ЧУВСТВИТЕЛЬНЫЙ ЭЛЕМЕНТ МИКРОМЕХАНИЧЕСКОГО АКСЕЛЕРОМЕТРА
SENSING ELEMENT OF MICROMECHANICAL ACCELEROMETER

Изобретение относится к измерительной технике и может применяться в микромеханических датчиках линейных ускорений.
Известен чувствительный элемент микромеханического акселерометра, выполненный из плавленого кварца в форме прямоугольной рамки, преобразователя перемещений рамки, регистрирующего поворот кварцевой рамки в зависимости от измеряемого ускорения [1].
Недостатком этого устройства является сложность конструкции, низкая технологичность, низкая точность из-за чувствительности к перекрестным связям. Изготовление таких устройств из плавленого кварца возможно только в единичном производстве и требует специальной высококвалифицированной подготовки персонала. Трудоемкая реализация преобразователя перемещений так как установка в корпус кварцевой рамки возможна только раздельно от преобразователя перемещений и требует затем отдельной регулировки положения рамки в зазоре преобразователя перемещений, то есть установки ее в нулевое положение.
Известен чувствительный элемент микромеханического акселерометра, выполненный из монокристаллического кремния в виде электропроводящей инерционной массы, представляющей собой маятник, имеющий два плеча и подвешенный с помощью торсионов, внешнюю рамку, к которой одной стороной соединены торсионы, стеклянную подложку (основание), на которую крепится внешняя рамка, торсионы выполнены крестообразными с поперечным сечением в виде Х-образного профиля, ось симметрии фигуры инерционной массы совмещена с осью, проходящей через торсионы подвеса, а маятниковый подвес обеспечен удалением части одного плеча инерционной массы на его поверхности, при этом указанная поверхность выполнена с ребрами жесткости, причем профиль поперечного сечения ребер жесткости имеет Т-образную форму, а наклонные грани крестообразных торсионов с профилем поперечного сечения в виде Х-образной формы ориентированы по направлению (111) кристаллографической решетки монокристаллического кремния. [2]
Одним из недостатков известного датчика является высокая чувствительность к температурным воздействиям. При повышении или понижении рабочих температур торсионы чувствительного элемента удлиняются или укорачиваются, соответственно. Так как торсионы жестко соединены, с одной стороны, с внешней рамкой, с другой стороны, с инерционной массой, при этом внешняя рамка жестко соединена со стеклянной подложкой (основанием), то возникающая при этом деформация приложена к инерционной массе, которая закручивает последнюю. При этом в отсутствие приложенного ускорения возникает сигнал, то есть нулевой сигнал, который увеличивается при увеличении, уменьшении уровня температуры. Кроме того из-за технологического разброса изготовления чувствительного элемента, а именно торсионов, появляется нестабильность нулевого сигнала. Из всего этого следует, что точность измерения параметра, а именно линейного ускорения, существенно уменьшается.
Другим недостатком является высокая чувствительность конструкции чувствительного элемента продольным и поперечным вибрациям, направленных по осям X и Y и под углом к ним. Это существенным образом влияет на стабильность нулевого сигнала и точность измерения самого параметра, то есть линейного ускорения.
Так при воздействии вибрации по этим осям или под углом к ним, возникают объемные волновые процессы в торсионах, последние представляют собой, в первом приближении, стержни. Объемная волна в торсионах вызывает время-переменную деформацию в электропроводящей инерционной массе, являющуюся частью преобразователя перемещений. В результате чего на выходе датчика увеличивается смещение нуля и, как следствие, понижается точность прибора в целом.
Задачей, на решение которой направлено изобретение, является увеличение точности измерения.
Для достижения этого в чувствительном элементе микромеханического акселерометра, содержащем маятник из монокристаллического кремния, стеклянную подложку и внешнюю рамку с площадками крепления к стеклянной подложке, крестообразные торсионы, согласно заявленному решению, дополнительно введена центральная площадка крепления к стеклянной подложке, расположенная в центре симметрии маятника, соединенная через изгибные упругие элементы с маятником таким образом, что ось изгиба упругих элементов совпадает с осью крутильных крестообразных торсионов, и между местом крепления конца торсиона в маятнике и изгибными упругими элементами, вдоль маятника, расположена сквозная щель, с обеих сторон относительно центральной площадки крепления.
Признаком, отличающим предложенный чувствительный элемент от известного является то, что в чувствительном элементе дополнительно введена центральная площадка крепления к стеклянной подложке, расположенная в центре симметрии инерционной массы и соединенная с ней через изгибные упругие элементы, ось изгиба которых совпадает с осью крутильных крестообразных торсионов. В центральной точке закрепления механические напряжения равны нулю при всех видах колебаний. В точке крепления и вблизи ее с учетом линейного закона распределения механических напряжений и деформаций напряженное состояние отсутствует. Поэтому при воздействии продольной вибрации вдоль осей Х и У или под углом к ним дополнительно введенные изгибные элементы, одной стороной связанные с центральной точкой крепления к стеклянной подложке, а другой- с инерционной массой что, существенно уменьшают деформацию инерционной массы, тем самым уменьшая погрешность измерения. Другим существенным признаком является то, что в теле инерционной массы вытравлены сквозные щели. Все это, в целом, увеличивает точность измерения полезного сигнала.
Предложенный микромеханический датчик иллюстрируется чертежами, представленными на фиг.1, 2. На фиг.1 изображен кремниевый чувствительный элемент в плане, где:
1 - центральная площадка крепления к стеклянной подложке (не показана);
2 - инерционная масса;
3 - изгибные упругие элементы;
4 - крестообразные торсионы;
5 - сквозные щели;
6 - внешняя рамка;
7 - площадки крепления на внешней рамке.
На фиг.2, центральная часть чувствительного элемента в увеличенном виде, а также сечение по A-A и B-B.
Чувствительный элемент, выполненный из монокристаллического кремния низкой проводимости содержит центральную площадку 1, соединенную со стеклянной подложкой (не показано), на которых находятся электроды (не показано) емкостного преобразователя, внешнюю рамку 6 с площадками крепления 7, соединенную с инерционной массой 2, через крестообразные торсионы 4. Центральная площадка 1 соединена с инерционной массой 2 через изгибные упругие элементы 3. Между местом крепления конца крестообразного торсиона 4 в инерционной массе (маятнике) 2 и изгибными упругими элементами 3, вдоль инерционной массы (маятника) 2, расположена сквозная щель 5, с обеих сторон относительно центральной площадки крепления 1.
Чувствительный элемент работает следующим образом. При воздействии линейного ускорения маятник 2, отклоняется от своего нейтрального положения. При этом крестообразные торсионы 4 закручиваются на определенный угол. На стеклянных подложках и маятнике 2 реализована схема обработки сигнала. При воздействии линейного ускорения возникает дисбаланс между верхом и низом, со стороны стеклянных подложек. Величина этого дисбаланса пропорциональна измеряемому ускорению.
При воздействии вредных факторов введение центральной площадки крепления 1 и дополнительных изгибных упругих элементов 3 резко уменьшает нулевой сигнал и его нестабильность, а при одновременном воздействии еще измеряемого ускорения уменьшается погрешность крутизны характеристики прибора в целом. Введение сквозных щелей 5 значительно уменьшает деформацию, передающуюся на крестообразные торсионы 4 и изгибные упругие элементы 3 при воздействии плюсовых и отрицательных температур. Это уменьшает нулевой сигнал и уменьшает погрешность крутизны характеристики датчика в целом.
Проведенные математическое моделирование в среде ANSYS и макетные испытания показали положительный эффект данного устройства и по технологичности и по точности по сравнению с прототипом.
Источники информации:
1. Мельников В.Е. «Электромеханические преобразователи на базе кварцевого стекла». Москва, Машиностроение, 1984 г.
2. Патент РФ №2251702 (прототип).