ТРЕХКОМПОНЕНТНЫЙ МИКРОЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИЙ АКСЕЛЕРОМЕТР

Полезная модель относится к измерительной технике, в частности, к области приборостроения, и может найти применение в инерциальных системах подвижных объектов, в автопилотах авиа- и судомоделей.
Особенностью микроэлектромеханических акселерометров является преимущественное изготовление чувствительных элементов этих устройств из материалов на основе кремния по кремниевой технологии, что предопределяет: малые габариты и вес акселерометра, возможность применения групповой технологии изготовления, дешевизну изготовления при массовом производстве, высокую надежность в эксплуатации.
5
Известен трехкомпонентный акселерометр, содержащий инерционную массу, электромагниты, датчики перемещения, расположенные вокруг инерционной массы по трем осям, три схемы управления. В каждую схему управления введены процессор, цифроаналоговый преобразователь и следящий блок [Патент РФ №1259815, МПК G01P 15/13, 1984].
Недостатком данного устройства являются неудовлетворительные массогабаритные параметры.
Известен трехкомпонентный тензоакселерометр [Патент РФ №2382369, МПК G01P 15/12, 2008], включающий корпус, упругий чувствительный элемент, работающий на изгиб, груз и измерительную мостовую схему. Центр инерции груза смещен относительно плоскости чувствительного элемента. Дополнительно сформированные мостовые схемы из тензорезисторов ориентированы и подключены так, что выходной сигнал каждой схемы зависит лишь от одной составляющей ускорения и не зависит от остальных составляющих.
Недостатком данного устройства является невысокая точность и неудовлетворительные массогабаритные параметры.
7
Наиболее близким аналогом предлагаемого устройства является инерциальный измерительный блок, содержащий корпус, блок электроники, микромеханические чувствительные элементы, расположенные на гранях основания (Патент РФ №2162203 МПК G01C 21/00, 2000).
Недостатком подобного устройства является сложность конструкции, невысокая точность, недостаточная надежность, а также большие габариты и масса.
Целью полезной модели является повышение точности и надежности работы устройства, а также улучшение его массогабаритных параметров.
Технический результат получен за счет того, что в трехкомпонентном микроэлектромеханическом акселерометре, содержащем корпус, в котором размещены первый, второй и третий микромеханические чувствительные элементы линейного ускорения, коммутационная плата и электронный блок, первый, второй и третий чувствительные элементы линейного ускорения могут быть размещены на коммутационной плате и выполнены герметичными в виде капсул, причем первый и второй микромеханические чувствительные элементы линейного ускорения выполнены по осевой схеме, а третий микромеханический чувствительный элемент выполнен по маятниковой схеме, при этом оси чувствительности всех трех микромеханических чувствительных элементов линейного ускорения образуют ортогональный трехгранник. Корпус может быть выполнен из керамики, снабжен крышкой и вакуумирован. Электронный блок может быть выполнен в виде унифицированной сверхбольшой интегральной бескорпусной схемы, обеспечивающей одновременную обработку информационных сигналов трех измерительных каналов в реальном масштабе времени, и установлен в углублении корпуса на его нижнем уровне. Коммутационная плата может быть установлена в корпусе над электронным блоком, закреплена по периферии и имеет прорези, расположенные над контактами электронного блока.
При исполнении трехкомпонентного микроэлектромеханического акселерометра в виде совокупности трех измерительных каналов появляется возможность использовать пространственную сборку интегральной схемы и капсулированных чувствительных элементов в одном герметизированном корпусе. При этом достигается повышение точности и надежности работы устройства.
Предложенная конструкция обеспечивает:
- тепловую развязку между интегральной схемой и капсулами;
- минимальные значения длин микропроволочных выводов, выдерживающих значительные механические воздействия;
- малое емкостное влияние коммутационной платы с установленными капсулами на элементы интегральной схемы;
- малые значения паразитных утечек;
- автономность работы каналов;
- надежность работы капсулированных чувствительных элементов в части долговременного сохранения глубины вакуума;
- минимальные массогабаритные характеристики. Габаритные размеры устройства могут составлять в плоскости монтажа 16,5×16,5 мм и по высоте 4,8 мм.
На чертеже представлена компоновка устройства в разрезе.
Трехкомпонентный микроэлектромеханический акселерометр содержит корпус 1, в котором размещены первый 2, второй 3 и третий 4 микромеханические чувствительные элементы линейного ускорения, коммутационная плата 5 с прорезями 8 и электронный блок 6, выполненный в виде унифицированной сверхбольшой интегральной бескорпусной схемы. Корпус 1 снабжен крышкой 7. Электронный блок 6 установлен в углублении корпуса 1 на его нижнем уровне. Коммутационная плата 5 установлена в корпусе 1, закреплена по периферии и имеет прорези 8, обеспечивающие доступ к контактам интегральной схемы 6. Соединения между контактами интегральной схемы 6, коммутационной платой 5 и контактами чувствительных элементов 2, 3 и 4 осуществляются микропроволокой 9. Первый 2 и второй 3 чувствительные элементы линейного ускорения размещены на коммутационной плате 5 так, что их оси чувствительности взаимно перпендикулярны и лежат в плоскости, параллельной плоскости коммутационной платы 5. Третий микромеханический чувствительный элемент 4 закреплен на плате 5 так, что его ось чувствительности перпендикулярна плоскости платы. Таким образом, оси чувствительности всех трех чувствительных элементов образуют ортогональный трехгранник.
Предложенное устройство работает следующим образом. При действии составляющих вектора линейного ускорения в направлении осей чувствительности первого 2, второго 3 и третьего 4 чувствительных элементов с их выходов снимаются сигналы, пропорциональные величинам этих составляющих. Сигналы с выходов чувствительных элементов поступают на вход специализированной трехканальной сверхбольшой интегральной схемы 6 типа "система на кристалле", обеспечивающей аналого-цифровую и логическую обработку массивов данных в реальном масштабе времени. Наличие в интегральной схеме связанных единым алгоритмом обработки сигналов программируемого процессорного элемента, массива памяти, цифровых и аналоговых узлов с "жесткой" логикой и схемотехникой позволяет придавать микроэлектромеханической информационно-управляющей системе дополнительные функциональные возможности, такие как фильтрация сигнала, коррекция, обнаружение отказа, линеаризация передаточной характеристики, реконфигурация измерительных каналов и другое. Интегральная схема 6 также предусматривает возможность одновременной обработки информационных сигналов всех трех измерительных каналов.
В состав интегральной схемы 6 могут входить следующие функциональные блоки:
входные усилители сигналов емкостных датчиков перемещения микромеханических акселерометров;
аналого-цифровые преобразователи сигналов микромеханических акселерометров, а также температурного датчика;
- цифровой сигнальный процессор;
- микроконтроллер;
- энергонезависимая память;
- система внутренних и внешних интерфейсов;
- источник опорного напряжения;
- генератор тактовой частоты;
- супервизор.
Положительный эффект предложенного устройства, кроме всего прочего, состоит еще и в том, что в каждом из трех каналов могут быть использованы чувствительные элементы линейного ускорения, рассчитанные на различные диапазоны работы.
Таким образом, заявленный трехкомпонентный микроэлектромеханический акселерометр позволяет повысить точность и надежность работы устройства, а также достичь минимальных массогабаритных характеристик.