МИКРОМЕХАНИЧЕСКИЙ ОСЕВОЙ 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, в системах безопасности транспортных средств.
Особенностью микромеханических акселерометров является преимущественное изготовление чувствительных элементов этих устройств из материалов на основе кремниевой технологии, что определяет: малые габариты и вес акселерометра, возможность применения групповой технологии изготовления и, следовательно, дешевизну изготовления при массовом производстве, высокую надежность в эксплуатации.
Известен микромеханический осевой акселерометр [Распопов В.Я. Микромеханические приборы, М., “Машиностроение”, 2007 г., с.22, рис.1.4], содержащий корпус, инерционную массу, упругий подвес, датчик выходного сигнала и анкеры.
Недостатком подобного устройства является невысокая точность, в частности, из-за температурного дрейфа основных параметров устройства.
Наиболее близким по своей технической сущности к предлагаемому устройству является микромеханический осевой акселерометр [Свидетельство на полезную модель РФ №30999 “Микромеханический акселерометр”. Заявка №2002120743 от 24.07.2002 г.], содержащий корпус, инерционную массу, выполненную в виде пластины из кремния, расположенную с зазором относительно корпуса и связанную с ним через упругие перемычки, образующие упругий подвес, обеспечивающий перемещение инерционной массы вдоль оси, лежащей в плоскости инерционной массы, электронную схему обработки сигналов, датчик выходного сигнала, электростатический датчик силы и анкеры.
Недостатком данного технического решения является невысокая точность из-за температурного дрейфа основных параметров устройства.
Задачей полезной модели, как технического решения, является повышение точности работы устройства при изменении температуры окружающей среды.
Технический результат получен за счет того, что в микромеханическом осевом акселерометре, содержащем корпус, выполненный в виде платы, инерционную массу, выполненную в виде пластины из кремния, расположенную с зазором относительно корпуса и связанную с ним через упругие перемычки, образующие упругий подвес, обеспечивающий перемещение инерционной массы вдоль оси, лежащей в плоскости инерционной массы, электронную схему обработки сигналов, емкостной датчик выходного сигнала, содержащий подвижные электроды, расположенные на инерционной массе, и неподвижные электроды, электростатический датчик силы и анкеры, емкостной датчик выходного сигнала может быть выполнен в виде четырех идентичных секций, расположенных симметрично относительно центральной точки, в каждой из которых неподвижные электроды могут быть размещены на пластине из кремния, расположенной консольно с зазором относительно корпуса и имеющей форму клина, одна сторона которого может быть отделена от корпуса прорезью, на другой стороне могут быть размещены непосредственно электроды, а основанием клина может служить корпус. Все четыре секции емкостного датчика выходного сигнала могут быть связаны между собой электрически и включены по дифференциальной схеме.
При выполнении датчика выходного сигнала в виде четырех секций, расположенных симметрично относительно центральной точки, в каждой из которых неподвижные электроды размещаются на пластине из кремния, расположенной консольно с зазором относительно корпуса, достигается повышение точности при изменении температуры окружающей среды.
На чертеже представлена конструктивная схема микромеханического осевого акселерометра.
Акселерометр содержит корпус 1, выполненный в виде платы, имеющей структуру “кремний на изоляторе”, инерционную массу 2, выполненную в виде пластины из кремния, расположенную с зазором относительно корпуса 1 и связанную с ним через упругие перемычки 3, образующие упругий подвес. Инерционная масса 2 может перемещаться вдоль оси ОХ, лежащей в ее плоскости. Емкостной датчик выходного сигнала 4 имеет гребенчатую структуру и содержит четыре идентичные секции, расположенные симметрично относительно точки О. В каждой из четырех секций подвижные электроды расположены на инерционной массе 2, а неподвижные электроды размещены на кремниевой пластине 7. Пластина 7 расположена с зазором относительно корпуса 1 и отделена от него прорезью 8. Пластина 7 имеет форму клина, одна сторона которого отделена от корпуса 1 прорезью 8. На другой стороне размещены непосредственно электроды датчика выходного сигнала 4. Основанием клиновидной пластины 7 служит корпус 1. Пластина 7 закреплена на корпусе 1 в виде консоли. Датчик силы 5 также имеет гребенчатую структуру. Анкер 6 расположен в центре устройства и связан с инерционной массой 2 через упругие перемычки 3.
Предложенное устройство работает следующим образом. При действии линейного ускорения в направлении оси чувствительности ОХ инерционная масса 2 отклоняется от своего исходного положения. При этом изменяются емкости между подвижными и неподвижными электродами датчика выходного сигнала 4. Сигнал, снимаемый с датчика 4, преобразуется электронной схемой обработки сигналов и поступает на вход электростатического датчика силы 5. Возникающая сила стремится возвратить инерционную массу 2 в исходное установившееся положение. В установившемся состоянии сила инерции, действующая на инерционную массу 2, уравновешивается электростатической силой датчика силы 5. Напряжение на выходе электронной схемы обработки сигналов является выходным сигналом микромеханического осевого акселерометра.
Погрешности акселерометра, обусловленные изменением температуры, зависят также и от конструкции датчика выходного сигнала, размещение неподвижных электродов датчика не на корпусе (как в прототипе), а на промежуточной консольно расположенной пластине из кремния дает возможность снизить влияние изменения температуры на выходные характеристики устройства. Как показали экспериментальные исследования, предложенная конструкция датчика выходного сигнала позволила уменьшить температурный дрейф основных параметров устройства в два раза.
Таким образом, заявленный микромеханический осевой акселерометр позволяет уменьшить погрешности, обусловленные изменением температуры окружающей среды, и тем самым повысить точность его работы.