ЧУВСТВИТЕЛЬНЫЙ ЭЛЕМЕНТ МИКРОМЕХАНИЧЕСКОГО ДАТЧИКА

Полезная модель относится к измерительной технике, а именно к датчикам линейных ускорений.
Известен чувствительный элемент микромеханического датчика, содержащий основание и инерционную массу, расположенную с зазором относительно основания, выполненную в виде пластины с гребенчатой структурой из полупроводникового материала и связанную с основанием с помощью упругих балок, которые одними концами жестко соединены с инерционной массой, а другими - с опорами, неподвижный электрод емкостного преобразователя перемещений с гребенчатой структурой, расположенный на основании с зазором относительно инерционной массы [1].
Недостатком данного устройства является то, что чувствительный элемент выполнен из поликристаллического полупроводникового материала, что существенным образом отражается на упругих свойствах чувствительного элемента, так, при воздействии перекрестных связей возникает погрешность, прямым образом влияющая на точность. Конфигурация упругих элементов также чувствительна к перекрестным связям, что и снижает точность. Известен чувствительный элемент микромеханического датчика, выполненный на подложке из монокристаллического кремния, ориентированный в плоскости (100), и содержащий подвес инерционной массы в виде консольно закрепленных на основании упругих элементов, обеспечивающих инерционной массе поступательное перемещение в плоскости подложки, совпадающей с плоскостью (100) кристаллической решетки кремния, и емкостные гребенчатые встречно-штырьевые преобразователи [2].
Недостатком данного устройства является то, что о величине действующего ускорения можно судить по изменению емкости системы измерения перемещения инерционной массы и при дальнейшем преобразовании емкости вносится дополнительная погрешность, что значительно снижает точность прибора в целом.
Задачей, на решение которой направлена полезная модель, является увеличение точности измерения.
Для достижения этого в чувствительном элементе микромеханического датчика, содержащий основание, инерционную массу, упругие элементы, закрепленные на основании и инерционной массе, емкостные гребенчатые встречно-штырьевые преобразователи, содержит Х-образные торсионы, дополнительную инерционные массу, между двумя инерционными массами сформирован резонатор, соединенный в средней подвижной части с ними через упругие элементы и упруго деформируемые растяжки, а также сформирована внешняя рамка, по продольной оси которой расположены упругие элементы резонатора, один конец которых соединен с подвижными сторонами резонатора, другой - с внешней рамкой, кроме того, на продольной оси внешней рамке сформированы Т-образные сквозные щели, а неподвижная часть резонатора жестко соединена с внешней рамкой, в месте соединения, которых сформирована сквозная выемка.
Признаками, отличающими предложенный чувствительный элемент микромеханического датчика от известного, является то, что сформированы две инерционные массы. Это обеспечивает развязку связи резонатора с емкостным возбуждением с основанием. Соответственно, повышается добротность колебательной системы, следовательно, точность измерения полезного сигнала. Х-образные торсионы с одной стороны закреплены с внешней рамкой, другой - с инерционными массами. При воздействии линейного ускорения инерционные массы отклоняются от своего нейтрального положения на некоторый угол за счет закручивания Х образных торсионов. Резонатор сформирован между двух инерционных масс и соединен в средней подвижной части с инерционными массами через упругие элементы и упруго-деформируемые растяжки. Это повышает чувствительность микромеханического датчика, а симметричное соединение с инерционными массами уменьшает воздействие вредных факторов. Введена дополнительно внешняя рамка с расположенными на ней площадками крепления к основанию, а также Т-образными сквозными прорезями. Это позволяет оптимально закрепить резонатор с двумя инерционными массами на основании и обеспечить минимальную чувствительность к температурным воздействиям, снизить напряженное состояние закрепляемой колебательной системы, обеспечить минимальную нестабильность нулевой частоты. Упругие элементы резонатора, закрепленные на боковых подвижных частях, сопрягаются с внешней рамкой в месте расположения сквозной выемки и Т-образных сквозных щелей и выемок, тем самым обеспечивая минимальную зависимость от воздействия отрицательных и положительных температур. Жесткое соединение неподвижной части резонатора с внешней рамкой осуществлено в месте Т-образной щели, обеспечивая, таким образом, минимальную зависимость средней неподвижной части, а в итоге всего резонатора от воздействия внешних вредных факторов. Все это повышает точность прибора. Предложенный чувствительный элемент микромеханического датчика иллюстрируется чертежом фиг. 1, где:
1, 9 - инерционные массы,
2 - упругие элементы инерционных масс,
3 - упруго-деформируемые растяжки,
4 - резонатор,
5 - внешняя рамка,
6 - Х-образные торсионы,
7 - емкостные гребенчатые встречно-штырьевые преобразователи,
8 - Т-образные сквозные щели,
10 - упругие элементы резонатора,
11 - сквозная выемка,
12 - площадки крепления к основанию.
Чувствительный элемент микромеханического датчика содержит две инерционные массы 1, 9, между которыми сформирован резонатор 4, связанный через упругие элементы инерционных масс 2 и упруго-деформируемые растяжки 3 с инерционными массами 1, 9. Кроме того, резонатор 4 через упругие элементы резонатора 10 связан с внешней рамкой 5 по продольной ее оси в средней части. В середине внешней рамки 5 сформированы Т-образные сквозные щели 8 и сквозные выемки 11. X-образные торсионы 6 связывают внешнюю рамку 5 с инерционными массами 1, 9. Резонатор 4 работает при помощи емкостных гребенчатых встречно-штырьевых преобразователей 7. На внешней рамке 5, в углах расположены площадки крепления к основанию 12.
Чувствительный элемент микромеханического датчика работает следующим образом. На емкостные гребенчатые встречно-штырьевые преобразователи 7 подается переменное напряжение. При этом создаются колебания резонатора 4 с определенной частотой. Резонатор 7 колеблется относительно внешней рамки 5, воль продольной ее оси. Упругие элементы резонатора 10 работают на изгиб, тем самым обеспечивая резонатору 4 совершение колебания с фиксированной частотой. Кроме того, упругие элементы инерционных масс 2 при этом тоже изгибаются и связывают резонатор 4 в его центральной части. При действии линейного ускорения вдоль оси У, инерционные массы 1, 9 отклоняются от своего нейтрального положения на некоторый угол за счет закручивания Х-образных торсионов 6. При отклонении инерционных масс 1, 9 упруго-деформируемые растяжки 3 изгибаются и передают деформацию изгиба на упругие элементы инерционных масс 2. Это изменяет первоначальную жесткость колебательной системы, то есть резонатора 4, а это, в свою очередь, изменяет его частоту. Таким образом, изменение частоты является индикатором действия ускорения. На внешней рамке 5 расположены площадки крепления к основанию 12. Кроме того, в средней части, вдоль продольной ее оси, по оси X, сформированы Т-образные сквозные щели 8 и сквозные выемки 11. Такое расположение уменьшает влияние внешних факторов. Так, при воздействии отрицательных и положительных температур Т-образные сквозные щели 8 и сквозные выемки 11 сужаются или расширятся, тем самым уменьшая изменение деформации внешней рамки 5. При воздействии вибраций Т-образные сквозные щели 8 и сквозные выемки 11 гасят колебания рамки, тем самым уменьшают влияние вибраций.
Источники информации:
1. Патент РФ №2279092.
2. Патент РФ №2296390 - прототип.