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 подвешенная 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 изобретение, 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 маятников, закрепленных на внешней рамке симметрично относительно поперечной оси, стержневой резонатор закреплен одним концом с одним маятником, а другим концом со вторым маятником, причем в местах закрепления стержневого резонатора с маятниками сформированы сквозные П-образные сквозные щели, на внешней рамке на поперечной оси сформированы консоли, на которых расположены площадки крепления к основанию, кроме того в местах сопряжения внешней рамки и консолей сформированы Т-образные сквозные щели. Признаками, отличающими предложенный резонансный микромеханический акселерометр от известного является то, что сформирована внешняя рамка, которая отсутствовала в прототипе. Введение внешней рамки позволяет оптимально закрепить резонатор и маятники резонансного микромеханического акселерометра. Так как закрепление колебательной системы влияет на точность прибора. Оптимальное закрепление предотвращает потери энергии от резонатора в основание - повышает добротность резонатора, а, следовательно, повышает точность. Чувствительный элемент содержит два маятника. Маятники, через упругие элементы закреплены на внешней рамке. Причем симметрично относительно поперечной оси, что придает симметрию конструкции резонатора микромеханического акселерометра. Стержневой резонатор закреплен одним концом с одним маятником, другим со вторым маятником. Таким образом, при воздействии измеряемого ускорения в резонаторе изменяется изгибная жесткость и при этом его концы не связаны с основанием, тем самым обеспечивая высокую добротность и минимальную нестабильность частоты колебаний, минимальную температурную погрешность. В местах закрепления стержневого резонатора с маятниками сформированы сквозные П-образные сквозные щели. Это препятствует потери энергии резонатора, уменьшает его связь с основанием. На внешней рамке, на поперечной оси сформированы консоли, на которых расположены площадки крепления к основанию. Это обеспечивает крепление резонатора микромеханического акселерометра в месте с минимально напряженным состоянием. Для обеспечения минимальной нестабильности частоты и минимальной температурной погрешности дополнительно в местах сопряжения внешней рамки и консолей сформированы Т-образные сквозные щели. Предложенный резонатор микромеханического акселерометра иллюстрируется чертежом фиг.1, где:
1 - первый маятник;
2 - стержневой резонатор;
3 - упругие элементы;;
4 - проводники системы возбуждения стержневого, резонатора;
5 - внешняя рамка;
6 - консоли с площадками крепления к основанию;
7 - электрические контактные площадки;
8 - Т-образные сквозные щели;
9 - П-образные сквозные щели;
10 - второй маятник;
11 - основание.
Резонансный микромеханический акселерометр содержит два маятника 1, 10, закрепленных на внешней рамке 5 через упругие элементы 3 симметрично относительно поперечной оси. С маятниками 1, 10 соединен стержневой резонатор 2, на котором с формированы проводники системы возбуждения 4 стержневого резонатора 2. В местах закрепления стержневого резонатора 2 с маятниками 1,10 сформированы сквозные П-образные сквозные щели 9. На внешней рамке 5, на поперечной оси сформированы консоли 6, на которых расположены площадки крепления к основанию. В местах сопряжения внешней рамки 5 и консолей 6 сформированы Т-образные сквозные щели 8.
Для обеспечения подключения электрической схемы обработки и подключения системы возбуждения стержневого резонатора 2 на маятниках 1, 10 расположены электрические контактные площадки 7.
Резонатор микромеханического акселерометра работает следующим образом. Стержневой резонатор 2 совершает колебания с определенной частотой, возбуждаемый схемой возбуждения по известному закону, подавая переменный ток на проводники системы возбуждения стержневого резонатора 4 через электрические контактные площадки 7. При воздействии линейного ускорения маятники 1,10 отклоняются от своего нейтрального положения. При этом упругие элементы 3 закручиваются на Определенный угол. Так как стержневой резонатор 2 жестко связан с двумя маятниками 1, 10, то стержневой резонатор 2 меняет свою изгибную жесткость. В результате изменяется резонансная частота стержневого резонатора 2, пропорциональная измеряемому ускорению.
Внешняя рамка 5 позволяет оптимально закрепить стержневой резонатор 2 и маятники 1, 10 резонансного микромеханического акселерометра. Оптимальное закрепление предотвращает потери энергии от стержневого резонатора 2 в основание 11 -повышает добротность стержневого резонатора 2, а следовательно повышает точность. Стержневой резонатор 2 закреплен одним концом с одним маятником 1, другим со вторым маятником 10. Таким образом, его связь с основанием минимальна. Следовательно, все вредные внешние факторы, действующие на прибор и через основание 11 на чувствительный элемент-маятники 1, 10, стержневой резонатор 2 вносят минимальную погрешность измерения. Обеспечение минимальной нестабильности частоты и минимальной температурной погрешности реализовано наличием консолями с площадками крепления 6 к основанию 11 и дополнительно в местах сопряжения внешней рамки 5 и" консолей 6 сформированы Т-образные сквозные щели 8.
Источники информации:
1. Акселерометр капиллярный А5-15, ТУ 611.781.ТУ 1984 г.
2. Патент РФ №2371728 (прототип).