ЧУВСТВИТЕЛЬНЫЙ ЭЛЕМЕНТ МИКРОМЕХАНИЧЕСКОГО ДАТЧИКА

Полезная модель относится к измерительной технике и может применяться в микромеханических датчиках линейных ускорений.
Известен чувствительный элемент микромеханического датчика линейных ускорений, содержащий корпус, чувствительный элемент, выполненный из каркасной катушки подвешенный в корпусе на металлических растяжках, датчик перемещения каркасной катушки [1].
Недостатком этого устройства является сложность конструкции, низкая точность из-за чувствительности к перекрестным связям.
Известен чувствительный элемент микромеханического датчика ускорения, содержащий корпус, чувствительный элемент, выполненный из монокристаллического кремния в виде электропроводящей инерционной массы, представляющей собой маятник, подвешенный с помощью торсионов, которые другой стороной соединены с внешней рамкой [2]. Торсионы выполнены крестообразными с поперечным сечением в виде Х-образного профиля, а наклонные грани крестообразных торсионов с профилем поперечного сечения в виде Х-образной формы ориентированы по направлению (111) кристаллографической решетки монокристаллического кремния.
Недостатком этого устройства является то, что анодное соединение стеклянной подложки с монокристаллическим кремниевым чувствительным элементом осуществляется при повышенной температуре. После остывания конструкции «стеклянная подложка-монокристаллический кремниевый чувствительный элемент-стеклянная подложка» происходит частичная деформация внешней рамки чувствительного элемента. Эта деформация передается на упругие торсионы. Это существенным образом влияет на стабильность упругих свойств последних.
Возникающие контактные напряжения влияют на упругий торсион, за счет чего увеличивается нестабильность смещения нуля и, как следствие, понижается точность прибора в целом.
Еще одним недостатком данной конструкции - воздействии возмущающих факторов, в частности плюсовых и минусовых температур, конструкция чувствительного элемента будет деформирована, что приведет к появлению нестабильности нулевого сигнала, его высокому уровню. Изменится так же жесткость торсионов и как следствие уход крутизны преобразователя перемещений. Все это существенно снижает точность прибора в целом. Известен также чувствительный элемент микромеханического датчика линейных ускорений, содержащий маятник, упругий подвес, соединяющий маятник с рамкой чувствительного элемента с расположенными на ней упорами для крепления рамки к основанию, в рамке чувствительного элемента сформированы сквозные щели, которые расположены по периметру рамки симметрично вдоль продольной оси чувствительного элемента, причем упоры крепления расположены с ее внешней стороны, а упругий подвес с внутренней [3].
Недостатком данного устройства является то, что наличие прерывистых сквозных щелей (вверху и внизу) недостаточно для снижения к минимуму контактных напряжений, которые влияют на упругий подвес маятника. Воздействие деформации от места соединения к основанию рамки чувствительного элемента остается более существенным. Так, путь воздействия проложен сверху и снизу, где прерывается сквозная щель. Кроме того, наличие трех площадок крепления - это минимальная площадь для закрепления стеклянных обкладок. Для данной конструкции увеличение площади или количества площадок ведет к ухудшению точности прибора. Хотя увеличение количества площадок увеличивает надежность соединения, а, следовательно, и надежность прибора в рабочем диапазоне, где воздействует ряд вредных возмущающих факторов от вибрации, температуры, удара.
Задачей, на решение которой направлена полезная модель, является увеличение точности микромеханического датчика. Поставленная задача решается за счет того, что в чувствительном элементе микромеханического датчика, содержащем маятник, упругий подвес, соединяющий маятник с рамкой чувствительного элемента с расположенными на ней площадками для крепления рамки к основанию, в рамке чувствительного элемента сформированы сквозные щели, которые расположены по периметру рамки, согласно изобретению, сквозные щели сформированы непрерывно с трех сторон, образуя внутреннюю и внешнюю рамки, с общей стороной, упругий подвес сформирован на внутренней стороне внутренней рамки, кроме того, на противоположной общей стороне рамок сформирована дополнительная площадка крепления. Отличительным признаком заявленной полезной модели является то, что в рамке чувствительного элемента по ее периметру сформированы непрерывные сквозные щели по трем сторонам при неизменном расположении мест крепления рамки чувствительного элемента к основанию и его габаритных размерах. Место крепления упругого подвеса располагается с внутренней стороны внутренней рамки. Воздействие напряженного состояния осуществляется только по одному пути, общей стороне, следовательно, тем самым увеличивается расстояние от мест крепления упоров до упругого подвеса, при этом габаритные размеры чувствительного элемента остаются неизменными, и, следовательно, уменьшается влияние контактных напряжений на упругий подвес, за счет чего уменьшается нестабильность смещения нуля и, как следствие, повышается точность прибора в целом. Разделение на внутреннюю и внешнюю рамки позволяет последней равномерно деформироваться от воздействия внешних факторов, при этом деформация в зоне крепления упругих подвесов сведена к нулю, а симметричное расположение -компенсировать до минимума вредные воздействия, тем самым, опять же, повышая точность. Введение дополнительной площадки крепления увеличивает надежность соединения к основанию. Ее введение не ухудшает точностных характеристик прибора, так как расположена она на внешней рамке, отделенная от внутренней непрерывной сквозной щелью и, следовательно, путь от воздействия деформации, возникающей на ней, самый длинный.
Предлагаемая полезная модель иллюстрируется чертежом фиг.1,
где:
1 - маятник;
2 - упругие подвесы;
3 - внешняя рамка;
4 - внутренняя рамка;
5 - площадки крепления;
6 - сквозные щели;
7 - дополнительная площадка крепления;
8 - площадка для электрического контакта. Чувствительный элемент, выполненный из монокристалла кремния низкой проводимости, содержит маятник 1, упругие подвесы 2, внешнюю рамку 3, внутреннюю рамку 4, площадки крепления 5, сквозные непрерывные щели 6, дополнительную площадку крепления 7 и площадку для электрического контакта 8. Маятник 1 прикреплен к внутренней стороне внутренней рамки 3 с помощью упругих подвесов 2. Сквозные щели 6 образует внешнюю 3 и внутреннюю 4 рамки. Внешняя рамка 3 с помощью площадок крепления 5 крепится к основанию прибора. Длина сквозных щелей 6 проложена по периметру, образуя внешнюю 3 и внутреннюю 4 рамки, образуя, таким образом, контур, препятствующий распространению контактных напряжений на упругий подвес 2. Введение дополнительной площадки 7, как видно, не оказывает существенное влияние на упруго деформированное состояние упругих подвесов 2. Таким образом, такое расположение сквозной щели 6 и введение дополнительной площадки 7 увеличивают надежность и точность прибора.
Работа устройства основана на хорошо известном принципе перемещения маятника 1 под воздействием линейного ускорения и измерения этого перемещения, например емкостным способом.
Проведенные математическое моделирование в среде ANSYS показало положительный эффект данной полезной модели по сравнению с прототипом.
Источники информации:
1. Акселерометр капиллярный АК5-15, ТУ 611.781.ТУ. 1984 г.
2. Патент РФ №106001
3. Патент РФ №2379694 (прототип).