МИКРОЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИЙ ОСЕВОЙ АКСЕЛЕРОМЕТР

Предлагаемая полезная модель относится к измерительной технике, в частности, к области приборостроения, и может найти применение в системах инерциальной навигации.
Известен микроэлектромеханический осевой акселерометр [Распопов В.Я. Микромеханические приборы, М., “Машиностроение”, 2007 г., с. 22, рис. 1.4], содержащий корпус, инерционную массу, упругий подвес, датчик выходного сигнала и анкеры.
Признаки аналога совпадают со следующими признаками предлагаемой полезной модели. Подвижные электроды датчика выходного сигнала размещены на инерционной массе.
К недостаткам известного аналога можно отнести невысокую точность из-за влияния изменения температуры окружающей среды. В известном аналоге неподвижные электроды датчика выходного сигнала размещены на корпусе, а подвижные - на инерционной массе. Корпус выполнен из стекла. Инерционная масса выполнена из кремния. Коэффициенты теплового линейного расширения стекла и кремния отличаются примерно в полтора раза. Изменение температуры окружающей среды приводит к нежелательным деформациям элементов датчика выходного сигнала, которые и приводят к снижению точности работы устройства.
Наиболее близким по своей технической сущности к предлагаемому устройству является микроэлектромеханический осевой акселерометр [Россия, патент на полезную модель №129657, G01P 15/08, опубл. 27.06.2013 г. Бюл. №18],. содержащий корпус, инерционную массу, упругий подвес, емкостной датчик выходного сигнала, электронную схему обработки сигналов и опорные площадки или анкеры.
Признаки ближайшего аналога совпадают со следующими признаками предлагаемой полезной модели. Емкостной датчик выходного сигнала выполнен в виде четырех идентичных секций, расположенных симметрично относительно центральной точки устройства. Секции связаны между собой электрически и включены по дифференциальной схеме. Подвижные электроды датчика выходного сигнала размещены на инерционной массе. Неподвижные электроды - на пластинах из кремния.
К недостаткам ближайшего аналога можно отнести невысокую точность из-за влияния изменения температуры окружающей среды. Пластины из кремния, на которых размещены неподвижные электроды, крепятся непосредственно на корпусе устройства, т.е. на стекле.
Задача, на решение которой направлена предлагаемая полезная модель, состоит в уменьшении влияния температуры окружающей среды на работу акселерометра и в конечном итоге в повышении точности его работы.
Технический результат получен за счет того, что в микроэлектромеханическом осевом акселерометре, содержащем корпус, выполненный в виде платы из диэлектрического материала, инерционную массу, выполненную в виде пластины из кремния, расположенную с зазором относительно корпуса, упругие перемычки, образующие упругий подвес, обеспечивающий перемещение инерционной массы вдоль первой оси, лежащей в плоскости инерционной массы, емкостной датчик выходного сигнала, выполненный в виде четырех идентичных секций, расположенных симметрично относительно центральной точки устройства, связанных между собой электрически и включенных по дифференциальной схеме, электронную схему обработки сигналов и анкеры, введена наружная прямоугольная рамка из кремния, расположенная с зазором относительно корпуса, в центре каждой из сторон которой выполнены прямоугольные прорези, внутри которых размещены анкеры, связанные с наружной рамкой четырьмя упругими перемычками, не допускающими линейные перемещения наружной рамки вдоль первой и второй осей, внутри наружной рамки размещена инерционная масса, в центре которой выполнена сквозная прорезь прямоугольной формы, внутри которой размещены первая и вторая идентичные внутренние рамки из кремния прямоугольной формы, расположенные симметрично по обе стороны второй оси прямоугольной системы координат с началом в центре устройства, центры масс каждой из двух внутренних рамок расположены на первой оси, внутри каждой из рамок, в их центральных частях, размещены анкеры, связанные с каждой из рамок упругими перемычками, не допускающими линейные перемещения каждой из рамок вдоль первой и второй осей, на двух наружных сторонах, параллельных первой оси, каждой из рамок размещены неподвижные электроды емкостного датчика выходного сигнала, подвижные электроды которого размещены на двух внутренних сторонах инерционной массы, параллельных первой оси.
Существенными признаками предлагаемой полезной модели являются:
- дополнительное введение наружной рамки из кремния;
- расположение инерционной массы внутри наружной рамки;
- дополнительное введение первой и второй внутренних рамок из кремния;
- расположение неподвижных электродов датчика выходного сигнала на внутренних рамках;
- расположение анкеров (опорных площадок) и упругих перемычек таким образом, чтобы не допустить линейных перемещений наружной рамки и двух внутренних рамок вдоль первой и вдоль второй оси.
Указанная совокупность существенных признаков является достаточной для достижения заявленного технического результата.
Сущность предлагаемой полезной модели поясняется графическими изображениями. На фиг. 1 представлена принципиальная конструктивная схема устройства. На фиг. 2 представлена конструктивная схема микроэлектромеханического осевого акселерометра. На фиг. 3 представлен фрагмент конструктивной схемы, ее центральной части, в другой пропорции.
Устройство содержит корпус 1, выполненный в виде платы из стекла, инерционную массу 2, выполненную в виде пластины из кремния, расположенную с зазором относительно корпуса 1 и размещенную внутри наружной прямоугольной рамки 3 из кремния. Рамка 3 расположена с зазором относительно корпуса 1 и имеет четыре прямоугольные прорези, выполненные в центре каждой из сторон. Внутрижаждой из прорезей размещены анкеры 4 (опорные площадки). Каждый из анкеров 4 связан с наружной рамкой 3 четырьмя перемычками 5. Перемычки 5 выполнены так, чтобы не допустить линейные перемещения наружной рамки 3 вдоль первой оси X-X и вдоль второй оси Y-Y. Внутри наружной рамки 3 размещена инерционная масса 2, связанная с рамкой 3 четырьмя упругими перемычками 6, допускающими перемещение массы 2 вдоль первой оси X-X. В центральной части инерционной массы 2 выполнена сквозная прорезь прямоугольной формы, внутри которой размещены первая 7 и вторая 8 идентичные внутренние рамки из кремния, расположенные симметрично по обе стороны второй оси Y-Y. Внутри каждой из рамок 7 и 8 размещены анкеры 9, связанные с каждой из рамок 7 и 8 упругими перемычками 10, не допускающими линейные перемещения каждой из рамок 7 и 8 вдоль первой оси X-X и вдоль второй оси Y-Y. На наружных сторонах каждой из рамок 7 и 8 размещены неподвижные электроды 11 емкостного датчика выходного сигнала 12. Подвижные электроды 13 датчика выходного сигнала 12 размещены на внутренних сторонах инерционной массы 2.
Устройство работает следующим образом. При действии линейного ускорения в направлении оси чувствительности X-X инерционная масса 2 отклоняется от своего исходного положения. При этом изменяются емкости между подвижными 13 и неподвижными 11 электродами емкостного датчика 12 выходного сигнала. Сигнал, снимаемый с датчика 12, поступает на вход электронной схемой обработки сигналов. Напряжение на выходе электронной схемы является выходным сигналом устройства.
В процессе сборки устройства при формировании опорных площадок (анкеров) кремний соединяется со стеклом посредством электро-диффузионной сварки путем приложения внешней разности потенциалов и одновременного нагрева до температур 200°C…450°C. В результате соединения образуются напряжения, возникающие вследствие разности значений коэффициентов теплового линейного расширения стекла и кремния. В предлагаемом устройстве кремниевые электроды датчика выходного сигнала, как подвижные, так и неподвижные, отделены от корпуса (стекла) промежуточными элементами (рамками) и упругими перемычками. Предложенная конструкция акселерометра дает возможность снизить влияние изменения температуры на выходные характеристики устройства. Как показали экспериментальные исследования, предложенное техническое решение позволило уменьшить температурный дрейф основных параметров устройства в пять раз по сравнению с прототипом и тем самым повысить точность его работы.