МИКРОМЕХАНИЧЕСКИЙ ОСЕВОЙ АКСЕЛЕРОМЕТР

Изобретение 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.
Известно техническое решение [Коновалов С.Ф., Лаптева Т.Н., Медведева И.И., Новоселов Г.М., Полынков А.В., Трунов А.А., Коновченко А.А., Прокофьев В.М., Ли К.С., Люк Ф. Опыт разработки навигационных приборов на базе монокристалла кремния//Микросистемная техника, 2001. №4, с.19-24], в котором акселерометр содержит корпус, инерционную массу, выполненную в виде пластины из кремния, расположенную с зазором относительно корпуса и связанную с ним через упругие перемычки с опорными элементами, образующими упругий подвес, обеспечивающий перемещение инерционной массы, датчик момента, датчик угла, электронную схему обработки сигналов.
Недостатком этого решения является сложность конструкции и сложная технология изготовления.
Известно техническое решение [ЕР 00822415 А1 04.02.98, кл. G01P 15/08. Интегральный емкостной датчик ускорения и способ его изготовления//FERRARI, PAOLO; FORONI, MARIO; VIGNA, BENEDETTO; VILLA, FLAVIO], наиболее сходное с предложенным изобретением, в котором микромеханический акселерометр содержит корпус, выполненный в виде платы из диэлектрического материала с закрепленными на ней неподвижными электродами гребенчатого электростатического датчика силы и датчика перемещений, инерционную массу, выполненную в виде пластины из кремния, расположенную с зазором относительно корпуса и связанную с ним через упругие перемычки с опорными элементами, образующими упругий подвес, обеспечивающий перемещение инерционной массы вдоль оси, лежащей в плоскости инерционной массы, электронную схему обработки сигналов.
Недостатком этого микромеханического акселерометра является невысокая надежность и сложная технология его изготовления.
7
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является микромеханический акселерометр, разработанный ЗАО "ГИРООПТИКА" [Свидетельство на полезную модель №30999, МПК G01P 15/08, приоритет от 24.07.2002 г.], содержащий корпус, выполненный в виде платы из диэлектрического материала с закрепленными на ней неподвижными электродами гребенчатого электростатического датчика силы и датчика перемещений, 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, токоподводы. Инерционная масса, упругие перемычки, подвижные электроды гребенчатого электростатического датчика силы и датчика перемещений выполнены единым элементом методом анизотропного травления кремния. Кремниевая пластина выполнена в форме прямоугольника, на поверхности которого равномерно распределены сквозные отверстия. Упругий подвес содержит четыре упругие перемычки, размещенные внутри четырех прорезей, выполненных в инерционной массе и расположенных параллельно ее коротким сторонам, один конец каждой из перемычек связан с инерционной массой, а другой конец закреплен на корпусе. Электроды гребенчатого электростатического датчика силы и датчика перемещений размещены по разные стороны инерционной массы в направлении ее осей симметрии.
Недостатком подобного устройства является невысокая надежность, обусловленная провисанием инерционной массы, и небольшой диапазон измерений. Кроме того устройство обладает недостаточной поперечной жесткостью.
Задачей настоящего изобретения является разработка микромеханического акселерометра, позволяющего увеличить диапазон измерений, повысить надежность и поперечную жесткость.
Технический результат получен за счет того, что в микромеханическом акселерометре, содержащем корпус, выполненный в виде платы из диэлектрического материала с закрепленными на ней неподвижными электродами гребенчатого электростатического датчика силы и датчика перемещений, инерционную массу, выполненную в виде пластины из кремния, расположенную с зазором относительно корпуса и связанную с ним через упругие перемычки, обеспечивающие перемещение
инерционной массы вдоль измерительной оси, лежащей в плоскости инерционной массы, электронную схему обработки сигналов, токоподводы, опорные элементы, в каждом из которых могут быть выполнены по две сквозные прорези, лежащие по обе стороны от оси перемещения инерционной массы, в каждой из которых могут быть размещены упругие перемычки. В каждом из двух опорных элементов могут быть выполнены по два упора, размещенные внутри дополнительных сквозных прорезей, выполненных в инерционной массе. Инерционная масса, подвижные электроды датчика силы и датчика перемещений, упругие перемычки и упоры могут быть выполнены единым элементом методом анизотропного травления кремния.
На чертеже представлена конструктивная схема микромеханического акселерометра осевого типа.
Микромеханический акселерометр содержит корпус, выполненный в виде платы из диэлектрического материала. В корпусе размещена инерционная масса 1, выполненная в виде прямоугольной кремниевой пластины, расположенной с зазором относительно корпуса и связанной с ним упругими перемычками 2. Упругие перемычки 2 одними концами жестко скреплены с опорными элементами 3, а вторыми концами связаны с инерционной массой 1. Упругие перемычки 2 образуют упругий подвес, обеспечивающий перемещение инерционной массы 1 вдоль оси Х-Х, лежащей в плоскости инерционной массы 1 и являющейся измерительной осью устройства. Инерционная масса 1 выполнена в виде прямоугольника. Каждая из длинных сторон инерционной массы 1 выполнена в виде гребенчатых зубцов 4, выполняющих роль подвижных электродов датчика силы и датчика перемещений. Неподвижные электроды датчика силы и датчика перемещений закреплены на корпусе.
Предложенное устройство работает следующим образом. При действии линейного ускорения в направлении оси чувствительности Х-Х инерционная масса 1 отклоняется от своего исходного положения. При этом изменяются емкости между подвижными и неподвижными электродами датчика перемещений. Сигнал, снимаемый с датчика перемещений, преобразуется электронной схемой обработки сигналов и порождает возникновение электростатического момента, стремящегося возвратить инерционную массу 1 в исходное установившееся положение. В установившемся состоянии сила инерции, действующая на инерционную массу 1, уравновешивается электростатическими силами датчика силы. Напряжение на выходе электронной схемы обработки сигналов является выходным сигналом акселерометра.
При появлении ускорений, превышающих расчетные значения, инерционная масса 1 ложится на упоры 5, предотвращая тем самым разрушение подвижной части устройства.
Таким образом, заявленный микромеханический осевой акселерометр позволяет упростить технологию изготовления, увеличить диапазон измерений, повысить надежность и увеличить поперечную жесткость устройства.