ЧУВСТВИТЕЛЬНЫЙ ЭЛЕМЕНТ МИКРОМЕХАНИЧЕСКОГО ДАТЧИКА

Полезная модель относится к измерительной технике, а именно к датчикам линейных ускорений.
Известен чувствительный элемент микромеханического датчика линейных ускорений, содержащий корпус, чувствительный элемент, выполненный из каркасной катушки, подвешенный в корпусе на металлических растяжках, датчик перемещения каркасной катушки [1].
Недостатком этого устройства является сложность конструкции, низкая точность из-за чувствительности к перекрестным связям. Известен чувствительный элемент микромеханического датчика, содержащий маятник, внутреннюю и внешнюю рамки, упругий подвес, соединяющий маятник с рамкой чувствительного элемента с расположенными на ней площадками для крепления рамки к основанию, упругий подвес сформирован на внутренней стороне внутренней рамки [2]. 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 резонансный микромеханический акселерометр, содержащий основание, чувствительный элемент маятникого типа, стержневой резонатор, один конец которого соединен с основанием, а другой - с чувствительным элементом, упругие элементы с возможностью перемещения чувствительного элемента относительно основания в направлении измерительной оси [3].
Недостатком данного устройства является то, что стержневой резонатор имеет высокую связь с основанием. Это означает потерю энергию возбуждения колебаний стержневого резонатора, что, в свою очередь, снижает добротность колебательной системы и, соответственно, снижает точность измерения полезного сигнала. Другим недостатком является высокая температурная зависимость от положительных и отрицательных температур. Воздействие температуры напрямую через основание передается на стержневой резонатор, на упругие элементы, что, в свою очередь, изменяет жесткость как упругих элементов, так и упругие свойства стержневого резонатора, а это уменьшает точность измерения полезного сигнала. Еще одним недостатком является нестабильность нулевого сигнала, выражающаяся в нестабильности начальной частоты, так как один конец резонатора имеет высокую связь с основанием и упругие элементы имеют минимальное расстояние от места закрепления с основанием. Задачей, на решение которой направлено изобретение, является увеличение точности чувствительного элемента микромеханического акселерометра. Для достижения этого в чувствительном элементе микромеханического акселерометра, содержащем основание, маятник, стержневой резонатор, упругие элементы дополнительно введена внешняя рамка, сформированы два маятника - один в виде рамки, другой внутри него, при этом внешняя рамка соединена с маятникой-рамкой через упругие элементы, внутренний маятник соединен через другие упругие элементы с маятником-рамкой, сформированы два идентичных резонатора, один из которых соединяет внешнюю рамку и маятник-рамку, другой соединяет внутренний маятник с маятником-рамкой, причем резонаторы расположены на поперечной оси чувствительного элемента микромеханического датчика, при этом один расположен на одной внешней стороне и заодно с ней, другой - заодно с противоположной поверхностью, электрические контактные площадки и токоведущие дорожки системы возбуждения колебаний и съема информации нанесены на внешних сторонах резонаторов и включены по дифференциальной схеме, а соотношения масс и жесткостей таково, что обеспечивается отклонения маятников на одинаковые углы.
Признаками, отличающими предложенный чувствительный элемент микромеханического датчика от известного является то, что дополнительно введена внешняя рамка, которая позволяет оптимально закрепить резонатор и маятники в чувствительном элементе микромеханического датчика, так как оптимальное закрепление предотвращает потери энергии от резонатора в основание и повышает добротность резонатора, а, следовательно, повышает точность. Сформированы два маятника - один в виде рамки, другой внутри него, при этом внешняя рамка соединена с маятникой-рамкой через одни упругие элементы, внутренний соединен через другие упругие элементы с маятником-рамкой. Это позволяет в данной конструкции развязать влияние друг на друга обоих резонаторов. Сформированы два идентичных резонатора, один из которых соединяет внешнюю рамку и маятник-рамку, другой соединяет внутренний маятник с маятником-рамкой, причем резонаторы расположены на поперечной оси чувствительного элемента микромеханического датчика, при этом один расположен на одной внешней стороне и заодно с ней, другой- заодно с противоположной поверхностью. Введение двух резонаторов позволяет повысить точность, так как используется для измерения разность изменения собственных частот резонаторов, то есть один сжимается, другой растягивается, что уменьшает нестабильность частоты, температурную погрешность. Электрические контактные площадки и токоведущие дорожки системы возбуждения колебаний и съема информации нанесены на внешних сторонах резонаторов и включены по дифференциальной схеме, а соотношения масс и жесткостей таково, что обеспечивается отклонения маятников на одинаковые углы. Предложенный чувствительный элемент микромеханического акселерометра иллюстрируется чертежами фиг. 1 и фиг. 2, где:
1 - маятник-рамка,
2 - внутренний маятник,
3 - первый стержневой резонатор,
4 - второй стержневой резонатор,
5 - упругие элементы внутреннего маятника,
6 - упругие элементы маятника-рамки,
7 - внешняя рамка,
8 - площадки крепления к основанию,
9 - электрические контактные площадки и токоведущие дорожки системы возбуждения колебаний и съема информации.
На фиг.2 изображена противоположная сторона чувствительного элемента микромеханического датчика.
Чувствительный элемент микромеханического датчика содержит маятник-рамку 1, соединенный с внешней рамкой 7 через упругие элементы маятника-рамки 6. С маятником-рамкой 1 через упругие элементы внутреннего маятника 5 соединен внутренний маятник 2. Первый стержневой резонатор 3 одним концом связан с внутренним маятником 2, другим с маятником-рамкой 1. Второй стержневой резонатор 4 одним концом соединен с внешней рамкой 7, другим с маятником-рамкой 1. Площадки крепления к основанию 8 сформированы на внешней рамке 7. Электрические контактные площадки и токоведущие дорожки системы возбуждения колебаний и съема информации 9 нанесены на внешних сторонах первого и второго стержневых резонаторов 3, 4.
Чувствительный элемент микромеханического датчика работает следующим образом. Первый и второй стержневые резонаторы 3, 4 совершает вынужденные колебания с собственной частотой, возбуждаемый схемой возбуждения по известному закону, подавая переменный ток на проводники системы возбуждения стержневых резонаторов 3, 4 через электрические контактные площадки 9.
При воздействии линейного ускорения вдоль оси У маятник-рамка 1 и внутренний маятник 2 отклоняются от своего нейтрального положения. При этом упругие элементы внутреннего маятника 5 и упругие элементы маятника-рамки 6 закручиваются на определенный угол. Первый и второй стержневые резонаторы 3, 4 жестко связаны с маятником-рамкой 1 и внутренним маятником 2, а также с внешней рамкой 7. Поэтому первый стержневой резонатор 3 растягивается, так как находится на внешней поверхности внутреннего маятника 2 - маятника-рамки 2, второй стержневой резонатор 4 сжимается потому, что находится на противоположной стороне маятника-рамки 1 и внешней рамки 7. В результате резонансная частота обеих стержневых резонаторов изменяется. Разность этих частот пропорциональна изменению измеряемого ускорения. Использование двух резонаторов 3, 4 и включение их по дифференциальной схеме позволяет повысить точность, так как используется для измерения разность изменения собственных частот резонаторов, что уменьшает нестабильность частоты, температурную погрешность. Внешняя рамка 7 со сформированными на ней площадками крепления к основанию 8 позволяет оптимально закрепить чувствительный элемент микромеханического датчика на основании. Так как оптимальное закрепление предотвращает потери энергии от резонатора в основание и повышает добротность резонатора, а, следовательно, повышает точность.
Источники информации:
1. Акселерометр капиллярный А5-15, ТУ 611.781.ТУ 1984 г.
2. Патент РФ №129257
3. Патент РФ №2371728 (прототип).