Твердотельный датчик линейных ускорений
SOLID STATE LINEAR ACCELERATION SENSOR

Изобретение относится к измерительной технике и может применяться в микромеханических датчиках линейных ускорений.
Известен чувствительный элемент интегрального акселерометра, выполненный из монокристаллического кремния, содержащий маятник, внешнюю рамку, соединенную с маятником через упругие элементы, стеклянные обкладки, расположенные с обеих сторон внешней рамки, образуя, преобразователь перемещений маятника [1].
Главная функция упругих элементов - обеспечение подвеса инерционной массы, при этом параметры упругих элементов в процессе эксплуатации должны быть стабильными. Главным недостатком данной конструкции является высокая чувствительность к термомеханическим напряжениям. Это существенным образом влияет на стабильность нулевого сигнала и точность измерения самого параметра, то есть линейного ускорения. В результате этого увеличивается смещение нуля и, как следствие, понижается точность прибора в целом.
Известен чувствительный элемент интегрального акселерометра, выполненный из монокристаллического кремния в виде инерционной массы (маятника), имеющей два плеча и подвешенной на упругих крестообразных торсионах с поперечным сечением в виде Х-образного профиля, работающих на кручение, внешнюю рамку, к которой соединены упругие торсионы, стеклянные обкладки, к которым крепится внешняя рамка. При этом на внешней рамке сформированы площадки для крепления стеклянных обкладок, расположенные по оси торсионов, в местах сопряжения последних с внешней рамкой [2].
Одним из недостатков чувствительного элемента акселерометра является высокая чувствительность к пониженным и повышенным температурным воздействиям. При повышении, понижении рабочих температур, упругие крестообразные торсионы чувствительного элемента укорачиваются или удлинятся. Так как упругие торсионы жестко соединены, с одной стороны, с инерционной массой, с другой стороны, с внешней рамкой, при этом последняя жестко соединена со стеклянными обкладками, то возникающая при этом деформация приложена к инерционной массе (маятнику), которая в итоге деформирует последнюю. В результате на выходе преобразователя перемещений появляется сигнал, при отсутствии приложенного ускорения к инерционной массе или дополнительный сигнал при воздействии линейного ускорения, т.е. появляется погрешность измерения полезного сигнала. Из всего этого следует, что точность измерения линейного ускорения существенно уменьшается.
Другим недостатком является наличие концентраторов напряжения на стыках «упругий торсион-инерционная масса(маятник)» и «упругий торсион-внешняя рамка». Это в свою очередь снижает прочность конструкции чувствительного элемента в целом, что при определенных максимальных ударных нагрузках или вибраций приводит к разрушению чувствительного элемента.
Еще одним недостатком данного устройства является то, что после анодного соединения кремниевого чувствительного элемента микромеханического акселерометра со стеклянными обкладками, остаточное напряжение, возникающее в стыке «кремний-стекло» деформирует упругие элементы, которые перемещают инерционную массу, что увеличивает уровень нулевого сигнала. А это уменьшает точность прибора.
Известно устройство, которое включает в себя первую и вторую неподвижные внешние пластины, каждая из которых имеет фиксированные электроды, расположенные на внутренних поверхностях, и узел центральной пластины, расположенный между неподвижными внешними пластинами. Узел центральной пластины включает в себя верхнюю центральную пластину и нижнюю центральную пластину. Верхняя и нижняя центральные пластины имеют внутреннюю часть, наружную раму, расположенную наружу от периметра внутренней части, набор пружин, соединяющих внешнюю раму с внутренней частью, и центральный электрод, расположенный на внешней поверхности внутренней части. Набор пружин имеет толщину меньше, чем каждая из внутренней части и наружной рамы [3].
Недостатком данного устройства является повышенная чувствительность к действующим температурным факторам.
Задачей, на решение которой направлено изобретение, является увеличение точности измерения линейных ускорений.
Для достижения этого в твердотельном датчике линейных ускорений, содержащий, основание, первую и вторую неподвижные внешние пластины и узел центральной пластины, расположенный между неподвижными внешними пластинами включающих в себя верхнюю центральную пластину и нижнюю центральную пластину, которые включают в себя внешнюю рамку и внутреннюю часть, соединяющих между собой упругими элементами., согласно изобретению, узел центральной пластины
расположенный между неподвижными внешними пластинами сформирован за одно целое, в котором сформирована внешняя рамка и внутренняя часть, соединенных через упругие элементы, кроме того на внешней стороне неподвижной внешней пластине присоединена, сформированная дополнительная контурная рамка переменной толщины и ширины, состоящая из гибких секций, причем сформированные площадки крепления к сформированной подложки расположены снаружи дополнительной контурной рамки или внутри дополнительной контурной рамки. Формирование узла центральной пластины за одно целое повышает технологичность, так как не требует соединения верхней и нижней центральных пластин, примененных в прототипе. Кроме того формирование такой конфигурации позволят сформировать симметричное устройство. Сформированные дополнительные контурные рамки переменной толщины и ширины, состоящая из гибких секций выполняют роль развязывающих структур при воздействии отрицательных и положительных температур. При этом существенно увеличивается точность устройства, так как дополнительные контурные рамки микроперемещаются гибкими секциями между неподвижной внешней пластиной и подложкой. Такое устройство подвержено минимальным деформациям при воздействии температур. Это минимизирует температурную погрешность. Следовательно, повышает точностью. Таким образом, сформированная конструкция существенно повышает точностью.
Предложенный твердотельный датчик линейных ускорений иллюстрируется чертежами, представленными на фиг. 1а, 1б, 2а, 2б, 2в 3а, 3б, 4. На фиг. 1а, 1б схематично изображены варианты твердотельного датчика линейных ускорений.
На фиг. 2а, 2б, 2в - схематично изображены варианты дополнительной контурной рамки переменной толщины и ширины, на фиг. 3а, 3б - схематично изображены варианты узла центральной пластины, на фиг. 4 -схематично изображены первая и вторая неподвижные внешние пластины, где:
1 - внутренняя часть,
2 - внешняя рамка,
3 - упругие элементы,
4 - первая неподвижная внешняя пластина,
5 - вторая неподвижная внешняя пластина,
6 - дополнительная контурная рамка,
7 - верхний электрод,
8 - нижний электрод,
9 - центральный электрод,
10 - подложка,
11 - гибкие секции,
12 - площадки крепления ко второй неподвижной внешней пластине,
13 - площадки крепления к подложке.
Твердотельный датчик линейных ускорений содержит внутреннюю часть 1, соединенную через упругие элементы 3 с внешней рамкой 2. С одной стороны внешней рамки 2 присоединена первая неподвижная внешняя пластина 4. С другой стороны внешней рамки 2 присоединена вторая неподвижная внешняя пластина 5. Дополнительная контурная рамка 6 состоит из отдельных гибких секций 11 (фиг. 2а, 2б, 2в). Причем дополнительная контурная рамка 6 через площадки крепления к подложке 13 соединены с подложкой 10. Через площадки крепления ко второй неподвижной внешней пластине 12 дополнительная контурная рамка 6 соединена со второй неподвижной внешней пластиной 5. С обеих сторон внутренней части 1 сформированы электроды 9. На первой неподвижной внешней пластине 4 сформирован верхний электрод 7. На второй неподвижной внешней пластине 5 сформирован нижний электрод 8. Неподвижная внешняя пластина 5 соединена с дополнительной контурной рамкой 6, которая соединена с подложкой 10, прикрепленной к основанию (не показано).
Узел центральной пластины может быть для примера представлен как маятник, соединенный с внешней рамкой 2 через упругие элементы 3. Маятник представлен как внутренняя часть 1 (фиг. 3а). Другой пример варианта узла центральной пластины это двухплечевой маятник, соединенный с внешней рамкой 2 через упругие элементы 3 (фиг. 3б). Двухплечевой маятник представлен как внутренняя часть l. Ha фиг. 1а изображен вариант твердотельного датчика линейных ускорений с вариантами дополнительной контурной рамки 6 с вариантами изображенными на фиг. 2а, фиг. 2б - с расположенными площадками крепления 13 снаружи дополнительной контурной рамки 6. На фиг. 1б изображен вариант твердотельного датчика линейных ускорений с вариантом дополнительной контурной рамки 6 с вариантом, изображенным на фиг. 2в - с расположенными площадками крепления 13 внутри дополнительной контурной рамки 6.
Твердотельный датчик линейных ускорений работает следующим образом. При действии линейного ускорения внутренняя часть 1 отклоняется от своего нейтрального положения. Упругие элементы 3 закручиваются на определенный угол. Возникающий дисбаланс дифференциального емкостного преобразователя перемещений, реализованный на первой неподвижной внешней пластине 4, второй неподвижной внешней пластине 5 и внутренней части 1 с сформированными на ней электродами 7, 8, 9 пропорционален величине измеряемого ускорения.
При воздействии на твердотельный датчик линейных ускорений вредных внешних факторов - отрицательных и положительных температур, возникают напряжения в основании (не показано). Термомеханические напряжения передаются от основания через подложку 10. Возникающие деформации от этих напряжений передаются на дополнительную контурную рамку 6 затем на неподвижную внешнюю пластину 5. Так как дополнительная контурная рамка 6 состоит из отдельных гибких секций 11 (фиг. 2а, 2б, 2в), то происходит деформация этих гибких секций 11. Таким образом, большая доля деформаций фильтруется гибкими секциями 11 и минимизированная деформация передается на упругие элементы 3. Влияние механических напряжений на упругие элементы 3 практически сводится к нулю. Отмеченные свойства подтверждают преимущества заявляемого изобретения перед известными решениями.
Твердотельный датчик линейных ускорений может изготавливаться из монокристаллического кремния с ориентацией пластины<100>÷<110>методом анизотропного травления или плазменного травления. Проведенные макетные испытания показали положительный эффект как данного микромеханического датчика, так и его способа сборки и по технологичности, и по точности, то есть уменьшению смещения нулевого сигнала.
Источники информации:
1. Патент РФ №106 001.
2. Патент РФ №225 1702.
3. Патент США №9752900 - прототип.