РЕЗОНАТОРНЫЙ МИКРОМЕХАНИЧЕСКИЙ АКСЕЛЕРОМЕТР

Полезная модель относится к области микросистемной техники, в частности, к приборам для измерения линейного ускорения.
Известен виброчастотный микромеханический акселерометр [Патент РФ №2434232, МПК G01C 19/56], содержащий подложку из диэлектрического материала, инерционную массу с центральным отверстием и опорные элементы. Инерционная масса связана с опорными элементами через упругие элементы. Резонатор закреплен с одной стороны к инерционной массе, а с другой стороны - к дополнительному опорному элементу, является подвижным электродом и совместно с неподвижными электродами представляет собой систему возбуждения-регистрации колебаний.
Акселерометр позволяет измерять линейные ускорения только в одном направлении.
Известен виброчастотный микромеханический акселерометр [Патент РФ №2442992, МПК G01P 15/10], содержащий подложку из диэлектрического материала, опорные элементы, инерционную массу, расположенную с зазором относительно подложки и связанную с опорными элементами через упругие элементы подвеса. Дополнительная масса с упругими элементами подвеса расположена с зазором относительно подложки и ее масса существенно меньше массы инерционной массы. Резонатор расположен с зазором относительно подложки и закреплен с одной стороны к инерционной массе, а с другой - к дополнительной массе.
Акселерометр обладает одной чувствительной осью с низкой чувствительностью.
Наиболее близким является резонаторный микромеханический акселерометр [Патент №U S5969249, МПК G01P 15/097], содержащий инерционную массу, закрепленную с зазором относительно диэлектрической подложки и пару резонаторов. Резонаторы одними концами соединены с инерционной массой, а другими - с рычажной системой, которая поддерживает инерционную массу и позволяет повышать продольные деформации в резонаторах. Вследствие действия ускорения на инерционную массу, происходит растягивающее усилие в одном резонаторе и сжимающее во втором, что является причиной повышения собственной частоты первого резонатора и понижения собственной частоты второго.
Недостатком акселерометра является невозможность измерения линейных ускорений в двух направлениях.
Задача предполагаемой полезной модели - обеспечение измерения линейных ускорений в двух ортогональных направлениях.
Резонаторный микромеханический акселерометр содержит инерционную массу, закрепленную с зазором относительно диэлектрической подложки с помощью пары внутренних резонаторов и двух пар П-образных упругих перемычек.
Упругие перемычки поддерживают инерционную массу и раму, расположенную с зазором относительно диэлектрической подложки. Рама закреплена на опорных элементах через две пары П-образных упругих перемычек и пары внешних резонаторов. Ось чувствительности пары внешних резонаторов ортогональна оси чувствительности пары внутренних резонаторов.
На фиг. 1 представлена конструкция резонаторного микромеханического акселерометра.
Резонаторный микромеханический акселерометр, выполненный из полупроводникового материала, содержит инерционную массу 1, имеющую четыре прорези, закрепленную в раме 2 с зазором относительно диэлектрической подложки 3 с помощью двух пар П-образных упругих перемычек 4 и пары внутренних резонаторов 5, 6, закрепленных одними концами на инерционной массе 1, а другими на раме 2, оси чувствительности которых направлены вдоль оси X. Рама 2 соединена с опорными элементами 7 через две пары П-образных упругих перемычек 8 и пары внешних резонаторов 9, 10, закрепленных одними концами на раме 2, другими на опорных элементах 11, оси чувствительности которых направлены вдоль оси Y. Все резонаторы 5, 6, 9, 10 содержат электростатическую систему возбуждения-регистрации колебаний, выполненную в виде гребенчатых структур, подвижной частью которых являются сами резонаторы 5, 6, 9, 10, а неподвижная часть 12 расположена на диэлектрической подложке 3.
Устройство работает следующим образом.
С помощью электростатической системы возбуждения-регистрации колебаний генерируются колебания резонаторов 5, 6, 9, 10 в плоскости диэлектрической подложки в направлениях, перпендикулярных осям чувствительности каждого резонатора. Для обеспечения высокой чувствительности, колебания каждого резонатора генерируются с частотой его механического резонанса, при этом амплитуда колебаний будет максимальной. При действии линейного ускорения на подложку 3 вдоль оси X на инерционную массу 1 действуют силы инерции, вследствие чего возникают продольные деформации внутренних резонаторов 5, 6. При этом рама 2 не смещается относительно диэлектрической подложки вследствие большой жесткости П-образных упругих перемычек 8 в направлении оси X, что не приводит к деформациям внешних резонаторов 9 и 10. Причем, резонатор 5 испытывает сжатие, приводящее к уменьшению его собственной частоты, а резонатор 6 испытывает растяжение, приводящее к увеличению его собственной частоты. Изменения собственных частот резонаторов 5, 6 характеризуют величину измеряемого линейного ускорения вдоль оси X. При действии на диэлектрическую подложку 3 линейного ускорения вдоль оси Y, на инерционную массу 1 действуют силы инерции, вследствие чего возникают продольные деформации внешних резонаторов 9, 10, в то время как внутренние резонаторы 5 и 6 не испытывают деформаций вследствие большой жесткости П-образных упругих перемычек 4 в направлении оси Y. Причем, резонатор 9 испытывает сжатие, что приводит к уменьшению его собственной частоты, а резонатор 10 испытывает растяжение, что приводит к увеличению собственной частоты. Изменение собственных частот резонаторов 9, 10 характеризует величину измеряемого линейного ускорения вдоль оси Y.
Наличие в конструкции резонаторного микромеханического акселерометра рамы и двух пар резонаторов с ортогональными осями чувствительности, позволяет измерять две составляющие линейного ускорения вдоль осей X и Y.