ЧАСТОТНЫЙ МИКРОМЕХАНИЧЕСКИЙ АКСЕЛЕРОМЕТР

Полезная модель относится к измерительной технике, а именно к датчикам навигационных систем, измеряющим ускорение.
Известен микромеханический акселерометр с частотным выходом (патент US №5396798 «Mechanical resonance, silicon accelerometer», МПК G01P 15/08, опубл. 14.03.1995), содержащий чувствительный элемент, состоящий из подвижной инерционной массы, упругих подвесов, резонатора и основания, а также систему возбуждения и съема частотного сигнала. Резонатор представляет собой балку, которую раскачивают на резонансной частоте электростатическим способом, а снимают частотный сигнал с помощью тензорезистивной схемы.
Недостатками такого акселерометра являются недостаточная точность измерений, обусловленная дрейфом параметров тензорезисторов с течением времени, а также сложность конструкции связанной с формированием отдельных ее элементов на четырех разных пластинах, с последующим соединением в единую конструкцию.
Известны акселерометры, содержащие инерционную массу, подвесы и емкостную схему для снятия сигнала (В.Я. Распопов, Микромеханические приборы. Москва. «Машиностроение», 2007 г., 22-26 стр.).
Недостатками таких акселерометров являются сложность конструкции, большие габариты и недостаточная точность измерений, обусловленная возможностью возникновения перекоса инерционной массы, вследствие чего требуется ее постоянная балансировка.
Известен микромеханический акселерометр (патент US №5331854 «Micromachined rate and acceleration sensor having vibrating beams», МПК F02G 1/044; F16L 37/24; G01C 19/56, опубл. 26.07.94), который содержит изготовленный в виде единой детали чувствительный элемент, состоящий из подвижной инерционной массы, соединенной с помощью упругого подвеса, шарнира и вибрирующего балочного резонатора с основанием, а также систему возбуждения и съема частотного сигнала с резонатора.
Недостатком данного акселерометра является сложность конструкции и связанная с этим невысокая чувствительность, т.к. сила создаваемая ускорением распределяется между всеми упругими подвесами равномерно, а измерение осуществляется с помощью только одного упругого подвеса, который выполняет функцию резонатора.
Наиболее близким является акселерометр по патенту RU №2377575 «Частотный микромеханический акселерометр», МПК G01P 15/097, опубл. 27.12.2009, содержащий чувствительный элемент, состоящий из подвижной инерционной массы, упругого подвеса, резонатора и основания, а также систему возбуждения и съема частотного сигнала. Чувствительный элемент выполнен из единой пластины, разделенной сквозными пазами на основание, инерционную массу с упругим подвесом и резонатор, состоящий из двух или трех ветвей, которые соединены свободными концами, а основаниями закреплены на инерционной массе и основании чувствительного элемента таким образом, что при действии измеряемого ускорения перемещение инерционной массы приводит к изменению изгибной жесткости резонатора и, соответственно, частоты его колебаний.
При действии ускорения перпендикулярно плоскости чувствительного элемента свободный край пластины инерционной массы перемещается относительно внешней рамки основания. При этом резонатор (упругий элемент) деформируется и его изгибная жесткость, а значит и частота изгибных колебаний, изменяются пропорционально действующему ускорению.
Недостатком такого акселерометра является ограниченный частотный диапазон работы, обусловленный недостаточной жесткостью упругого элемента, который выполнен в виде пластины.
Задачей заявляемой полезной модели является создание частотного микромеханического акселерометра, позволяющего обеспечить технический результат, заключающийся в расширении частотного диапазона работы, за счет повышения жесткости упругого элемента, который выполнен в виде балки с предварительным прогибом.
Сущность полезной модели заключается в том, что в частотном микромеханическом акселерометре, содержащем чувствительный элемент, состоящий из подвижной инерционной массы, упругого элемента и основания, а также системы возбуждения и съема частотного сигнала, при этом чувствительный элемент выполнен из единой пластины, разделенной сквозными пазами на основание, инерционную массу с упругим элементом, соединенным с основанием и инерционной массой с возможностью изменения изгибной жесткости упругого элемента при перемещении инерционной массы под действием измеряемого ускорения, подвижная инерционная масса закреплена, по меньшей мере, на одной паре, расположенных напротив друг друга упругих элементов, которые выполнены в виде балок, их свободные концы закреплены на основании, а центры прикреплены к инерционной массе, при этом каждая балка выполнена с предварительным прогибом в ее центре в направлении перемещения инерционной массы, а величина предварительного прогиба находится в диапазоне от 1/2h до 2h, где h - геометрический размер балки в направлении ее прогиба.
Подвижная инерционная масса может быть закреплена на двух парах, расположенных напротив друг друга упругих элементов.
Для чувствительного элемента из карбида кремния может быть использована электростатическая система возбуждения и оптическая система съема частотного сигнала.
Частотный диапазон работы акселерометра ограничен резонансной частотой его чувствительного элемента, при этом резонансную частоту можно вычислить по известной формуле:
где k - жесткость чувствительного элемента;
m - масса чувствительного элемента.
0
Поэтому за счет использования упругого элемента с большей жесткостью увеличивается жесткость чувствительного элемента, а значит, и его резонансная частота, вследствие чего увеличивается частотный диапазон работы акселерометра. Большая жесткость упругого элемента достигается путем создания предварительного прогиба y в его конструкции (фиг 2), причем величина этого прогиба должна находится в диапазоне от 1\2h до 2h, где h - геометрический размер балки в направлении ее прогиба.
При величине предварительного прогиба меньше 1\2h жесткость чувствительного элемента не зависит от прогиба, т.к. при таких значениях зависимость создаваемых усилий от прогиба носит линейный характер
При величине предварительного прогиба больше 2h жесткость чувствительного элемента становится слишком большой и в этом случае невозможно переместить инерционную массу под действием ускорения.
Полезную модель иллюстрируют следующие чертежи:
Фиг. 1 a) Конструкция чувствительного элемента акселерометра с двумя парами упругих подвесов, б) Конструкция чувствительного элемента акселерометра с одной парой упругих подвесов.
Фиг. 2 Конструкция упругого подвеса.
Фиг. 3 Конструкция акселерометра.
Акселерометр содержит чувствительный элемент (фиг. 1а, б), выполненый в виде единой пластины, которая разделена сквозными пазами 5 на основание 1, инерционную массу 2 и упругие элементы 3 выполненные в виде балок с предварительным прогибом в центре (фиг. 2). Инерционная масса 2 соединена с центрами балок упругих элементов 3 с помощью подвесов 4. Свободные концы упругих элементов 3 соединены с основанием 1.
Система возбуждения и съема частотного сигнала (фиг. 3) может быть выполнена в виде автоколебательной схемы с обратной связью, которая содержит электрод 9 расположенный под инерционной массой 2, генератор опорных сигналов 8 и оптическую схему измерения, которая включает в себя оптический датчик 6 и оптический блок преобразования 7.
Возможны варианты выполнения инерционной массы 2 в виде, например, квадрата (прямоугольника, треугольника, многоугольника или круга).
Оптимальным представляется изготовление чувствительного элемента из полупроводниковых материалов, например, карбида кремния, который позволяет увеличить резонансную частоту чувствительного элемента, за счет большого модуля Юнга и меньшей плотности, а также добиться минимальной (на порядок меньшей, чем у кремния) температурной погрешности частотного сигнала без применения термокомпенсации. Использование карбида кремния позволяет применять датчик в специальных условиях, например, при высоких температурах, при повышенной радиации.
В зависимости от материала чувствительного элемента система возбуждения и съема частотного сигнала может быть построена известными методами с использованием электромагнитной, емкостной, оптоэлектронной и других схем измерения (на чертежах не показаны).
Акселерометр работает следующим образом
До начала измерения ускорения инерционную массу 2 раскачивают на резонансной частоте с использованием электрода 9 под ней, на который подается опорный сигнал с генератора 8 такой величины, что амплитуда резонансных колебаний инерционной массы 2 много меньше амплитуды ее смещения под действием ускорения. Управление опорным сигналом осуществляется с помощью обратной связи. При действии ускорения перпендикулярно плоскости основания 1 инерционная масса 2 смещается относительно основания 1. При этом упругие элементы 3 деформируются и изменяется их изгибная жесткость, а значит, и резонансная частота инерционной массы 2. Снятие сигнала может осуществляться с использованием оптической схемы измерения, которая включает в себя оптический датчик 6 и оптический блок преобразования 7.
Заявляемая полезная модель с успехом может использоваться в измерительной технике, так как предлагаемый микромеханический частотный акселерометр имеет малые габариты и вес, меньшую погрешность по сравнению с аналоговыми акселерометрами.
2
3
3
Габаритные размеры частотного акселерометра составляют 2×2 мм, размеры инерционной массы 500×500×3 мкм и размеры упругих подвесов 200×20×3 мкм.
-12
Например, при использовании упругого элемента в виде кремниевой балки длинной 100 мкм, шириной 5 мкм, толщиной 1 мкм, с остаточными механическими напряжениями менее 10 МПа и начальным прогибом 1 мкм акселерометр обладает пороговой чувствительностью по перемещению порядка 10 м, что соответствует изменению его резонансной частоты на 4 Гц.
Таким образом, заявляемый частотный микромеханический акселерометр расширяет частотный диапазон работы за счет повышения жесткости упругого элемента, который выполнен в виде балки с предварительным прогибом.