ЧУВСТВИТЕЛЬНЫЙ ЭЛЕМЕНТ МИКРОМЕХАНИЧЕСКОГО АКСЕЛЕРОМЕТРА
SENSING ELEMENT OF THE MICROMECHANICAL ACCELEROMETER

Изобретение относится к области измерительной техники, а именно к измерительным элементам линейного ускорения.
Известен чувствительный элемент, описанный в микромеханическом акселерометре [Распопов В.Я., Микромеханические приборы: учебное пособие. - М.: Машиностроение, 2007. - 400 стр., стр. 26, рис. 1.10], содержащий подложку, выполненную из диэлектрического материала, два опорных элемента (анкера), закрепленных неподвижно на подложке, инерционную массу, выполненную в виде стержня, расположенную с зазором относительно подложки и связанную с опорными элементами через четыре сквозных упругих элемента подвеса и емкостную систему измерения перемещения инерционной массы, содержащую подвижные штыри (подвижные пластины), закрепленные к инерционной массе, и неподвижные штыри (неподвижные пластины), закрепленные на подложке, расположенные с зазором относительно подвижных штырей.
При движении подложки с линейным ускорением вдоль оси чувствительности на инерционную массу будут действовать силы инерции, которые вызовут перемещение инерционной массы, что вызовет изменение величины зазора и емкости между подвижными и неподвижными штырями емкостной системы измерения перемещения инерционной массы. По величине изменения емкости системы измерения перемещения инерционной массы можно судить о действующем ускорении.
Недостатком аналога является:
- отсутствие элементов развязки мест крепления упругих элементов от подложки, что приводит при изменении температуры к возникновению напряжений в упругом подвесе и уменьшению точности измерения линейного ускорения;
- отсутствие элементов, предотвращающих замыкание элементов емкостной системы измерения перемещения инерционной массы вдоль оси чувствительности, ведет к уменьшению надежности работы микромеханического акселерометра при действии ударов и вибрации большой интенсивности.
Известен наиболее близкий по технической сущности к заявляемому и поэтому принятый за прототип чувствительный элемент, описанный в микромеханическом акселерометре [патент РФ на полезную модель №113 013, МПК G01P 15/00, опуб. 27.01.2012 бюл. №3], содержащий подложку, выполненную из диэлектрического материала, раму, внутри которой размещены инерционная масса и четыре упругих элемента, закрепленных с одной стороны к инерционной массе, два опорных элемента, неподвижно закрепленных на подложке, а также упоры, ограничивающие перемещения инерционной массы вдоль оси чувствительности, и емкостную систему измерения перемещения инерционной массы, содержащую закрепленные к инерционной массе подвижные штыри и ответные штыри, расположенные относительно указанных подвижных штырей с зазором, при этом инерционная масса расположена с зазором относительно подложки и выполнена в виде стержня.
В данном устройстве ответные штыри неподвижно закреплены к подложке, а рама расположена с зазором относительно подложки и крепится к опорным элементам. Упругие элементы закреплены со второй стороны к раме.
Данный чувствительный элемент позволяет измерять величину действующего линейного ускорения в направлении оси ОХ.
Однако недостатком прототипа является относительно низкая точность измерения линейного ускорения. При движении подложки с линейным ускорением вдоль оси ОХ на инерционную массу действуют силы инерции, которые вызывают ее смещение, что в свою очередь вызывает изменение зазора между подвижными и неподвижными штырями, при этом, измеряя изменение емкости между штырями, судят о действующем линейном ускорении. Емкостная система измерения перемещения инерционной массы прототипа сконструирована таким образом, что при воздействии измеряемого линейного ускорения зазор между подвижными и неподвижными штырями, расположенными по обе стороны инерционной массы, изменяется в зависимости от направления воздействующего линейного ускорения относительно оси ОХ: зазор либо увеличивается, либо уменьшается. Это не позволяет реализовать измерения по дифференциальной схеме, которая требует, чтобы при воздействии ускорения зазор между штырями емкостной системы измерения перемещения, расположенными с одной стороны инерционной массы, уменьшался, и, в то же время, зазор между штырями, расположенными с противоположной стороны инерционной массы, увеличивался. Это не исключает температурную погрешность измерения, что негативно сказывается на метрологических характеристиках микромеханического акселерометра.
Кроме того, наличие в конструкции прототипа рамы, расположенной с зазором относительно подложки, и упругих элементов, закрепленных со второй стороны к раме, снижает механическую прочность структуры микромеханического акселерометра и надежность его работы в условиях наличия внешних воздействующих факторов, в частности, ударов и вибраций большой интенсивности.
Задачей и техническим результатом, на достижение которого направлено заявляемое изобретение, является повышение точности измерения линейного ускорения при повышении надежности работы чувствительного элемента микромеханического акселерометра в условиях наличия внешних воздействующих факторов, в частности, ударов и вибраций большой интенсивности.
Технический результат достигается тем, что чувствительный элемент микромеханического акселерометра, содержащий подложку, выполненную из диэлектрического материала, раму, внутри которой размещены инерционная масса и четыре упругих элемента, закрепленных с одной стороны к инерционной массе, два опорных элемента, неподвижно закрепленных на подложке, а также упоры, ограничивающие перемещение инерционной массы вдоль оси чувствительности, и емкостную систему измерения перемещения инерционной массы, содержащую закрепленные к инерционной массе подвижные штыри и ответные штыри, расположенные относительно указанных подвижных штырей с зазором, при этом инерционная масса расположена с зазором относительно подложки и выполнена в виде стержня, согласно изобретения введены установленные с зазором относительно подложки два противовеса, закрепленные через дополнительные упругие элементы на дополнительных опорных элементах, неподвижно закрепленных на подложке, при этом ответные штыри закреплены на двух балках, связанных через рычаги с противовесами, при этом рама неподвижно закреплена на подложке, а упругие элементы закреплены со второй стороны к опорным элементам.
Введение в конструкцию предлагаемого чувствительного элемента микромеханического акселерометра установленных с зазором относительно подложки двух противовесов, закрепленных через дополнительные упругие элементы на дополнительных опорных элементах, неподвижно закрепленных на подложке, дает возможность осуществить вращательное перемещение связанных с противовесами ответных штырей емкостной системы измерения в направлении, противоположном направлению движения инерционной массы в ответ на воздействие измеряемого ускорения. Это позволяет фактически в два раза увеличить девиацию выходного сигнала и значительно понизить порог чувствительности микромеханического акселерометра в сравнении с прототипом.
При этом закрепление ответных штырей на двух балках, связанных с противовесами через рычаги, позволяет увеличить амплитуду перемещения ответных штырей вдоль оси чувствительности в сравнении с амплитудой перемещения самих противовесов при воздействии внешнего ускорения, что дополнительно увеличивает девиацию выходного сигнала чувствительного элемента микромеханического акселерометра.
Емкостная система измерения перемещения инерционной массы, имеющая в своем составе только подвижные штыри, которые могут осуществлять встречное, либо противоположно направленное движение при воздействии измеряемого ускорения, обладает существенно более высокой чувствительностью в сравнении с прототипом, где использованы как подвижные, так и неподвижные штыри.
Кроме того, при воздействии измеряемого линейного ускорения штыри, связанные с первым противовесом, осуществляют встречное движение с подвижными штырями, прикрепленными к одной стороны инерционной массы, а штыри, связанные со вторым противовесом, осуществляют противоположно направленное движение с подвижными штырями, прикрепленными к противоположной стороне инерционной массы. Таким образом, зазор между штырями емкостной системы измерения перемещения с одной стороны инерционной массы уменьшается, а с противоположной стороны инерционной массы увеличивается. Это позволяет проводить измерения по дифференциальной схеме, что исключает температурную погрешность измерения и положительно сказывается на метрологических характеристиках микромеханического акселерометра в части температурного дрейфа нулевого сигнала и температурной стабильности измерений, повышая точность измерения линейного ускорения.
Закрепление рамы неподвижно на подложке ограничивает перемещение расположенных внутри нее элементов, увеличивая прочность структуры к внешним воздействующим факторам, повышая надежность работы чувствительного элемента микромеханического акселерометра в условиях действия ударов и вибрации большой интенсивности. А закрепление упругих элементов со второй стороны к опорным элементам обеспечивает увеличение механической прочности чувствительного элемента микромеханического акселерометра за счет исключения дополнительных подвижных элементов, что также повышает надежность работы.
Таким образом, совокупность всех изложенных выше признаков создает условия повышения точности измерения линейного ускорения при повышении надежности работы чувствительного элемента микромеханического акселерометра в условиях наличия внешних воздействующих факторов, в частности, ударов и вибраций большой интенсивности.
Наличие в заявляемом изобретении признаков, отличающих его от прототипа, позволяет считать его соответствующим условию «новизна».
Новые признаки, которые содержит отличительная часть формулы изобретения, не выявлены в технических решениях аналогичного назначения. На этом основании можно сделать вывод о соответствии заявляемого изобретения условию «изобретательский уровень».
Изобретение иллюстрируется чертежом, где представлен общий вид чувствительного элемента микромеханического акселерометра.
Устройство выполнено следующим образом.
Чувствительный элемент микромеханического акселерометра содержит подложку 1 в виде платы из диэлектрического материала с неподвижно закрепленной на ней рамой 2, размещенные внутри рамы 2 кремниевую инерционную массу 3 и четыре упругих элемента 4, обеспечивающих перемещение инерционной массы 3 вдоль оси, лежащей в плоскости инерционной массы 3. Инерционная масса 3 расположена с зазором относительно подложки 1 и выполнена в виде стержня. Также чувствительный элемент содержит два опорных элемента 5, неподвижно закрепленных на подложке 1, емкостную систему измерения перемещения инерционной массы 3 и установленные с зазором относительно подложки 1 два противовеса 6 в виде кремниевых пластин. Упругие элементы 4 закреплены с одной стороны к инерционной массе 3, а со второй стороны - к опорным элементам 5. Противовесы 6 закреплены через дополнительные упругие элементы 7 на дополнительных опорных элементах 8, неподвижно закрепленных на подложке 1. Емкостная система измерения перемещений инерционной массы 3 представляет собой два плоских конденсатора с воздушным зазором, каждый состоящий из 35 пар плоскопараллельных измерительных электродов - подвижных штырей 9, 10. Конденсаторы образуют дифференциальный емкостный измеритель, позволяющий проводить измерения по мостовой схеме Уитстона. При этом подвижные штыри 9 закреплены к инерционной массе 3, а ответные им подвижные штыри 10 расположены относительно штырей 9 с зазором и закреплены на двух балках 11, связанных с противовесами 6 через рычаги 12 с обеспечением вращательного перемещения в направлении, противоположном направлению движения инерционной массы 3 в ответ на ускорение вдоль оси измерения.
Устройство работает следующим образом.
Принцип действия чувствительного элемента микромеханического акселерометра основан на изменении величины воздушного зазора конденсаторов системы измерения перемещения инерционной массы 3 под воздействием внешнего ускорения. При воздействии на чувствительный элемент линейного ускорения вдоль оси OY на инерционную массу 3 и противовесы 6 действуют силы инерции, под воздействием которых инерционная масса 3 и противовесы 6 отклоняются от первоначального положения. Перемещение инерционной массы 3 и противовесов 6 передается на связанные с ними электроды - подвижные штыри 9, 10 системы измерения, при этом электроды 9, 10 движутся в противоположных направлениях. Упругие элементы 4 позволяют инерционной массе 3 перемещаться в направлении оси OY, а дополнительные упругие элементы 7 позволяют противовесам 6 совершать вращательные движения вокруг оси OZ. Движение противовесов 6 передается электродам 9, 10 системы измерения посредством рычагов 12. В местах крепления подвесов 6 к подложке 1 выполнены противоударные упоры 13, ограничивающие амплитуду колебаний по оси OY с целью предотвращения слипания измерительных электродов 9, 10 при нерегламентированных ударных воздействиях, повышая надежность работы чувствительного элемента микромеханического акселерометра. Изменение взаимного расположения электродов 9, 10 системы измерения эквивалентно изменению величины воздушного зазора между обкладками плоского конденсатора. Таким образом, изменение емкости дифференциального измерителя пропорционально величине воздействующего на чувствительный элемент внешнего ускорения. В результате происходит преобразование линейного ускорения в девиацию емкости выходного сигнала.
Особенностью работы данного устройства является реализация противоположно направленного движения подвижных штырей 9, 10 системы измерения при воздействии на чувствительный элемент линейного ускорения вдоль оси OY. Это позволяет добиться более значительного изменения величины воздушного зазора между обкладками плоского конденсатора, образованного электродами 9, 10, при воздействии измеряемого ускорения и, как следствие, значительного увеличения девиации выходного сигнала дифференциального емкостного измерителя, что положительно сказывается на чувствительности измерения, повышая точность измерения линейного ускорения.
В настоящее время ведется разработка документации, запланированы изготовление и предварительные испытания опытных образцов чувствительного элемента микромеханического акселерометра, выполненного в соответствии с заявляемым изобретением. Работоспособность подтверждена расчетами.
Итак, представленные сведения свидетельствуют о выполнении при использовании заявляемого изобретения следующей совокупности условий:
- устройство, воплощающее заявленное изобретение при его осуществлении, относится к области измерительной техники, а именно к измерительным элементам линейного ускорения;
- средство, воплощающее заявленное устройство при его осуществлении, предназначено для повышения точности измерения линейного ускорения и повышения надежности работы чувствительного элемента микромеханического акселерометра в условиях наличия внешних воздействующих факторов, в частности, ударов и вибраций большой интенсивности;
- для заявляемого устройства в том виде, в котором оно охарактеризовано в формуле изобретения, подтверждена возможность его осуществления с помощью описанных в заявке и известных до даты приоритета средств и методов.
Следовательно, заявленное изобретение соответствует условию "промышленная применимость".