Прямой преобразователь перемещений для микромеханических приборов (датчик перемещений)

Изобретение может быть использовано в акселерометрах или гироскопах для измерения малых сдвигов пробного тела при действии ускорений. Прямой преобразователь перемещений для микромеханических приборов состоит из корпуса и подвижной части, выполненной с возможностью перемещения в корпусе по направлению действия силы. Для измерения взаимного положения корпуса и подвижной части в направлении действия силы на них укреплены зонд и подложка основного туннельного микроскопа, причем один из этих элементов установлен на каретке, выполненной с возможностью перемещения в плоскости, перпендикулярной направлению действия силы. Для стабилизации в этой плоскости взаимного положения зонда и подложки основного туннельного микроскопа введены дополнительные туннельные микроскопы управления кареткой. Технический результат - повышение чувствительности прямого преобразователя перемещений. 1 ил.

 

Изобретение относится к области приборостроения, в частности, к датчикам перемещений и предназначено для применения в приборах, измеряющих малые ускорения и скорости вращения - акселерометрах и гироскопах.

Известны микромеханические приборы [1, стр. 165-174], в которых в качестве прямых преобразователей перемещений в электрический сигнал (датчиков перемещений) использованы конденсаторы, МДП транзисторы, тензодатчики, магниторезистивные датчики, датчики на поверхностно-акустических волнах, струны, оптоволоконные датчики и т.д.

В настоящее время чаще всего используются емкостные датчики [2], представляющие собой сложную гребенчатую структуру. Недостатками таких датчиков является относительно большие габариты, наличие силовых тяжений и возможность прилипания обкладок.

Этими недостатками не обладает пьезоэлектрический датчик [3]. Однако у него малая чувствительность.

Наивысшую чувствительность имеет оптический датчик [1, стр. 170], чувствительность которого оценивается половиной длины волны света

Повышение чувствительности приборов возможно двумя способами: увеличением перемещения под действием малой силы и увеличением чувствительности преобразователя перемещения в электрический сигнал. Для увеличения диапазона перемещений пробного тела под действием малых сил стремятся улучшить качество подвеса: строят подвесы с низкой жесткостью или резонансные системы с высокой добротностью. Эти направления противоречат друг другу и их выполнение ограничено старением материалов, влиянием температуры, механическими перегрузками, акустическими внешними воздействиями, технологическими трудностями и т.д. Повышение чувствительность известных датчиков в основном ограничено габаритами микромеханического прибора.

В качестве наиболее чувствительного датчика в допустимых габаритах можно взять туннельный микроскоп [4].

Задачей изобретения является улучшение характеристик микромеханических приборов путем повышения чувствительности прямого преобразователя (датчика) перемещений.

Это достигается тем, что подвижная части датчика перемещений выполнена с возможностью движения в корпусе по направлению действия силы. На корпусе и подвижной части установлены зонд и подложка основного туннельного микроскопа, причем один из этих элементов размещен на каретке, выполненной с возможностью перемещения в плоскости, перпендикулярной направлению действия силы. Для стабилизации в этой плоскости относительного положения зонда и подложки основного туннельного микроскопа введены дополнительные туннельные микроскопы управления кареткой.

Технический результат заключается в повышении чувствительности микромеханических приборов и уменьшении их габаритов.

Устройство датчика перемещений и микромеханического прибора приведено на Фиг. 1. На ней изображены следующие элементы:

1 - микромеханический прибор,

2 - корпус микромеханического прибора,

3 - датчик перемещений для преобразования перемещений в электрический сигнал,

4 - пробное тело для преобразования ускорения в силу,

5 - подвес пробного тела,

6 - исполнительное устройство для преобразования электрического сигнала в силу,

7 - корпус датчика перемещений,

8 - подвижная часть датчика перемещений,

9 - подвес подвижной части датчика перемещений,

10, 11, 12 - зонды туннельных микроскопов,

13, 14, 15 - подложки туннельных микроскопов,

16 - каретка,

17, 18 - пьезоэлектрические актюаторы каретки,

19, 20 - усилители следящих систем управления кареткой,

21 - усилитель исполнительного устройства,

F, - сила и ее измеренное значение.

Микромеханический прибор 1 содержит корпус 2, в котором расположены: датчик перемещений 3, пробное тело 4 в подвесе 5 и исполнительное устройство 6. В корпусе 7 датчика перемещений установлена подвижная часть 8 в подвесе 9. Подвижная часть может перемещаться в направлении действия силы F. Положение подвижной части относительно корпуса датчика перемещений измеряется с помощью туннельных микроскопов [4] с зондами 10, 11, 12 и подложками 13, 14, 15, причем с помощью основного микроскопа, содержащего зонд 10 и подложку 13, измеряется смещение в направлении действия силы. Зонда 10 установлен на каретке 16, выполненной с возможностью движения в плоскости, перпендикулярной направлению действия полезной силы. Положение каретки регулируется пьезоэлектрическими актюаторами 17, 18, управляемыми через усилители 19, 20. Управление исполнительным устройством [6] 6 осуществляется через усилитель 21. С этого же усилителя снимается информация с оценкой действующей силы.

Ускорения, возникающие при движении объекта с установленным на нем микромеханическим прибором, приводят к появлению силы F, действующей на пробное тело 4. Под действием силы пробное тело смещает подвижную часть 8 датчика перемещений. Это смещение приводит к изменению туннельного тока между зондом 10 и подложкой 13, которое усиливается на усилителе 21 и подается в виде управляющего сигнала на исполнительное устройство 6. Исполнительное устройство создает силу компенсирующую действие силы F, приложенной к пробному телу.

В процессе эксплуатации в результате неравномерного старения материала, температурной деформации, искажения формы деталей при перегрузках и т.д. взаимное положение зонда 10 и подложки 13 изменяется в направлениях перпендикулярных действию силы. В туннельном микроскопе «поток электронов «стекает с крайнего атома на кончике иглы, образуя пучок электронов диаметром порядка 4*10-10 м» [4] и попадает на мишень подложки такого же диаметра. Чтобы не допустить сдвига пучка с мишени, необходтмо сохранять с этой точностью положение зонда 10 относительно подложки 14 в направлениях перпендикулярном потоку электронов независимо от дестабилизирующих факторов.

Туннельный микроскоп [4] преобразует перемещения порядка в электрический ток I, экспоненциально зависящий от расстояния

I=I0e-2L,

где I0 - начальный ток.

Относительное изменение тока δI в зависимости от абсолютного изменения зазора определится формулой

δI=e-2ΔL

Точность удержания зазора в туннельном микроскопе можно определить из предположения, что для срабатывания электроники достаточно изменения тока на 5% (δI=1,05). В этом случае чувствительность соответствует изменению зазора на величину

Такая чувствительность позволяет решить задачу сохранения взаимного положения зонда 10 и подложки 13 в направлениях, перпендикулярных действию силы, путем регулирования положения каретки актюаторами 17, 18.

Так как микромеханические приборы чаще всего изготавливаются из кремния, то при оценке чувствительности датчика к силе будем считать, что подвижная часть фиксируется в корпусе с помощью мембраны из кремния толщиной h=0,01 мм=10-5 м, радиусом R=5 мм=5*10-3 м.

Прогиб L мембраны, нагруженной в центре и закрепленной по окружности определяется формулами [5]

Где Р [Н] - нагрузка в центре пластины,

h [м] - толщина пластины

Е - модуль упругости, для кремния Е=2*1010 [Па],

μ=0,28 - коэффициент Пуассона

Формулу для прогиба пластины можно переписать в виде

Чувствительность датчика к силе определится выражением

Чувствительность прибора к ускорению определяется массой пробного тела по закону Ньютона. Если принять массу пробного тела m=1 г=0,001 кг, то чувствительность к ускорению а будет иметь величину

Датчик с такой чувствительностью можно устанавливать в схемы акселерометров и гироскопов. Габариты датчика в рассмотренном примере определяются диаметром диафрагмы. Однако при реализации акселерометра или гироскопа можно выполнить конструкцию датчика без собственного подвеса. В этом случае, упругий элемент может быть единым для пробной массы и подвижной части датчика и принадлежать микромеханическому прибору, а габариты датчика перемещений определяются размерами зондов и подложек туннельных микроскопов и измеряются десятыми долями миллиметра. Возможен вариант совмещения пробной массы и подвижной части датчика перемещений.

Технический эффект состоит в повышении чувствительности микромеханических приборов, уменьшении их габаритов и упрощении конструкции.

Источники информации

1. Распопов В.Я. Микромеханические приборы, М. Машиностроение. 2007.

2. Микромеханический вибрационный гироскоп. Патент РФ №2296302 от 15.11.2005. Авторы Евстифеев М.И., Несенюк Л.П., Пешехонов В.Г., Унтилов А.А. Патентообладатель: Федеральное государственное унитарное предприятие "Центральный научно-исследовательский институт "Электроприбор".

3. Пьезоэлектрический вибрационный гироскоп (варианты). Патент РФ №2426072 от 09.03.2010. Авторы: Маринушкин П.С, Левицкий А.А Патентообладатель: Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Сибирский федеральный университет" (СФУ)

4. Миронов В.Л. Основы сканирующей зондовой микроскопии. РАН. Институт физики микроструктур. Нижний Новгород. 2004 г

5. Саргсян. Строительная механика П17-1 DOK. StudFiles.net>preview/3189876/page 2

6. Бобцов А.А., Бойков В.И., Быстрое С.В., Григорьев В.В. Исполнительные устройства и системы для микроперемещений. Санкт-Петербургский Государственный университет информационных технологий, механики и оптики. С-Пб, 2011.

Прямой преобразователь перемещений для микромеханических приборов, состоящий из корпуса и подвижной части, выполненной с возможностью перемещения в корпусе по направлению действия силы,

отличающийся тем, что для измерения взаимного положения корпуса и подвижной части в направлении действия силы на них укреплены зонд и подложка основного туннельного микроскопа, причем один из этих элементов установлен на каретке, выполненной с возможностью перемещения в плоскости, перпендикулярной направлению действия силы, а для стабилизации в этой плоскости взаимного положения зонда и подложки основного туннельного микроскопа введены дополнительные туннельные микроскопы управления кареткой.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к области геофизики, а именно к сейсмологии, и может быть использовано для детального сейсмического районирования территорий. Выделение очаговых зон потенциальных землетрясений в земной коре осуществляют путем математической обработки данных 3D-сейсмотомографии и гравиразведки в одних и тех же узлах пространственной сетки, покрывающей исследуемую область.
Изобретение относится к способам гравиметрической съемки и может быть использовано для исследования акваторий, покрытых льдом. Сущность: на пунктах опорной сети, расположенных на твердом грунте, проводят измерения с использованием высокоточных гравиметров и средств спутниковой навигации.
Изобретение относится к области гравитационных исследований и может быть использовано для калибровки сканеров гравитационного поля, содержащих по меньшей мере по одному преобразователю.

Изобретение относится к области геофизического моделирования и может быть использовано для выделения ловушек углеводородов в сложно построенных средах, содержащих акустически контрастные геологические объекты.

Изобретение относится к способам определения гравитационной постоянной и может быть использовано для определения гравитационной постоянной при форме взаимодействующих тел, отличной от шаровой.

Изобретение относится к области гравиразведки и может быть использовано для разведки углеводородов. Сущность: система с датчиком гравитации включает контакт, содержащий первый металл и второй металл, отличный от первого металла, причем указанный контакт формирует объемный резонатор; частицу, характеризуемую волной де Бройля, причем указанная частица содержится в упомянутом объемном резонаторе; фононную волну в объемном резонаторе, причем упомянутая волна де Бройля связана с указанной фононной волной; источник питания для подачи электропитания на упомянутый контакт; измерительный элемент, выполненный с возможностью измерения сопротивления, напряжения или тока, причем указанный измерительный элемент электрически соединен с упомянутым контактом, при этом измерительный элемент формирует измеренный сигнал; систему регистрации для записи указанного измеренного сигнала.

Изобретение относится к способам определения гравитационной постоянной. При реализации предложенного способа реальную систему взаимодействующих тел, имеющих сложную форму, заменяют модельной системой тел, закрепленных на тонком стержне и имеющих форму шара.

Изобретение относится к области геофизики и предназначено для определения ускорения свободного падения gz и его пространственных характеристик gφ как на земной поверхности, так и на поверхностях других планет.

Изобретение относится к геофизическому приборостроению, а именно к гравитационным градиентометрам. Гравитационный градиентометр содержит квадруполь с изготовленными в виде стержня и пробных масс гантелями, следящие системы с датчиками перемещений и привод вращения со шпинделем, при этом квадруполь выполнен в виде центрального вала, к которому на радиально расположенных ленточных пружинах присоединены гантели так, что между стержнями гантелей и валом имеются зазоры, на концах гантелей тангенциально установлены легкие консоли, между прикрепленными к разным гантелям консолями оставлены промежутки, в которые установлены датчики перемещений в виде зондов и подложек туннельных микроскопов, центральный вал квадруполя соединен со шпинделем привода вращения, а между приводом и квадруполем установлен металлический экран.

Использование: для определения плотности геологической формации. Сущность изобретения заключается в том, что предложены системы и способы для определения свойства, например, плотности геологической формации на основе гравитационной теории Эйнштейна.

Изобретение относится к метрологии, в частности, к твердотельным волновым гироскопам. Твердотельный волновой гироскоп содержит резонатор в виде осесимметричного тонкостенного элемента, способного к вибрации, один электрод резонатора, множество электродов датчиков, электродов управления, электронный блок управления, содержащий устройства вычисления угла, стабилизации амплитуды колебаний, подавления квадратурных колебаний и соединенный с электродами резонатора, электродами датчиков, электродами управления.

Изобретение относится к метрологии, в частности, к твердотельным волновым гироскопам. Твердотельный волновой гироскоп содержит резонатор в виде осесимметричного тонкостенного элемента, способного к вибрации, один электрод резонатора, множество электродов датчиков, электродов управления, электронный блок управления, содержащий устройства вычисления угла, стабилизации амплитуды колебаний, подавления квадратурных колебаний и соединенный с электродами резонатора, электродами датчиков, электродами управления.

Изобретение относится к области метрологии, в частности к гироскопам. Способ считывания и управления колебаниями волнового твердотельного гироскопа (ВТГ) включает установку внутри резонатора блока возбуждения, съема и управления (ВСУ) с равномерно установленными по окружности нечетным и простым числом n электродов съема информации и m электродов управления, возбуждение в резонаторе колебаний второй моды, регистрацию выходных сигналов с электродов съема информации и их математическую обработку с определением параметров одной или более стоячих волн и подачу на управляющие электроды напряжения для поддержания в резонаторе колебаний второй моды, сформированного для каждого отдельного электрода в соответствии с установленными для этого соотношениями.

Изобретение относится к области микромеханики, в частности к микромеханическим гироскопам (ММГ), и предназначено для управления и обработки сигналов ММГ. Система управления микромеханического гироскопа содержит блок преобразования сигналов, состоящий из аналого-цифровых и цифро-аналоговых преобразователей и взаимодействующий с блоком обработки сигналов.

Изобретение относится к гироскопам вибрационного типа, в частности к микромеханическим гироскопам, которые предназначены для измерения угловой скорости движения основания.

Изобретение относится к гироскопам вибрационного типа, в частности к микромеханическим гироскопам, которые предназначены для измерения угловой скорости движения основания.

Изобретение относится к области измерительной техники и микросистемной техники, а именно к интегральным измерительным элементам величины угловой скорости. Сущность изобретения заключается в том, что чувствительный элемент микроэлектромеханического датчика угловой скорости содержит основание, гребенчатую систему возбуждения и измерения колебаний, инерционную массу, выполненную в виде платы со сквозным отверстием, расположенную с зазором относительно основания и связанную с ним через систему упругих подвесов, при этом сквозное отверстие выполнено в центре инерционной массы, внутри сквозного отверстия расположены система упругих подвесов и гребенчатые системы возбуждения и измерения колебаний, подвижные электроды которых установлены на подвесах, одни из которых зафиксированы на основании, а другие - на инерционной массе.

Изобретение относится к области измерительной техники и микросистемной техники, а именно к интегральным измерительным элементам величины угловой скорости. Сущность изобретения заключается в том, что чувствительный элемент микроэлектромеханического датчика угловой скорости содержит основание, гребенчатую систему возбуждения и измерения колебаний, инерционную массу, выполненную в виде платы со сквозным отверстием, расположенную с зазором относительно основания и связанную с ним через систему упругих подвесов, при этом сквозное отверстие выполнено в центре инерционной массы, внутри сквозного отверстия расположены система упругих подвесов и гребенчатые системы возбуждения и измерения колебаний, подвижные электроды которых установлены на подвесах, одни из которых зафиксированы на основании, а другие - на инерционной массе.

Изобретение относится к области приборостроения и может быть использовано при создании бесплатформенных инерциальных навигационных систем для высокоскоростного маневренного объекта.

Изобретение относится к области точного приборостроения и может быть использовано при создании твердотельных волновых гироскопов и систем ориентации и навигации на их основе.

Предлагаемый способ относится к контрольно-измерительной технике и может быть использован в автоматизированных системах производства, а также при измерении длины радиоактивных объектов, отрезков тонких проводов и других электропроводных объектов, измерение которых известными способами затруднено.

Изобретение может быть использовано в акселерометрах или гироскопах для измерения малых сдвигов пробного тела при действии ускорений. Прямой преобразователь перемещений для микромеханических приборов состоит из корпуса и подвижной части, выполненной с возможностью перемещения в корпусе по направлению действия силы. Для измерения взаимного положения корпуса и подвижной части в направлении действия силы на них укреплены зонд и подложка основного туннельного микроскопа, причем один из этих элементов установлен на каретке, выполненной с возможностью перемещения в плоскости, перпендикулярной направлению действия силы. Для стабилизации в этой плоскости взаимного положения зонда и подложки основного туннельного микроскопа введены дополнительные туннельные микроскопы управления кареткой. Технический результат - повышение чувствительности прямого преобразователя перемещений. 1 ил.

Наверх