Микромеханический датчик линейных ускорений

Изобретение относится к измерительной технике и может применяться для создания микромеханических акселерометров и гироскопов. Датчик содержит чувствительный элемент (ЧЭ) 1 маятникового типа, прикрепленный с помощью упругих подвесов 2 к рамке 3 ЧЭ. Рамка 3 с помощью упоров 4 крепится к основанию прибора и выполнена в форме меандра с n количеством изгибов, при этом внешний и внутренний изгибы меандра одинаковы и симметричны относительно продольной и поперечной осей симметрии чувствительного элемента, а ширина рамки постоянна. Техническим результатом является повышение точности прибора за счет снижения нестабильности нуля путем уменьшения влияния контактных напряжений и вредных воздействий на упругий подвес ЧЭ при равномерном деформировании рамки. 1 ил.

 

Изобретение относится к измерительной технике и может применяться для создания микромеханических датчиков линейных ускорений и гироскопов.

Известно устройство для измерения линейных ускорений [1], которое имеет чувствительный элемент в виде монолитной конструкции, включающей подвешенный на двух параллельных упругих элементах маятник и внешнюю рамку, выполненную в форме кольца.

Известен также микромеханический датчик линейных ускорений [2], который содержит чувствительный элемент маятникового типа, упругий подвес, соединяющий маятник с рамкой чувствительного элемента, выполняющей одновременно роль каркаса чувствительного элемента, на которой в зоне, близкой к упругому подвесу, выполнен внутренний изгиб, а также прямоугольные выступы с внешней стороны рамки для расположения упоров, которыми рамка крепится к основанию.

Перемещение поверхности детали согласно формуле Буссинеска:

где у - перемещение поверхности; E - модуль упругости; ν - коэффициент Пуассона; Р - давление на контакт; r - расстояние от точки приложения сосредоточенной силы до заданного сечения; S - площадь контакта упоров. Напряжение в j-м месте стыка упругих подвесов и упоров:

где у₀ - толщина упора.

Тогда чувствительность к контактным напряжениям будет:

Таким образом, чувствительность конструкции к контактным напряжениям определяется площадью контакта и удаленностью места заделки упругого подвеса от силового контакта.

Недостатком известных устройств является нестабильность смещения нуля вследствие высокого уровня контактных напряжений, возникающих в местах крепления упоров, а следовательно, снижается точность прибора в целом. Кроме того, в устройстве [2] наличие только внутреннего изгиба на рамке в зоне, близкой к упругому подвесу, способствует возникновению дополнительных внутренних напряжений от воздействия внешних возмущающих факторов (например, температуры), что дополнительно приводит к снижению точности прибора.

Задачей, на решение которой направлено изобретение, является повышение точности прибора за счет снижения нестабильности нуля путем уменьшения влияния контактных напряжений на упругий подвес чувствительного элемента.

Поставленная задача решается за счет того, что в микромеханическом датчике линейных ускорений, содержащем чувствительный элемент маятникового типа, упругий подвес, соединяющий маятник с рамкой чувствительного элемента с расположенными на ней упорами для крепления рамки к основанию, согласно изобретению рамка чувствительного элемента на участках между упорами, а также на участках между упорами и упругим подвесом выполнена в форме меандра с n количеством изгибов, при этом внешний и внутренний изгибы меандра одинаковы и симметричны относительно продольной и поперечной осей симметрии чувствительного элемента, а ширина рамки постоянна.

Отличительным признаком заявленного изобретения является то, что рамка чувствительного элемента на участках между упорами, а также на участках между упорами и упругим подвесом выполнена в форме меандра с n количеством изгибов при неизменном расположении мест крепления рамки кристалла к основанию и его габаритных размерах, а сам меандр выполнен с одинаковым внешним и внутренним изгибом по всей длине при одинаковой ширине рамки и строго симметричным относительно продольной и поперечной осей симметрии, тем самым увеличивается расстояние от мест крепления упоров до упругого подвеса, при этом габаритные размеры чувствительного элемента остаются неизменными, и, следовательно, исходя из условия (3), уменьшается влияние контактных напряжений на упругий подвес, за счет чего уменьшается нестабильность смещения нуля и, как следствие, повышается точность прибора в целом. Кроме того, выполнение рамки в форме меандра (с внутренним и внешним изгибом, т.е. равномерной по ширине по всей длине меандра), позволяет последней равномерно деформироваться от воздействия внешних факторов, а симметричное расположение - компенсировать до минимума вредные воздействия, тем самым опять же повышая точность. Предлагаемое изобретение иллюстрируется чертежом. Предложенный микромеханический датчик содержит чувствительный элемент 1 маятникового типа, упругие подвесы 2, рамку 3 чувствительного элемента 1 и упоры 4. Чувствительный элемент 1 прикреплен к рамке 3 с помощью упругих подвесов 2. Рамка 3 с помощью упоров 4 крепится к основанию прибора (условно не показано). Рамка 3 в предложенном решении выполнена в форме меандра с n количеством изгибов, где n может равняться 4 и более изгибам, что определяется разрешающей способностью фотолитографии и анизотропного травления, а также ориентацией исходной пластины. Под меандром понимается такая форма рамки 3, когда она выполнена в виде прямоугольных выступов с внешней стороны рамки и соответствующих этим выступам прямоугольных впадин с внутренней стороны при неизменной ширине рамки. При этом если сложить чувствительный элемент по продольной и поперечным осям соответственно, то изгибы меандра, находящиеся на рамке, совмещаются друг с другом, т.е. обеспечивается симметрия относительно этих осей. Микромеханический датчик может изготавливаться из монокристаллического кремния с ориентацией пластины <100>÷<110> методом анизотропного травления и крепится к основанию, которое может выполняться, например, из стекла марки ЛК 105, методом анодной посадки.

Сравнивая заявленное устройство и прототип, можно видеть, что расстояние r₁, от места крепления упоров 4 до упругого подвеса 2 в предложенном устройстве значительно превышает аналогичное расстояние в устройстве-прототипе, что и дает ожидаемый технический эффект.

Работа устройства основана на хорошо известном принципе перемещения чувствительного элемента 1 под действием ускорения и измерения этого перемещения известными способами.

Источники информации

1. Патент США № 4400979, МПК G 01 Р 15/13, НКИ 73/517 В, 14 июля 1981 г.

2. Журнал "Датчики и Системы" № 2, 2002 г., с.22 (прототип).

Микромеханический датчик линейных ускорений, содержащий чувствительный элемент маятникового типа, упругий подвес, соединяющий маятник с рамкой чувствительного элемента, с расположенными на ней упорами для крепления рамки к основанию, отличающийся тем, что рамка чувствительного элемента на участках между упорами, а также на участках между упорами и упругим подвесом выполнена в форме меандра с n количеством изгибов, при этом внешний и внутренний изгибы меандра одинаковы и симметричны относительно продольной и поперечной осей симметрии чувствительного элемента, а ширина рамки постоянна.