ЧУВСТВИТЕЛЬНЫЙ ЭЛЕМЕНТ МИКРОСИСТЕМНОГО АКСЕЛЕРОМЕТРА
SENSITIVE ELEMENT OF MICRO SYSTEM ACCELEROMETRE

Изобретение относится к измерительной технике и может применяться в интегральных акселерометрах и микрогироскопах.
Известен чувствительный элемент микросистемного акселерометра, содержащий монокремниевую несущую пластину, маятник, выполненный в несущей пластине, и две обкладки с проводящими электродами, неразъемно соединенные с несущей пластиной [1]. На проводящие электроды подается управляющее напряжение, в результате чего маятник возвращается в исходное положение.
Недостатками такого чувствительного элемента является недостаточность развиваемой электростатической силы для компенсации силы инерции при ускорениях более одного g. В результате чего становится невозможным построение акселерометров для авиационно-ракетных применений (до 30 g).
Известен чувствительный элемент интегрального акселерометра, содержащий монокремниевую несущую пластину, маятник, выполненный в несущей пластине, и две обкладки, неразъемно соединенные с несущей пластиной [2]. Для расширения диапазона отработки электростатического преобразователя полость между силовыми обкладками заполняется силиконовой жидкостью, что требует применения специальных расширителей объема при изменении температуры.
Недостатками такого чувствительного элемента является большое время готовности. Соответственно такие микроакселерометры не допускаются для использования на борту летательных аппаратов.
Известен также чувствительный элемент микросистемного акселерометра, содержащий кремниевый проводящий маятник, соединенный упругими подвесами с каркасной рамкой, центральной опорой крепления, жестко соединенной с неподвижным основанием, помещенном в центре тяжести маятника [3].
Недостатком данного устройства является низкий диапазон измеряемых ускорений, поскольку в качестве чувствительной массы используется весь объем маятника.
Задачей, на решение которой направлено данное изобретение, является повышение точности за счет увеличения отношения жесткости "электрической пружины к жесткости механического подвеса".
Для достижения поставленной цели в чувствительном элементе микросистемного акселерометра, содержащем кремниевую каркасную рамку, в которой методом анизотропного травления выполнен кремниевый проводящий маятник, соединенный упругими подвесами с каркасной рамкой, согласно изобретения маятник включает две жестко соединенные первую и вторую пластины одинаковой длины и толщины, но разной ширины, причем отношение ширины первой пластины к ширине второй пластины должно отвечать следующему соотношению:
,
м1
м2
0
оп
м
где b - ширина первой пластины; b - ширина второй пластины; ε - диэлектрическая проницаемость среды (например, вакуума) в силовых электродах; ε - диэлектрическая постоянная; U - опорное напряжение; ρ - плотность материала маятника; с - толщина маятника; h - зазор между проводящим маятником и неподвижным электродом.
Существенным отличием заявленного устройства по сравнению с известным является то, что электростатическая сила отработки воздействует не на всю массу маятника, а на разность масс первой и второй пластин маятника. Этим достигается компенсационная отработка сил инерции до 100 g.
На фигуре 1 показан чувствительный элемент, включающий: кремниевую каркасную рамку 1. С помощью анизотропного сквозного травления 2 в каркасной рамке выполнены за одно целое первая пластина 3 маятника, упругий подвес 4, вторая пластина 5 маятника и центральна опора крепления 6. С каркасной рамкой 1 с обеих сторон неразъемно соединены неподвижные пластины-обкладки силовых электродов (на фиг.1 не показаны). Зазор между силовыми электродами и проводящим маятником образуется разностью между толщинами каркасной рамки 1 и проводящим маятником 3.
Устройство работает следующим образом. В исходном состоянии без движения маятника с обеих его сторон зазор между пластинами проводящего маятника и пластинами-обкладками одинаков и равен h. При действии линейного ускорения первая (большая) пластина 3 маятника начинает перемещаться по направлению действия ускорения, преодолевая упругость подвесов 4. Вторая (меньшая) пластина 5 маятника движется в обратном направлении. Одновременно при отклонении маятника электронный преобразователь (не показан) между проводящим маятником (фиг.1) и проводящими силовыми электродами на пластинах-обкладках возникают управляющие дифференциальные напряжения. Причем со стороны второй пластины 5 маятника, перемещающейся против направления действия ускорения, управляющее напряжение больше, нежели со стороны большей пластины 3. Обе пластины: первая 3 и вторая 5 работают на притяжение к проводящим пластинам-обкладкам. Уравнение для электростатической силы отработки обратной связи следующее:
м
м
м1
м2
0
оп
упр
где j- действующее ускорение; ρ - плотность материала маятника; а - длина первой и второй пластин маятника; с - толщина первой и второй пластин маятника; b - ширина первой пластины маятника; b - ширина второй пластины маятника; ε - диэлектрическая проницаемость среды между проводящим маятником и проводящими обкладками; ε - диэлектрическая постоянная; U - опорное напряжение; U - управляющее напряжение; h - зазор между проводящим маятником и проводящими обкладками.
Из оценочной формулы 1 видно, что полная электростатическая сила (правая часть формулы 1) должна уравновешивать только разность инерционных сил, приложенных к первой и второй пластинам маятника. За счет чего более чем на два порядка расширяется измеряемый диапазон с помощью предложенного изобретения.
Источники информации
1. Вавилов В.Д., Поздяев В.И. Конструирование интегральных датчиков. - М: Изд-во МАИ, 1993, - 68 с.
2. Вавилов В.Д. Интегральные датчики. Изд-во НГТУ, 2003, С.500.
3. Патент России №2231795, М. кл. G01B 15/08, от 10 декабря 2002 г.