 5 (вдоль стержней 11) инерционная масса 4 совершает поступательное движение и через упругие шарниры 6 передает силу на резонатор 5.
При значении измеряемой силы, приложенной к концам резонатора 5 (в продольном направлении, вдоль стержней 11), отличном от нуля, изменяется его эквивалентная упругость и, соответственно, значение резонансной частоты (растягивающая продольная сила вызывает увеличение частоты, а сжимающая - уменьшение). Функциональная зависимость частоты механического резонанса от значения продольной измеряемой силы Р определяется следующим выражением:
0
где ƒ - значение резонансной частоты резонатора 5 при Р=0;
кр
В - постоянный коэффициент, равный величине обратной критической силы Р стержней 11 резонатора 5 (определяется формой, геометрическими размерами, условиями крепления концов, модулем упругости материала стержней).
, ,
p
где b, L - ширина и длина стержней резонатора соответственно.
Е, ρ - модуль упругости и плотность материала резонатора соответственно;
0
1
а, a - постоянные коэффициенты определяющие условия крепления концов стержней резонатора;
рез
h - толщина резонатора;
При разложении в степенной рад функция (1) для случая  принимает вид:
0
Значение измеряемой силы, действующей на резонатор, преобразуется в выходной параметр в виде изменения резонансной частоты Δƒ(р) относительно начального значения ƒ (девиация):
Относительная девиация представляется выражением:
Для случаев, при которых максимальное значение произведения не превышает 0,1, вклад нелинейных членов выражения (4) (со степенью больше 1) не превышает 0,03 (3%). В связи с этим функции преобразования силочувствительного резонатора из соотношений (3), (4) в первом приближении могут быть представлены линейными зависимостями:
кр
в которых коэффициент преобразования определяется параметром - (равен обратной величине критической силы - Р, при которой стержни резонатора теряют устойчивость).
Распределение деформации по длине стержней 11 изменяется от нулевых значений на концах (в месте объединения) до максимальных значений в центральной части, а значения механических напряжений при изгибах стержней максимальны у их концов и уменьшаются по мере приближения к их центральной части; становятся равными нулю в некоторых точках А, В и в дальнейшем снова увеличиваются со сменой знака.
Другой важной характеристикой заявляемого устройства является его силочувствительность (коэффициент преобразования), которая, также определяется размерами и формой стержней силочувствительного резонатора. Коэффициент преобразования силочувствительного резонатора увеличивается при уменьшении ширины и толщины его стержней.
Оптимальные размеры микроэлектромеханического первичного преобразователя ускорения определены моделированием на ПЭВМ с использованием метода конечных элементов.
По результатам расчетов разработаны экспериментальные образцы. Проведенные исследования подтвердили эффективность предлагаемого технического решения.