РЕЗОНАНСНЫЙ МИКРОМЕХАНИЧЕСКИЙ АКСЕЛЕРОМЕТР

Полезная модель относится к измерительной технике и может применяться в микромеханических датчиках линейных ускорений. Известен микромеханический акселерометр, содержащий каркасную катушку, которая одновременно является маятником и подвешена на упругих металлических растяжках, датчик угловых перемещений каркасной катушки [1].
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 [2].
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 полезная модель, является увеличение точности резонансного микромеханического акселерометра. Для достижения этого в резонансном микромеханическом акселерометре, содержащем основание, чувствительный элемент, стержневой резонатор, упругие элементы сформирована внешняя рамка, чувствительный элемент выполнен в виде двух идентичных маятников, закрепленных на внешней рамке симметрично относительно поперечной оси, и содержит два идентичных стержневых резонатора, закрепленных одним концом с одним маятником, а другим концом - со вторым маятником, причем один резонатор сформирован заодно с внешней поверхностью обоих маятников с одной стороны, а другой - заодно с внешней поверхностью с противоположной стороны обоих маятников, и расположены симметрично относительно продольной оси чувствительного элемента, сформированные электрические контактные площадки и токоведущие дорожки системы возбуждения колебаний и съема информации нанесены на внешних сторонах резонаторов и включены по дифференциальной схеме, в местах закрепления стержневых резонаторов с маятниками сформированы сквозные щели, на внешней рамке на поперечной оси сформированы площадки крепления к основанию, расположенные и выступающие вовнутрь внешней рамки, кроме того в местах сопряжения внешней рамки и площадок крепления сформированы сквозные крестообразные щели.
Признаками, отличающими предложенный резонансный микромеханический акселерометр от известного является то, что сформирована внешняя рамка. Внешняя рамка позволяет оптимально закрепить резонаторы и маятники резонансного микромеханического акселерометра. Оптимальное, то есть с минимальными потерями энергии возбуждения от резонаторов в основание - повышает добротность резонатора, а, следовательно, повышает точность. Чувствительный элемент содержит два идентичных маятника, которые через упругие элементы соединены с внешней рамкой симметрично относительно поперечной оси. Идентичные резонаторы закреплены одним концом с одним маятником, другим - со вторым маятником. Причем один резонатор сформирован заодно с внешней поверхностью обеих маятников с одной стороны, а другой - заодно с внешней поверхностью с противоположной стороны обеих маятников и расположены симметрично относительно продольной оси чувствительного элемента. Электрические контактные площадки и токоведущие дорожки системы возбуждения колебаний и съема информации нанесены на внешних сторонах резонаторов. Таким образом, при воздействии измеряемого ускоренна один резонатор сжимается, другой при этом растягивается. То есть у одного резонатора частота увеличивается, у другого уменьшается. Далее эти частоты вычитаются. Это так называемая дифференциальная схема включения для измерения измеряемого параметра. Разность этих частот пропорциональна измеряемому ускорению, тем самым, обеспечивая минимальную нестабильность частоты колебаний, минимальную температурную погрешность, так как воздействие этих вредных факторов на каждый резонатор вычитается. Кроме того концы резонаторов не связаны с основанием, тем самым обеспечивая высокую добротность, а следовательно и высокую точность прибора. В местах закрепления стержневого резонатора с маятниками сформированы сквозные щели. Это препятствует потери энергии резонатора, уменьшает его связь с основанием.. На внешней рамке, на поперечной оси сформированы площадки крепления к основанию, расположенные и выступающие вовнутрь внешней рамки, что обеспечивает крепление резонатора микромеханического акселерометра в месте с минимально напряженным состоянием. Кроме того в местах сопряжения внешней рамки и площадок крепления, сформированы сквозные крестообразные щели, обеспечивающие минимальную нестабильность частоты и минимальную температурную погрешность.
Предложенный резонансный микромеханический акселерометр иллюстрируется чертежами фиг. 1, фиг. 2. На фиг. 1 изображен его основной вид,
где:
1 - маятники,
2 - стержневые резонаторы,
3 - упругие элементы.
4 - токоведущие дорожки системы возбуждения колебаний и съема информации,
5 - внешняя рамка,
6 - площадки крепления к основанию,
7 - электрические контактные площадки,
8 - крестообразные сквозные щели,
9 - сквозные щели,
10 - основание.
На фиг. 2 вид А-А.
Резонансный микромеханический акселерометр содержит два маятника 1, закрепленных на внешней рамке 5 через упругие элементы 3 симметрично относительно поперечной оси. С маятниками 1 соединены стержневые резонаторы 2, на внешних поверхностях которых сформированы токоведущие дорожки системы возбуждения колебаний и съема информации 4 и электрические контактные площадки 7. В местах закрепления стержневого резонатора 2 с маятниками 1 сформированы сквозные щели 9. На внешней рамке 5, на поперечной оси сформированы площадки крепления к основанию 6. В местах сопряжения внешней рамки 5 и площадок крепления к основанию 6 сформированы крестообразные сквозные щели 8.
Резонансный микромеханический акселерометр работает следующим образом.
Подавая переменный ток на токоведущие дорожки системы возбуждения колебаний и съема информации 4 через электрические контактные площадки 7, в постоянном магнитном поле (не показано) возникают вынужденные гармонические колебания резонаторов 2 на собственной частоте, то есть частоте резонанса этих резонаторов 2. Так как резонаторы 2 идентичны, а схема их включения дифференциальная, то на выходе получаем частоту, соответствующую нулевому сигналу прибора. Такое расположение резонаторов 2 в конструкции резонансного микромеханического акселерометра, а именно заодно с внешней поверхностью обеих маятников 1 с одной стороны, а другой - заодно с внешней поверхностью с противоположной стороны обеих маятников 1 и расположены симметрично относительно продольной оси чувствительного элемента позволяет свести к минимуму не только ее абсолютную величину, но и ее временную нестабильность. При воздействии линейного ускорения маятники 1 отклоняются от своего нейтрального положения. При этом упругие элементы 3 закручиваются на определенный угол. Так как стержневые резонаторы 2 жестко связан с двумя маятниками 1, то один из стержневых резонаторов 2 сжимается, другой растягивается. То есть у одного резонатора 2 частота увеличивается, у другого уменьшается. Далее эти частоты вычитаются. Разность этих частот пропорциональна измеряемому ускорению, тем самым обеспечивая минимальную нестабильность частоты колебаний, минимальную температурную погрешность, так как воздействие этих вредных факторов на каждый резонатор 2 вычитается. Кроме того концы резонаторов 2 не связаны с основанием 10, тем самым обеспечивая высокую добротность, а, следовательно, и высокую точность прибора.
Внешняя рамка 5 позволяет оптимально закрепить стержневые резонаторы 2 и маятники 1 резонансного микромеханического акселерометра. Такое закрепление предотвращает потери энергии от стержневых резонаторов 2 в основание 10 - повышает добротность стержневых резонаторов 2, а следовательно повышает точность. Стержневые резонаторы 2 закреплены одним концом с одним маятником 1, другим со вторым, тем самым обеспечивая минимальную связь резонаторов 2 с основанием 10. Все вредные внешние факторы при этом, действующие на прибор и через основание 10 на чувствительный элемент-маятники 1, стержневые резонаторы 2 вносят минимальную погрешность измерения. Минимальную нестабильность частоты и минимальную температурную погрешность обеспечивает наличие площадок крепления к основанию 6, расположенные и выступающие вовнутрь внешней рамки на ее продольной оси. Дополнительно в местах сопряжения внешней рамки 5 и площадок крепления к основанию 6 сформированы крестообразные сквозные щели 8, которые препятствуют влиянию напряженного состояния от основания 10 при воздействии положительных и отрицательных температур, а также прочих вредных деформаций.
Источники информации:
1. Акселерометр капиллярный А5-15, ТУ 611.781.ТУ 1984 г.
2. Патент РФ №2371728 (прототип).