МИКРОМЕХАНИЧЕСКИЙ АКСЕЛЕРОМЕТР

Предлагаемая полезная модель относится к области измерительной техники, а, более конкретно, к измерительным преобразователям линейного ускорения.
Известны конструкции микроэлектромеханических (МЭМС) акселерометров, состоящих из инерциальной массы, закрепленной на упругом элементе (мембране), который, в свою очередь, крепится к опорному элементу. Упругий элемент и инерционная масса вместе составляют подвижный элемент конструкции. Опорный элемент крепится к подложке. Принцип действия этих устройств основан на детектировании перемещения инерциальной массы вдоль оси чувствительности устройства относительно подложки под действием линейного ускорения, направленного вдоль оси чувствительности, при помощи емкостных систем возбуждения-регистрации колебаний инерционной массы (резонатора). Подобные устройства описаны, например, в патентах США №7617729 «Акселерометр» от 17.11.2009, №6631643 «Акселерометр» от 14.10.2003, №6761070 «Микроизготавливаемый линейный акселерометр» от 13.07.2004, заявке WO №9428427 «Микроэлектромеханический акселерометр» от 08.12.1994 и монографии Распопов В.Я., «Микромеханические приборы: учебное пособие», М., Машиностроение, 2007.
Общими недостатками рассмотренных технических решений является: - отсутствие пространственной развязки мест крепления упругого элемента от опорного элемента, что приводит, при изменении температуры, к возникновению напряжений в упругом элементе за счет температурной деформации как упругого элемента, так и опорного элемента, что ведет к уменьшению точности измерения линейного ускорения;
- отсутствие элементов, предотвращающих короткое замыкание элементов емкостной системы измерения перемещения инерционной массы вдоль оси чувствительности, что ведет к уменьшению надежности работы микромеханического акселерометра при действии ударов и вибрации большой интенсивности.
Известно устройство МЕМС акселерометра, являющееся наиболее близким аналогом и выбранное за прототип, не содержащее вышеупомянутых недостатков, описанное в патенте РФ №2442992 «Виброчастотный микромеханический акселерометр» от 20.02.2012.
В патенте РФ №2442992 устройство акселерометра содержит подложку из диэлектрического материала, опорные элементы, неподвижно закрепленные на подложке, инерционную массу, расположенную с зазором относительно подложки и связанную с опорными элементами через упругие элементы подвеса. Дополнительная масса также расположена с зазором относительно подложки и связана с опорными элементами через упругие элементы подвеса, при этом ее масса существенно меньше массы инерционной массы. Резонатор, представляющий собой балку с прямолинейной осью, расположен с зазором относительно подложки и закреплен с одной стороны к инерционной массе, а с другой - к дополнительной массе. Подвижный элемент конструкции в данном случае состоит из инерционной массы и дополнительной массы. Система регистрации перемещений инерционной массы выполнена в виде электростатической системы возбуждения - регистрации колебаний резонатора, которая содержит неподвижные электроды, закрепленные на подложке, и подвижный электрод, в качестве которого используется резонатор. Изобретение обеспечивает повышение точности измерений.
К недостаткам технических решений предлагаемых в устройстве - прототипе следует отнести:
- изменение диапазона измеряемых ускорений достижимо только путем изменения длины прямолинейного резонатора, т.к. уменьшение сечения резонатора ограничено технологическими причинами; при этом расширение диапазона приводит к увеличению размеров всех элементов конструкции и устройства в целом;
- значительные остаточные механические напряжения, возникающие на резонаторе после сборки устройства (крепления резонатора к опоре) и отсутствие элементов развязки мест крепления упругих элементов от подложки, что приводит при изменении температуры к возникновению дополнительных напряжений в упругом подвесе и уменьшению точности измерения линейного ускорения.
Задачами полезной модели являются расширение диапазона измерений линейного ускорения без изменения размеров устройства и повышения точности измерений.
Для решения поставленных задач предложен МЭМС акселерометр (Фиг.1), который содержит диэлектрическую подложку (1) с опорами подвижного элемента (7), подвижный элемент (инерционная масса) (2), закрепленный с зазором относительно подложки на упругих подвесах (8), массивную часть резонатора (4), резонатор, представляющий собой балку, выполненную заедино, состоящую из двух частей: балка с прямолинейной осью (5) и балка с криволинейной осью, например, окружность (3), опору резонатора (6) и емкостную систему возбуждения-регистрации колебаний резонатора (9).
Опоры резонатора (6) и подвижного элемента (7) на диэлектрической подложке могут быть выполнены заедино с подложкой, например, при помощи травления, при этом высота опор обеспечивает необходимый зазор между подложкой и подвижным элементом.
Подвижный элемент (инерционная масса) (2) присоединяется к опорам (7) посредством упругих подвесов (8) с зазором относительно подложки (1). Упругие подвесы (8) могут быть выполнены заедино с подвижным элементом (2) в ходе единого технологического процесса. Подвижный элемент (инерционная масса) (2) изготавливается в виде, например, прямоугольной рамки, расположенной с зазором относительно подложки (1).
В предлагаемом МЭМС акселерометре внутри рамки подвижного элемента (инерционной массы) (2) находится резонатор (3, 4, 5), представляющий собой балку, например, прямоугольного сечения, прямолинейная ось которой расположена вдоль направления вектора измеряемого ускорения. Резонатор состоит из массивной части (4), присоединяемой к опоре резонатора (6), расположенной на подложке, посредством сварки, прямолинейной части (ось балки представляет собой прямую линию) (5) и криволинейной части (ось балки представляет собой кривую линию, симметричную относительно оси прямолинейной части резонатора и выполненной, например, в виде кольца или петли S-образной формы) (3). Противоположный от массивной части конец резонатора присоединен к подвижной части (инерционной массе) (2). Резонатор может выполняться заедино с подвижным элементом в ходе единого технологического процесса.
Система возбуждения-регистрации колебаний резонатора (9) выполнена на подложке (1) в виде электростатической системы возбуждения - регистрации колебаний резонатора, которая содержит неподвижные электроды, закрепленные на подложке (1), и подвижный электрод, в качестве которого используется прямолинейная часть резонатора (5).
Массивная часть резонатора обеспечивает снижение остаточных напряжений, возникающих при изменении температуры, таким образом, что влияние остаточных напряжений не приводит к изменению натяжения балки резонатора и тем самым снижается температурная погрешность измерения линейного ускорения и увеличивается точность измерения.
Криволинейная часть резонатора позволяет обеспечить изменение диапазона измеряемых ускорений в ходе разработки и изготовления акселерометра. Меняя геометрические параметры (размеры и форму) криволинейной части резонатора, мы можем задавать различные резонансные частоты резонатора. По резонансной частоте резонатора детектируется ускорение подвижного элемента.
МЭМС акселерометр содержит: 1 - диэлектрическую подложку, 2 - подвижный элемент (инерционная масса), 3 - часть резонатора, выполненная в форме кривой, симметричной относительно оси прямолинейной части резонатора, 4 - массивную часть резонатора, 5 - прямолинейную часть резонатора, 6 - опору резонатора, 7 - опоры подвижного элемента, 8 - упругие подвесы подвижного элемента, 9 - емкостную систему возбуждения-регистрации колебаний резонатора. (Фиг.1)
При измерении ускорения акселерометр помещается на исследуемый объект. Ускорение вызывает перемещение подвижного элемента в направлении прямолинейного участка резонатора, данное перемещение, в свою очередь, вызывает изменение натяжения резонатора, что влияет на резонансную частоту резонатора. Изменение резонансной частоты резонатора детектируется стандартной емкостной системой, расположенной на подложке (например, встречно-штыревой).
Таким образом, в предлагаемом МЕМС акселерометре за счет наличия криволинейной части резонатора обеспечивается расширение диапазона измеряемых ускорений, а за счет наличия массивной части резонатора реализуется эффективное снижение остаточных механических напряжений, что повышает точность измерения.