ЧУВСТВИТЕЛЬНЫЙ ЭЛЕМЕНТ МЭМС-АКСЕЛЕРОМЕТРА С ИЗМЕРЯЕМЫМ ДИАПАЗОНОМ УСКОРЕНИЙ БОЛЬШОЙ АМПЛИТУДЫ

Полезная модель относится к области измерительной техники и может быть использована в инерциальных системах для измерения величины и направления ускорения большой амплитуды.
Известен микромеханический осевой акселерометр, содержащий корпус, выполненный в виде платы, 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, емкостной датчик выходного сигнала, содержащий подвижные электроды, расположенные на инерционной массе, и неподвижные электроды, электростатический датчик силы и анкеры, отличающийся тем, что емкостной датчик выходного сигнала выполнен в виде четырех идентичных секций, расположенных симметрично относительно центральной точки, в каждой из которых неподвижные электроды размещены на пластине из кремния, расположенной консольно с зазором относительно корпуса и имеющей форму клина, одна сторона которого отделена от корпуса прорезью, на другой стороне размещены непосредственно электроды, а основанием клина служит корпус [1].
Недостаток этого устройства заключается в том, что в нем отсутствуют элементы, ограничивающие перемещения инерционной массы вдоль оси чувствительности в условиях действия ускорения большой амплитуды. Это приводит к снижению надежности работы устройства.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому эффекту является микромеханический акселерометр, содержащий подложку, выполненную из диэлектрического материала, два опорных элемента, неподвижно закрепленных на подложке, инерционную массу, расположенную с зазором относительно подложки и выполненную в виде стержня, четыре упругих элемента, закрепленных с одной стороны к инерционной массе, и емкостную систему измерения перемещения инерционной массы, содержащую подвижные штыри, закрепленные к инерционной массе, и неподвижные штыри, закрепленные к подложке, расположенные с зазором относительно подвижных штырей, отличающийся тем, что он снабжен рамой, закрепленной на опорных элементах с зазором относительно подложки, внутри которой размещены инерционная масса и упругие элементы, причем упругие элементы закреплены со второй стороны к раме и тем, что он снабжен упорами, ограничивающими перемещения инерционной массы вдоль оси чувствительности [2].
Недостаток этого устройства заключается в том, что формирование упоров предполагает выполнение дополнительных технологических операций и, соответственно, приводит к усложнению конструкции и снижению ее надежности.
Задачей полезной модели является повышение надежности чувствительного элемента МЭМС-акселерометра за счет упрощения конструкции с сохранением возможности ограничения перемещения инерционной массы вдоль оси чувствительности в условиях действия ускорения большой амплитуды.
Это достигается тем, что чувствительный элемент МЭМС-акселерометра с измеряемым диапазоном ускорений большой амплитуды, содержащий корпус, выполненный в виде платы, инерционную массу, выполненную в виде пластины из кремния, расположенную с зазором относительно корпуса и связанную с ним через точки крепления, образованные путем анодного сращивания двух областей на инерционной массе и на корпусе, образующие упругий подвес, обеспечивающий перемещение инерционной массы вдоль оси, направленной перпендикулярно плоскости инерционной массы, емкостной датчик выходного сигнала, содержащий подвижные электроды, расположенные на инерционной массе, и неподвижные электроды, расположенные на корпусе, использует в качестве элемента, ограничивающего перемещение инерционной массы вдоль оси чувствительности в условиях действия ускорения большой амплитуды, элемент конструкции (упор), образованный с помощью корпуса и инерционной массы, связанной с ним через точки крепления, образованные путем анодного сращивания двух областей на инерционной массе и на корпусе. Для формирования подобного упора не требуется выполнения отдельных технологических операций, что приводит к упрощению конструкции и повышению ее надежности.
На фиг. 1 представлен чувствительный элемент МЭМС-акселерометра с измеряемым диапазоном ускорений большой амплитуды, где:
1 - корпус;
2 - инерционная масса;
3 - точки крепления;
4 - емкостной датчик гребенчатого сигнала;
5 - подвижный электрод;
6 - неподвижный электрод.
Чувствительный элемент МЭМС-акселерометра, состоит из корпуса 1, выполненного в виде платы, имеющего структуру "кремний на изоляторе", инерционной массы 2, выполненной в виде пластины из кремния, расположенную с зазором относительно корпуса и связанную с ним через точки крепления 3, образованные путем анодного сращивания двух областей на инерционной массе и на корпусе, емкостного датчика гребенчатого типа 4, у которого подвижные электроды 5 расположены на инерционной массе 2, а неподвижные электроды 6 расположены на корпусе 1.
Чувствительный элемент МЭМС-акселерометра работает следующим образом: при возникновении ускорения большой амплитуды инерционная масса 2 будет иметь ограничение при перемещении вдоль оси чувствительности за счет элемента конструкции (упора), образованного с помощью корпуса и инерционной массы, связанной с ним через точки крепления, образованные путем анодного сращивания двух областей на инерционной массе и на корпусе. Таким образом, формирование упора происходит с помощью уже присутствующих в конструкции инерционной массы 2 и корпуса 1 и не требует введения дополнительных конструктивных элементов.
Для примера рассмотрим конструкцию, предназначенную для работы в условиях воздействия ускорения амплитудой 200g. Тогда ширина зазора, реализующего данное решение, составит 3 мкм.
Согласно проведенным расчетам, использование данного решения позволит повысить величину наработки на отказ чувствительного элемента МЭМС-акселерометра в среднем в 2 раза. Это обусловлено тем, что основным эффектом, приводящим к отказу является слипание его кантилеверов между собой и с другими частями конструкции под влиянием внешних воздействующих факторов (к которым относится ускорение большой амплитуды). Остальные виды отказов имеют намного меньшее значение и могут быть описаны с помощью стандартных методов оценки параметров надежности электронных средств.
Источники информации:
1. Патент РФ №129657.
2. Патент РФ №113013 – прототип.