ЧУВСТВИТЕЛЬНЫЙ ЭЛЕМЕНТ АКСЕЛЕРОМЕТРА

Полезная модель относится к измерительной технике, а именно к датчикам линейных ускорений.
Известен чувствительный элемент акселерометра, содержащий основание и инерционную массу, расположенную с зазором относительно основания, выполненную в виде пластины с гребенчатой структурой из полупроводникового материала и связанную с основанием с помощью упругих балок, которые одними концами жестко соединены с инерционной массой, а другими - с опорами, неподвижный электрод емкостного преобразователя перемещений с гребенчатой структурой, расположенный на основании с зазором относительно инерционной массы [1]. Недостатком данного устройства является то, что чувствительный элемент выполнен из поликристаллического полупроводникового материала, что существенным образом отражается на упругих свойствах чувствительного элемента, так, при воздействии перекрестных связей возникает погрешность, прямым образом влияющая на точность. Конфигурация упругих элементов также чувствительна к перекрестным связям, что и снижает точность. Известен чувствительный элемент акселерометра, выполненный на подложке из монокристаллического кремния, ориентированный в плоскости (100), и содержащий основание, инерционную массу, упругие элементы, обеспечивающие инерционной массе поступательное перемещение в плоскости подложки, совпадающей с плоскостью (100) кристаллической решетки кремния, и емкостные гребенчатые встречно-штырьевые преобразователи [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.
Задачей, на решение которой направлена полезная модель, является увеличение точности измерения.
Для достижения этого в чувствительном элементе акселерометра, содержащем основание, инерционную массу, упругие элементы, емкостные гребенчатые встречно-штырьевые преобразователи, сформирована наружная рамка со сплошной прорезью с одной стороны на ее продольной оси, инерционная масса соединена с наружной рамкой через два упругих элемента, закрепленных на концах сплошной прорези симметрично относительно продольной ее оси, сформирован резонатор, расположенный между двух упругих элементов симметрично и соединенный с одной стороны с инерционной массой через упруго-деформируемые растяжки, на продольной ее оси, с другой стороны - с подвижными емкостными гребенчатыми встречно-штырьевыми преобразователями, сформированы неподвижные емкостные гребенчатые встречно-штырьевые преобразователи, в местах сопряжения резонатора через упруго-деформируемые растяжки с инерционной массой сформирована сквозная выемка, сформирована опорная балка с опорными площадками, соединенная с подвижными емкостными гребенчатыми встречно-штырьевыми преобразователями, между опорными площадками на опорной балке с обеих сторон опорной балки сформированы сквозные щели с одной и с другой стороны места сопряжения подвижных емкостных гребенчатых встречно-штырьевых преобразователей и опорной балки, на наружной рамке расположены площадки крепления к основанию - две на поперечной ее оси, одна - на продольной оси наружной рамки на стороне, противоположной стороне со сформированной сплошной прорезью на наружной рамке. Признаками, отличающими предложенный чувствительный элемент акселерометра от известного, является то, что сформирована наружная рамка со сплошной прорезью с одной стороны на ее продольной оси, инерционная масса соединена с наружной рамкой через два упругих элемента, закрепленных на концах сплошной прорези симметрично относительно продольной ее оси. Это позволяет оптимально закрепить резонатор на основании и обеспечить минимальную чувствительность к температурным воздействиям, снизить напряженное состояние закрепляемой колебательной системы, обеспечить минимальную нестабильность нулевой частоты. Сформированная прорезь при воздействии температур сужается или расширяется, тем самым температурные деформации не оказывают существенного влияния на частоту резонатора, а это увеличивает точность. Также расположение упругих элементов оптимально к воздействию паразитных деформаций, которые оказывают минимальное влияние на изменение их изгибной жесткости, что существенным образом увеличивает точность. Сформирован резонатор, расположенный между двух упругих элементов симметрично и соединенный с одной стороны с инерционной массой через упруго-деформируемые растяжки, на продольной ее оси, с другой стороны - с подвижными емкостными гребенчатыми встречно-штырьевыми преобразователями, сформированы неподвижные емкостные гребенчатые встречно-штырьевые преобразователи, в местах сопряжения резонатора через упруго-деформируемые растяжки с инерционной массой сформирована сквозная выемка. Соединение одной части резонатора с инерционной массой осуществлено через упруго-деформируемые растяжки на продольной ее оси и сформированную сквозную выемку, что обеспечивает минимальную зависимость резонатора от воздействия внешних вредных факторов, минимизирует потери энергии колебательной системы, таким образом, реализует схему высокодобротного резонатора. Все это повышает точность прибора. Сформирована опорная балка с опорными площадками, соединенная с подвижными емкостными гребенчатыми встречно-штырьевыми преобразователями, между опорными площадками на опорной балке с обеих сторон опорной балки сформированы сквозные щели с одной и с другой стороны места сопряжения подвижных емкостных гребенчатых встречно-штырьевых преобразователей и опорной балки, на наружной рамке расположены площадки крепления к основанию -две на поперечной ее оси, одна на продольной оси наружной рамки на стороне, противоположной стороне с сформированной сплошной прорезью на наружной рамки. Другая часть резонатора, соединенная с подвижными емкостными гребенчатыми встречно-штырьевыми преобразователями и, соответственно далее с опорной балкой, оптимально закреплена относительно основания за счет расположения на опорной балке с обеих сторон сквозных щелей с одной и с другой стороны места сопряжения подвижных емкостных гребенчатых встречно-штырьевых преобразователей и опорной балки. Это обеспечивает развязку связи резонатора с емкостным возбуждением с основанием. Соответственно, повышается добротность колебательной системы, следовательно, точность измерения полезного сигнала. Расположение площадок крепления к основанию - две на поперечной ее оси, одна - на продольной оси наружной рамки на стороне, противоположной стороне со сформированной сплошной прорезью на наружной рамке - снижает напряженное состояние закрепляемой колебательной системы - резонатора и обеспечивает минимальную нестабильность нулевой частоты, а также минимизирует влияние контактных напряжений на упругие элементы инерционной массы, тем самым, увеличивает точность.
Предложенный чувствительный элемент акселерометра иллюстрируется чертежом фиг. 1, фиг. 2. На фиг. 1 изображен его основной вид,
где:
1 - резонатор,
2 - инерционная масса,
3 - наружная рамка со сплошной прорезью,
4, 5 - упругие элементы,
6 - подвижные емкостные гребенчатые встречно-штырьевые преобразователи,
7 - неподвижные емкостные гребенчатые встречно-штырьевые преобразователи,
8 - упруго-деформируемые растяжки,
9 - сквозная выемка,
10 - опорная балка,
11 - опорные площадки,
12 - сквозные щели,
13 - основание,
14 - площадки крепления к основанию.
Чувствительный элемент акселерометра содержит наружную рамку со сплошной прорезью 3, закрепленную на основании 13 при помощи площадок крепления к основанию 14. К наружной рамке 3 через упругие элементы 4, 5 закреплена инерционная масса 2. К основанию 13 прикреплены опорная балка 10 при помощи опорных площадок 11 и неподвижные емкостные гребенчатые встречно-штырьевые преобразователи 7. Резонатор 1 чувствительного элемента акселерометра соединен с инерционной массой 2 через упруго-деформируемые растяжки 8 с одной стороны, а с другой с подвижными емкостными гребенчатыми встречно-штырьевыми преобразователями 6. Сформирован резонатор 1 между двух упругих элементов 4 и 5 симметрично, по центру вдоль продольной оси наружной рамки со сплошной прорезью 3. В месте сопряжения упруго-деформируемой растяжки 8 и инерционной массы 2 сформирована сквозная выемка 9. Подвижные емкостные гребенчатые встречно-штырьевые преобразователи 6 другим концом соединены с опорной балкой 10. На опорной балке 10 с обеих сторон, с одной и с другой стороны опорной балки 10 в места сопряжения подвижных емкостных гребенчатых встречно-штырьевых преобразователей 6 и опорной балки 10 сформированы сквозные щели 12.
Чувствительный элемент акселерометра работает следующим образом. На неподвижные емкостные гребенчатые встречно-штырьевые преобразователи 7 с обеих сторон от подвижных емкостных гребенчатых встречно-штырьевых преобразователей 6 попеременно подается переменное или импульсное напряжение. В результате происходит втягивание подвижных емкостных гребенчатых встречно-штырьевых преобразователей 6, связанных с резонатором 1. При этом возникают крутильные колебания резонатора 1 с определенной частотой. При воздействии линейного ускорения вдоль оси X инерционная масса 2 отклоняется на определенный угол за счет изгиба упругих элементов 4, 5. При отклонении инерционной массы 2 резонатор 1 деформируется, изменяя первоначальную жесткость резонатора 1 и, следовательно, частоту колебаний резонатора 1. Таким образом, изменение частоты резонатора 1 является индикатором действия линейного ускорения. При воздействии вредных возмущающих факторов, например, после анодного соединения основания 13 с наружной рамкой со сплошной прорезью 3 и опорной балкой 10 возникают остаточные напряжения, приводящие к возникновению вредных моментов и сил приложенных через площадки крепления к основанию 14 и опорные площадки 11 к резонатору 1. Сформированные упруго-деформируемые растяжки 8 со сквозными выемками 9 и сквозные щели 12 минимизируют влияние этих вредных моментов и сил на резонатор 1 и следовательно уменьшают воздействие вредных факторов, уменьшают нестабильность нулевой частоту то есть повышают точность. Тоже самое происходит и при воздействии положительных и отрицательных температур. Кроме того наружная рамка со сплошной прорезью 3 и упруго-деформируемые растяжки 8 со сквозными выемками 9 и сквозные щели 12 повышают добротность резонатора 1 за счет уменьшения потерь колебательной системы тем самым повышают добротность резонатора 1, увеличивая точность.
Источники информации:
1. Патент РФ №2279092.
2. Патент РФ №2296390 - прототип.