Прямой преобразователь перемещений для микромеханических приборов (датчик перемещений)



Прямой преобразователь перемещений для микромеханических приборов (датчик перемещений)
Прямой преобразователь перемещений для микромеханических приборов (датчик перемещений)
Прямой преобразователь перемещений для микромеханических приборов (датчик перемещений)
Прямой преобразователь перемещений для микромеханических приборов (датчик перемещений)
Прямой преобразователь перемещений для микромеханических приборов (датчик перемещений)
Прямой преобразователь перемещений для микромеханических приборов (датчик перемещений)

Владельцы патента RU 2713964:

Попов Анатолий Борисович (RU)

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.
© Патентный поиск, поиск патентов на изобретения - FindPatent.RU 2012-2024
Политика конфиденциальности 2019-07-05 2020-02-11T08:00:12
Наверх