Инерциальный элемент

Изобретение относится к измерительной технике и может применяться в навигационно-пилотажных системах летательных аппаратов. Сущность изобретения заключается в том, что чувствительный элемент микроэлектромеханического гироскопа выполнен из монокристаллического кремния, представляющий конструкцию «рамка в рамке». При этом во внешней рамке выполнен электростатический силовой преобразователь, компенсирующий в ней кориолисов момент, возникающий в ней при вторичных колебаниях, передаваемых от внутренней рамки. Технический результат - повышение точности измерений. 1 ил.

 

Изобретение относится к измерительной технике и может применяться в навигационно-пилотажных системах летательных аппаратов. Изобретение основано на принципе измерения угловых скоростей движущихся объектов, при котором чувствительную массу датчика приводят в колебательное движение, одновременно на колеблющуюся чувствительную массу воздействуют измеряемой угловой скоростью, получают ускорение Кориолиса тем, что выполняют два измерения, при первом измеряют сумму линейного ускорения и угловой скорости, а при втором отдельно измеряют линейное ускорение, затем из результата первого измерения вычитают результат второго измерения, полученный результат представляют как значение угловой скорости, операции вычитания, запоминания и выдачу результатов потребителю информации выполняют с помощью встроенного в датчик микроконтроллера.

Известен чувствительный элемент [1] микроакселерометра, выполненный по осевому типу. Состоит чувствительный элемент из однородной пластины проводящего кремния, внутри которой размещен на упругих пружинках подвижный узел (челнок). Гребенки встречно-штыревых преобразователей выполнены посредством ионного травления на чувствительной массе и электрически изолированы от нее зазорами.

Недостатками известного чувствительного элемента микроакселерометра являются низкая точность измерения ускорений.

Наиболее близким к заявляемому может служить чувствительный элемент [2], содержащий изоляционную подложку, на которой выращен слой жертвенного поликремния, а на слое жертвенного поликремния выращен слой кристаллического монокремния в виде несущей планарной области, в слое кристаллического монокремния методом плазменного травления выполнен подвижный узел, включающий чувствительную массу, упругие подвесы, жестко соединенные одним концом с несущей планарной областью, а вторым - с чувствительной массой, электроды электростатического преобразователя силы: подвижный и неподвижные, под подвижным узлом жертвенный слой поликремний стравлен.

Недостатками известного чувствительного элемента микрогироскопа являются:

1. Он не может быть выполнен на любые диапазоны измерений, требуемые в технике, поскольку чувствительный элемент имеет недостаточную массу.

2. Известный чувствительный элемент имеет низкую точность, обусловленную влиянием поперечных составляющих, поскольку пружинки подвеса имеют две степени свободы.

Задача, на решение которой направлено изобретение - расширение диапазона измерений и повышение точности с заявляемым инерциальным элементом микрогироскопа.

Этот технический результат достигается тем, что инерциальный элемент, содержащий изоляционную подложку, на которой выращен слой жертвенного поликремния, а на слое жертвенного поликремния выращен слой кристаллического монокремния в виде несущей планарной области, содержит также электронный блок на микроконтроллере, включенном в прямой цепи контура регулирования, и электростатический преобразователь силы, подвижные электроды которого жестко связаны с чувствительной массой, а неподвижные электроды изолированы от чувствительной массы сквозными травлениями, а в слое кристаллического монокремния методом ионно-плазменного травления выполнен подвижный узел, включающий чувствительную массу, упругие подвесы которого жестко соединены одними концами с несущей планарной областью, а вторыми - с чувствительной массой, чувствительная масса электрически соединена через упругие подвесы с «землей», под подвижным узлом жертвенный слой поликремния стравливают, подвижные и неподвижные электроды емкостного преобразователя перемещений выполнены в окне, вытравленном в средней части чувствительной массы, направление измеряемых перемещений совмещено с направлением действия электростатической силы отработки, неподвижные электроды преобразователя перемещений и преобразователя силовой отработки имеют длину больше по сравнению с подвижными на величину максимального принудительного хода чувствительной массы в поперечном направлении, сверху и снизу чувствительной массы выполнены подвижные электроды возбуждения принудительных колебаний массы с направлением, перпендикулярным направлению действия электростатической силы отработки, неподвижные электроды возбуждения принудительных колебаний масс изолированы от несущей планарной области монокремния сквозными травлениями, неподвижные электроды преобразователя перемещений подключены ко входам ШИМ микроконтроллера, монокремний чувствительной массы выполнен пористым за исключением мест соединения с упругими подвесами, а поры заполнены тяжелым металлом, например медью. Устранение влияния второй степени свободы на результаты измерений осуществляется тем, что длина подвижного электрода датчика перемещений выполнена больше длины подвижных электродов на величину максимальной амплитуды принудительной раскачки чувствительной массы. Устройство заявляемой полезной модели иллюстрируется фиг.1, где приняты следующие названия позициям: 1 - изоляционная подложка; 2 - планка для выполнения неподвижного силового электрода 3; 4 - пружина упругого подвеса; 5 - неподвижный электрод преобразователя принудительных колебаний; 6 - подвижный электрод преобразователя принудительных колебаний; 7 - подвижный электрод датчика перемещений; 8 - планка крепления пружины упругого подвеса; 9 - неподвижный электрод датчика перемещений; 10 - подвижный электрод силового преобразователя; 11 - чувствительная масса.

Пружины упругого подвеса 4 выполнены так, что им придано свойство неравножесткости. Толщина пружин составляет порядка 10 микрометров, а ширина более 100 микрометров. Соответственно жесткость по оси x значительно меньше жесткости по оси z. Это дает возможность отстраиваться от поперечных влияний.

Работа заявляемой полезной модели осуществляется следующим образом. При подаче переменного напряжения от встроенного генератора (на фиг. 1 не показан) на электрод 5 чувствительная масса 11 переходит в колебательные движения относительно оси z. Частота принудительных колебаний выбрана равной собственной частоте подвижного узла. При действии угловой скорости относительно оси z возникает кориолисова сила, которая действует по оси x. Величина этой силы равна:

где m - величина чувствительной массы; - линейная скорость по оси y; Ωz - угловая скорость (измеряемая) относительно оси z.

Кориолисова сила приведет в колебательное движение чувствительную массу по оси х. Угловой измеряемой скорости при этом соответствует амплитуда этого колебательного движения.

Оценим погрешность от возможных поперечных воздействий угловой скорости Ωx. Чувствительная масса при этом должна получить колебательное движение по оси z, но здесь пружина подвеса направлена к движению широкой стороной, причем в данном случае этот размер в значение жесткости входит в кубе. Таким образом на измерение полезного сигнала поперечная составляющая имеет пренебрежимо малое влияние. Достижение поставленной цели - повышение чувствительности осуществлено посредством выполнения пористости чувствительной массы и заполнения пор медью - тяжелым металлом по сравнению с кремнием.

Источники информации

1. Акселерометр ADXL104. Аналог дивайс. 2005-2011 гг.

2. Вавилов В.Д. Теоретические основы микросистемных акселерометров и гироскопов. Изд-во НГТУ, 2011, С. 204.

Инерциальный элемент, содержащий изоляционную подложку, на которой выращен слой жертвенного поликремния, а на слое жертвенного поликремния выращен слой кристаллического монокремния в виде несущей планарной области, содержит также электронный блок на микроконтроллере, включенном в прямой цепи контура регулирования, и электростатический преобразователь силы, подвижные электроды которого жестко связаны с чувствительной массой, а неподвижные электроды изолированы от чувствительной массы сквозными травлениями, отличающийся тем, что в слое кристаллического монокремния методом ионно-плазменного травления выполнен подвижный узел, включающий чувствительную массу, упругие подвесы которого жестко соединены одними концами с несущей планарной областью, а вторыми - с чувствительной массой, чувствительная масса электрически соединена через упругие подвесы с «землей», под подвижным узлом жертвенный слой поликремния стравливают, подвижные и неподвижные электроды емкостного преобразователя перемещений выполнены в окне, вытравленном в средней части чувствительной массы, направление измеряемых перемещений совмещено с направлением действия электростатической силы отработки, неподвижные электроды преобразователя перемещений и преобразователя силовой отработки имеют длину больше по сравнению с подвижными на величину максимального принудительного хода чувствительной массы в поперечном направлении, сверху и снизу чувствительной массы выполнены подвижные электроды возбуждения принудительных колебаний массы с направлением, перпендикулярным направлению действия электростатической силы отработки, неподвижные электроды возбуждения принудительных колебаний масс изолированы от несущей планарной области монокремния сквозными травлениями, неподвижные электроды преобразователя перемещений подключены ко входам ШИМ микроконтроллера, монокремний чувствительной массы выполнен пористым за исключением мест соединения с упругими подвесами, а поры заполнены тяжелым металлом, например медью.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к измерительной технике. Микромеханический демпфер содержит демпфирующий узел, выполненный в виде сосредоточенной массы, соединенной с помощью упругих подвесов с демпфируемым узлом, с целью получения оптимального демпфирования, при этом в устройстве выполнено следующее соотношение между параметрами: Kд1 - абсолютный коэффициент демпфирования внешнего узла (демпфируемого); Kд2 - абсолютный коэффициент демпфирования внутреннего узла внешнего узла (демпфирующего); m1 - масса внешнего узла; m2 - масса внутреннего узла; G1 - жесткость подвеса внешнего узла; G2 - жесткость подвеса внутреннего узла; χ - коэффициент механической связи между внешним и внутренним узлами.

Изобретение относится к области испытания механических систем, у которых главными деталями являются вращающиеся тела, о сопротивлениях движению которых судят по замедлению при выбеге, и может быть использовано для определения отрицательных ускорений вращающихся частей.

Изобретение относится к области измерительной техники и касается линейного микроакселерометра с оптической системой. Микроакселерометр включает в себя корпус, две инерционные массы на упругих подвесах, два датчика положения, два компенсационных преобразователя.

Изобретение относится к измерительной технике. Устройство содержит положительный и отрицательный источники опорных напряжений, ключевую схему для переключения полярности источников опорных напряжений, генератор синхронизирующих импульсов, сумматор обратной связи, дифференциальные измерительные емкости, первый синхронный детектор.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в системах ориентации и навигации. Линейный микроакселерометр содержит основание, крышку, рамку с инерционной массой, выполненной из кремния, установленную с возможностью линейного перемещения на упругих подвесах вдоль продольной оси, датчик положения и источник напряжения, при этом в устройство дополнительно введены два компаратора, два усилителя тока, ключ, электромагнитный силовой привод, состоящий из 2N катушек, размещенных на 2N магнитопроводящих сердечниках с явно выраженными полюсами, направленными к торцевым сторонам инерционной массы, при этом магнитопроводящие сердечники размещены на противоположных торцевых сторонах рамки по N с каждой стороны, а на поверхности инерционной массы в области каждого из торцов расположены магнитопроводы, замыкающие магнитные потоки катушек, причем входы катушек подключены к выходу ключа, входы которого через компараторы подключены к датчику положения, который выполнен оптическим, и состоит из излучателя и фотоприемников, при этом излучатель подключен к источнику напряжения, а между излучателем и фотоприемниками расположена оптическая щель.

Изобретение относится к области приборостроения и предназначено для измерения углового ускорения. Для измерения углового ускорения объекта производят измерение длительности интервалов времени между фронтами всех импульсов импульсным датчиком углового положения, определяют среднюю скорость на каждом интервале времени, создавая обращенное относительное движение частей импульсного датчика углового положения, различно связанных с контролируемым объектом, обеспечивая генерирование импульсным датчиком максимального количества импульсов на конечном участке торможения контролируемого объекта, и производят измерение значений углового ускорения при торможении.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано при изготовлении интегральных акселерометров. Чувствительный элемент интегрального акселерометра выполнен из проводящего монокристаллического кремния и содержит маятник 3, соединенный с помощью упругих подвесов 2 с каркасной рамкой 1, обкладки 4, соединенные с каркасной рамкой 1 через площадки 6, расположенные на каркасной рамке 1.
Изобретение относится к микромеханическим устройствам и может применяться в интегральных акселерометрах и гироскопах. Техническим результатом заявленного изобретения является повышение точности емкостного датчика при измерении угловых перемещений.

Изобретение относится к устройствам для измерения ускорения и может быть использовано в качестве первичного преобразователя в системах инерциальной навигации и сейсмометрии.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в микромеханических датчиках линейных ускорений. .

Изобретение относится к измерительной технике. Устройство содержит две дифференциальные измерительные емкости, источник опорного напряжения, пару ключей зарядки измерительных емкостей, генератор тактовых импульсов, инвертор напряжения, пару ключей для съема сигнала с измерительных емкостей и фильтр нижних частот. Полный цикл работы устройства осуществляется за два такта синхронизирующих импульсов: в первый такт обе измерительные емкости заряжаются от источника опорного напряжения через первую пару ключей. Во второй такт обе измерительные емкости одновременно разряжаются, через вторую пару ключей, на фильтр нижних частот, который формирует сигнал соответствующей величины и полярности. Технический результат заключается в повышении точности. 1 ил.

Изобретение относится к навигационным устройствам, в частности может быть использовано для определения направления на географический север. Техническим результатом изобретения является повышение точности определения направления на географический север. Технический результат достигается за счет того, что устройство для определения направления на географический север, содержит помимо датчика углового движения также датчик, чувствительный к изменению угла наклона. Обработка сигналов производится путем исключения из сигнала датчика угловых движений сигналов, вызванных наклонами оси вращения, с использованием показаний установленного на ту же платформу датчика, чувствительного к изменениям угла наклона. Момент начала вращения платформы определяют из условия стабилизации электродных токов неподвижного молекулярно-электронного датчика. Для уменьшения времени стабилизации электродных токов предварительно механически перемешивают жидкость в канале датчика угловой скорости путем вибраций платформы или помещают в жидкости вне области расположения преобразующего элемента датчика угловой скорости дополнительные электроды, находящиеся при одинаковом электрическом потенциале. 3 з.п. ф-лы, 3 ил.

Изобретение относится к измерительным устройствам и может быть использовано в МЭМС акселерометрах и гироскопах. Емкостный датчик перемещений содержит широтно-импульсный модулятор, подвижный электрод и выполненные на изоляционных обкладках неподвижные электроды, размещенные симметрично относительно подвижного электрода с одинаковыми зазорами, каждый неподвижный электрод разделен пополам, а одинаковые части, размещенные с разных сторон подвижного электрода на одинаковом расстоянии от оси качания, соединены между собой перекрестно и составляют два дифференциально включенных измерительных конденсатора, которые при равных зазорах имеют одинаковую емкость, при этом неподвижные электроды, находящиеся на одной изоляционной обкладке, разделены асимметрично относительно оси качания и перекрывают всю площадь подвижного электрода, а ответные неподвижные электроды выполнены симметрично относительно плоскости подвижного электрода. Технический результат - повышение чувствительности и точности преобразователя перемещений. 3 ил.

Устройство относится к измерительной технике, а именно к датчикам угловых ускорений, принцип действия которых основан на законе электромагнитной индукции. Датчик угловых ускорений с жидкостным ротором содержит чувствительный элемент и тороидальный корпус, заполненный жидкостью. Чувствительный элемент 1 представляет собой цилиндр 3, выполненный из диэлектрического материала в виде сужающего устройства с конфузором и диффузором, в котором диаметрально противоположно установлены металлические электроды Э1, Э2. В плоскости, перпендикулярной плоскости электродов, установлены сверху и снизу обмотки возбуждения OB1, ОВ2, запитываемые двухполярным стабилизированным током. Тороидальный корпус присоединяется соосно к цилиндру 3. Образованная кольцевая полость заполняется рабочей жидкостью с определенной электропроводностью и вязкостью, например водой. Электрический сигнал, пропорциональный ускорению, снимается с электродов Э1 и Э2 и подается на измерительное устройство ИУ. С выхода измерительного устройства выдается сигнал, пропорциональный угловому ускорению. Технический результат заключается в повышении чувствительности датчика и расширении диапазона измерения угловых ускорений. 4 ил.

Изобретение относится к области измерительной техники и микросистемной техники. Сущность изобретения заключается в том, что в устройство дополнительно введены четыре дополнительных неподвижных электрода емкостных преобразователей перемещений, выполненные в виде пластин с гребенчатыми структурами с одной стороны из полупроводникового материала и расположенные непосредственно на полупроводниковой подложке так, что они образуют конденсатор с подвижными электродами емкостных преобразователей перемещений в плоскости их пластин через боковые зазоры и взаимопроникающие друг в друга гребенки электродов, четыре дополнительных неподвижных электрода электростатических приводов, выполненные в виде пластин с гребенчатыми структурами с одной стороны из полупроводникового материала и расположенные непосредственно на полупроводниковой подложке так, что они образуют конденсаторы с подвижными электродами емкостных преобразователей перемещений в плоскости их пластин через боковые зазоры и взаимопроникающие друг в друга гребенки электродов, восемь дополнительных опор, выполненные из полупроводникового материала и расположенные непосредственно на полупроводниковой подложке, восемь дополнительных «П»-образных систем упругих балок, выполненных из полупроводникового материала и расположенных с зазором относительно полупроводниковой подложки, причем четыре подвижных электрода емкостных преобразователей перемещений выполнены в виде «Т»-образных пластин с перфорацией с гребенчатыми структурами с трех сторон, четыре неподвижных электрода емкостных преобразователей перемещений объединены в один, а инерционная масса выполнена с перфорацией. Технический результат - возможность измерения величин угловой скорости и линейного ускорения вдоль осей Z, направленной перпендикулярно плоскости подложки гироскопа-акселерометра, и X, Y, расположенных в плоскости подложки устройства. 2 ил.

Изобретение относится к области измерительной техники и микросистемной техники. Сущность изобретения заключается в том, что в устройство дополнительно введены четыре дополнительных подвижных электрода емкостных преобразователей перемещений, выполненные в виде пластин с перфорацией с гребенчатыми структурами с двух сторон из полупроводникового материала и расположенные с зазором относительно подложки, восемь дополнительных неподвижных электродов емкостных преобразователей перемещений, выполненные с гребенчатыми структурами с одной стороны и расположенные непосредственно на подложке так, что они образуют с дополнительными подвижными электродами емкостных преобразователей перемещений конденсаторы в плоскости их пластин через боковые зазоры и взаимопроникающие друг в друга гребенки электродов, четыре дополнительных подвижных электрода электростатических приводов, выполненные в виде пластин с перфорацией с гребенчатыми структурами с двух сторон из полупроводникового материала и расположенные с зазором относительно подложки, девять дополнительных неподвижных электродов электростатических приводов, выполненные с гребенчатыми структурами с одной стороны из полупроводникового материала и расположенные непосредственно на подложке так, что они образуют электростатическое взаимодействие с подвижными электродами электростатических приводов в плоскости их пластин через боковые зазоры и взаимопроникающие друг в друга гребенки электродов, шестнадцать «П»-образных систем упругих балок, выполненные в виде пластин из полупроводникового материала и расположенные с зазором относительно подложки, и двадцать одна дополнительная опора, выполненные из полупроводникового материала и расположенные непосредственно на подложке, причем две инерционные массы выполнены с перфорацией, а подложка и неподвижные электроды емкостных преобразователей перемещений выполнены из полупроводникового материала. Технический результат - возможность измерения величин угловой скорости вдоль осей Y, расположенной в плоскости подложки, и Z, направленной перпендикулярно плоскости подложки, и величин линейных ускорений вдоль осей Χ, Y, Z. 2 ил.

Изобретение относится к устройствам для навигации и ориентации в пространстве и может быть использовано для определения направления на географический север. Устройство для определения направления на географический север содержит молекулярно-электронный датчик угловых движений, установленный на платформе, способной вращаться с угловой скоростью, изменяющейся по знаку и абсолютной величине, при этом устройство содержит датчик, измеряющий угловую скорость вращения платформы относительно неподвижного основания, и контроллер, управляющий вращением платформы и выполняющий совместную обработку данных молекулярно-электронного датчика угловых движений и датчика, измеряющего угловую скорость вращения платформы относительно неподвижного основания. Технический результат – повышение точности определения направления на географический север, повышение точности измерений. 4 з.п. ф-лы, 4 ил.

Изобретение относится к датчику ускорения и способу изготовления такого датчика ускорения. Датчик ускорения содержит подложку с поверхностью подложки и пробную массу, которая выполнена с возможностью перемещения относительно подложки в направлении (x) отклонения, по существу параллельном поверхности подложки первом направлении (x). Пробная масса содержит гребенчатый электрод, выполненный с возможностью перемещения вместе с пробной массой и содержащий несколько зубьев, которые проходят в первом направлении (x). Датчик ускорения содержит, кроме того, противоположный электрод, неподвижно соединенный с подложкой и содержащий неподвижный гребенчатый электрод, а неподвижный гребенчатый электрод содержит несколько зубьев, которые проходят в направлении, противоположном первому направлению (x). Зубья подвижного гребенчатого электрода входят в зацепление с зубьями неподвижного гребенчатого электрода. Датчик ускорения содержит, кроме того, экранирующий электрод, неподвижно соединенный с подложкой и выполненный с возможностью увеличения демпфирования пробной массы во время движения отклонения пробной массы. Технический результат – увеличение демпфирования движения отклонения пробной массы. 2 н. и 7 з.п. ф-лы, 3 ил.

Изобретение может быть использовано в линейных и угловых акселерометрах и может найти применение в сейсмодатчиках, приборах для стабилизации движущихся объектов и инерциальной навигации. Предложена схема подключения к электронной плате молекулярно-электронного преобразователя, состоящего из четырех электродов, помещенных в замкнутый корпус, заполненный электролитом, при этом внутренние электроды служат катодами, а периферийные - анодами, в которой катоды подключены к двум соединенным с землей посредством резисторов R1 и R2 входам операционного усилителя, в обратной связи которого установлен резистор R3, причем величины всех резисторов удовлетворяют соотношению R2=R1/(1-R1/R3). Величины резисторов могут удовлетворять условиям R1/R3<<1 и R2/R3<<1. Изобретение обеспечивает преобразование разностного катодного тока в электрическое напряжение, сохраняющего неизменными потенциалы катодов, обеспечивая тем самым линейность преобразования, и, одновременно, обеспечивающего меньшее по сравнению с аналогичными решениями потребление тока. 1 з.п. ф-лы, 4 ил., 1 табл.

Изобретение относится к экспериментальной гидромеханике морских инженерных сооружений и касается методов испытания трансформации волн в опытовом бассейне на наклонном дне и оборудования для его проведения. Устройство включает бассейн, оборудованный волнопродуктором, волногасителем, волнографами и наклонным дном, к которому прикреплен блок датчиков для измерения нагрузок от ударов волн. В зоне разрушения волны установлена фотовидеоаппаратура для записи процесса разрушения. Показания с волнографов, датчиков и изображение с фотовидеоаппаратуры синхронизированы во времени и записываются на компьютер. Технический результат заключается в возможности регистрации и обработки получаемых значений в реальном времени. 1 ил.
Наверх