Чувствительный элемент микромеханического акселерометра

Изобретение относится к измерительной технике и может применяться для создания микромеханических датчиков линейных ускорений и гироскопов. Чувствительный элемент микромеханического акселерометра содержит внешнюю рамку, на которой сформированы площадки крепления к обкладкам, инерционную массу, соединенную одной стороной с упругими элементами, а другие концы упругих элементов соединены с внешней рамкой. На одной стороне внешней рамки, в центре симметрии сформирована балка. Сформирована перекладина, к которой одним концом прикреплены упругие элементы, а другим концом упругие элементы соединены с инерционной массой. В центре балки сформирована Т-образная прорезь. По обе стороны ножки Т-образной прорези сформированы L-образные прорези. Обеспечивается повышение точности микромеханического акселерометра. 2 ил.

 

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

Известен микромеханический акселерометр [1], 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: y - 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-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 известного устройства является нестабильность смещения нуля вследствие высокого уровня контактных напряжений, возникающих в местах крепления упоров, а, следовательно, снижается точность прибора в целом.

Известно устройство, где чувствительный элемент (ЧЭ) микромеханического акселерометра, изготовлен из монокристаллического кремния и стеклянной подложки из боросиликатного стекла. Причем инерционная масса - маятник, рамка, упругие торсионы, площадки крепления к стеклянной подложки сформированы, заодно методом жидкостного травления и соединены через площадки крепления методом анодной посадки с подложкой из боросиликатного стекла [2].

Недостатком данного устройства является то, что при производстве микромеханических акселерометров, а именно ЧЭ возникают механические напряжение в ЧЭ. Эти напряжения приводят к значительным погрешностям микромеханического акселерометра. При изготовлении датчиков чувствительный элемент монтируется в корпусе простым приклеиванием поверхности ЧЭ к основанию. Боросиликатное стекло, применяемое для анодной сварки, при изготовлении ЧЭ имеет, низкую теплопроводность по сравнению с кремнием. Так при воздействии положительных и отрицательных температур в стеклянной подложке возникают большое напряжение, которое происходит во время переходного теплового режима. Такое относительно большое механическое напряжение приводит к погрешностям акселерометра, которое не могут быть компенсированы алгоритмически из-за временной зависимости переходного процесса. Другим недостатком является наличие клея-герметика на стеклянной подложке. Клей - герметик, нанесенный на основание микромеханического акселерометра и соответственно на одну из сторон стеклянной подложки также является источником напряжений. Эти напряжения зависят от температуры и влияют на чувствительность датчика и на смещение нулевого сигнала. Чтобы обеспечить прочность соединения от вибраций, ударов область клеевого соединения должна быть достаточно большой, а увеличение площади клеевого соединения повышает воздействие напряжений на чувствительный элемент датчика. Таким образом, напряжения, вызванные разницей между коэффициентами теплового расширения монокристаллического кремния, боросиликатного стекла из которых изготовлен чувствительный элемент датчика, а также основания корпуса микромеханического акселерометра и клея-герметика увеличивают смещение нулевого сигнала акселерометра, а это уменьшает точность микромеханического акселерометра.

Известен чувствительный элемент микромеханического акселерометра, содержащий двухплечевой маятник из монокристаллического кремния, стеклянную обкладку и внешнюю рамку с площадками крепления к стеклянной обкладке, упругие торсионы, соединенные с маятником и внешней рамкой, ось симметрии инерционной массы совмещена с осью, проходящей через крестообразные торсионы. Площадки крепления расположены в непосредственной близости упругие торсионов. Внешняя рамка одновременно выполняет роль жесткого каркаса чувствительного элемента, при этом соединение чувствительного элемента с неподвижным основанием акселерометра осуществляется через обратную сторону стеклянной обкладки [3]. Анодное соединение стеклянной подложки с монокристаллическим кремниевым чувствительным элементом осуществляется при повышенной температуре. После остывания конструкции «стеклянная подложка-монокристаллический кремниевый двухплечевой маятник с внешней рамкой, соединенные через упругие торсионы» происходит частичная деформация внешней рамки чувствительного элемента. Эта деформация передается на упругие торсионы. Это существенным образом влияет на стабильность механических характеристик упругих торсионов.

Таким образом, недостатком известного устройства является нестабильность смещения нуля вследствие высокого уровня контактных напряжений, возникающих в местах фиксации площадок крепления к стеклянной подложки и передающихся на упругий торсион.

Другим недостатком известного устройства является высокая погрешность при воздействии положительных и отрицательных температур. Так как чувствительный элемент закреплен на основании корпуса акселерометра, то возникающие напряжения от воздействия положительных или отрицательных температур передается от основания через стеклянную обкладку на внешнюю рамку и соответственно на упругие торсионы. Вследствие этого упругие торсионы деформируются, и в результате происходит смещение маятника при отсутствии воздействия ускорения. Таким образом, происходит температурное смещение нулевого сигнала, а это снижает точность акселерометра. Изменится также жесткость торсионов и, как следствие, уход крутизны преобразователя перемещений. Это также существенным образом снижает точность прибора.

Задачей, на решение которой направлено изобретение, является повышение точности микромеханического акселерометра.

Поставленная задача решается за счет того, что в чувствительном элементе микромеханического акселерометра, содержащем внешнюю рамку, на которой сформированы площадки крепления к обкладкам, инерционную массу, соединенную одной стороной с упругими элементами, а другие концы упругих элементов соединены с внешней рамкой, согласно изобретению, на одной стороне внешней рамки, в центре симметрии сформирована балка, причем по обе стороны внешней рамки, на конце балки, обращенной внутрь внешней рамки сформирована перекладина, к которой одним концом прикреплены упругие элементы, а другим концом упругие элементы соединены с инерционной массой, в центре балки сформирована Т-образная прорезь, причем ножкой с внешней стороны внешней рамки, по обе стороны ножки Т-образной прорези сформированы L-образные прорези.

Отличительным признаком заявленного изобретения является то, что на одной стороне внешней рамки, в центре симметрии сформирована балка, причем по обе стороны внешней рамки, на конце балки, обращенной внутрь внешней рамки сформирована перекладина, к которой одним концом прикреплены упругие элементы, а другим концом упругие элементы соединены с инерционной массой, в центре балки сформирована Т-образная прорезь, причем ножкой к внешней стороне внешней рамки, по обе стороны ножки Т-образной прорези сформированы L-образные прорези.

Балка строго симметрична относительно оси симметрии стороны внешней рамки чувствительного элемента, при этом площадки крепления к обкладкам расположены на всех сторонах внешней рамки, а сформированные площадки крепления к обкладкам с обеих сторон сформированной балки увеличивают прочность и качество соединения к обкладкам. Кроме того, сформированные Т-образные и L-образные прорези расширяясь или сужаясь сводят к минимуму деформации, передающиеся от основания через обкладки крепления на упругие элементы. Тем самым уменьшается влияние напряжений на упругий подвес, за счет чего уменьшается нестабильность смещения нуля и, как следствие, повышается точность прибора в целом. Таким образом, выполнение такой конфигурации чувствительного элемента микромеханического акселерометра с расположенными на внешней рамке стороны площадками крепления к обкладкам и сформированной балки с формированными в ней Т-образные и L-образными прорезями, с сформированной перекладиной и соединенной с ней упругих элементов с инерционной массой, позволяет - компенсировать, до минимума вредные воздействия от внешних факторов, действующих на чувствительный элемент микромеханического акселерометра, закрепленного на основании.

Предлагаемое изобретение иллюстрируется чертежами, представленными на фиг. 1, фиг. 2, где:

1 - внешняя рамка,

2 - площадки крепления к обкладкам,

3 - балка,

4 - перекладина,

5 - упругие элементы,

6 - инерционная масса,

7 - электрическая контактная площадка,

8 - L-образные прорези,

9 - Т-образные прорези,

10 - обкладка.

Предложенный чувствительный элемент микромеханического акселерометра содержит внешнюю рамку 1, на трех сторонах которой сформированы площадки крепления к обкладкам 2. В центре симметрии четвертой стороны внешней рамки 1 сформирована балка 3. Со стороны балки 3, обращенной вовнутрь внешней рамки 1 присоединена перекладина 4, к которой одними концами присоединены упругие элементы 5. Другие концы упругих элементов 5 соединены с инерционной массой 6. В балке 3 сформированы Т-образные и L-образные прорези. Дифференциальный емкостный преобразователь перемещений реализован на обкладке 10 со сформированными на ней электродами и проводящем маятнике - инерционной массе 6. Электрическая контактная площадка 7 предназначена для подключения дифференциального емкостного преобразователя перемещений к схеме обработке сигнала. Балка 3 строго симметрична относительно оси симметрии стороны внешней рамки чувствительного элемента, при этом площадки крепления к обкладкам 2 расположены на всех сторонах внешней рамки 1, а сформированные площадки крепления к обкладкам 2 с обеих сторон сформированной балки 3 увеличивают прочность и качество соединения к обкладкам 10. Кроме того сформированные Т-образные 8 и L-образные 9 прорези расширяясь или сужаясь сводят к минимуму деформации, передающиеся от основания через площадки крепления к обкладкам 2 на упругие элементы 5. Тем самым уменьшается влияние напряжений на упругий элементы 5, за счет чего уменьшается нестабильность смещения нуля и, как следствие, повышается точность прибора в целом.

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.

Работа устройства основана на хорошо известном принципе перемещения инерционной массы 6 под действием ускорения и измерения этого перемещения известными способами.

Источники информации:

1. Мокров Е.А., Папко А.А. Акселерометры НИИ физических измерений - элементы микросистемотехники //Микросистемная техника. 2002. №1. С. 3-9.

2. Паршин В.А., Харитонов В.И. Особенности технологии мультисенсорных датчиков с нелегированными упругими подвесами //Датчики и системы. 2002. №2. С. 22-24.

3. Патент РФ №2251702.

Чувствительный элемент микромеханического акселерометра, содержащий внешнюю рамку, на которой сформированы площадки крепления к обкладкам, инерционную массу, соединенную одной стороной с упругими элементами, а другие концы упругих элементов соединены с внешней рамкой, отличающийся тем, что на одной стороне внешней рамки в центре симметрии сформирована балка, причем по обе стороны внешней рамки на конце балки, обращенной внутрь внешней рамки, сформирована перекладина, к которой одним концом прикреплены упругие элементы, а другим концом упругие элементы соединены с инерционной массой, в центре балки сформирована Т-образная прорезь, причем ножкой с внешней стороны внешней рамки, по обе стороны ножки Т-образной прорези сформированы L-образные прорези.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к измерительной технике и может применяться в микромеханических акселерометрах. Чувствительный элемент микромеханического акселерометра содержит маятник из монокристаллического кремния, верхнюю и нижнюю обкладки и внешнюю рамку, соединенную с маятником через упругие торсионы.

Изобретение относится к измерительной технике, в частности, к области измерения инфразвуковых колебаний газообразной или жидкой среды. Заявлено устройство для измерения инфразвуковых колебаний среды, содержащее корпус, мембрану, связанную с окружающей средой и средой внутри корпуса, последовательно соединенные емкостный датчик перемещения мембраны и усилитель-демодулятор, а также аналоговый выход устройства и генератор, подключенный к емкостному датчику и усилителю-демодулятору.

Группа изобретений относится к микроэлектромеханическим системам (MEMS). Датчик ускорений, содержащий электроды, образующие конденсаторы, емкость которых меняется как функция расстояния между электродами, блок управления выполнен с возможностью измерения емкостей и с возможностью выполнения операции управления, которая содержит выборочно стадию точного управления, на которой прикладывают первое напряжение между одним из неподвижных электродов и подвижным электродом, в то время как другой неподвижный электрод находится под таким же потенциалом, как и подвижный электрод; и стадию расширенного управления, на которой прикладывают второе напряжение между одним из неподвижных электродов и подвижным электродом, а другой неподвижный электрод находится под таким же потенциалом, как и подвижный электрод, при этом второе напряжение по абсолютному значению больше, чем первое напряжение.

Изобретение относится к области измерительной техники, а именно к устройствам для построения электронной системы преобразователя линейных ускорений. Электронная система компенсационного акселерометра содержит дифференциальный емкостный преобразователь, двухфазный генератор переменного тока, источник опорного напряжения постоянного тока, усилитель, состоящий из усилителя переменного тока, фазового детектора и усилителя постоянного тока с двумя противофазными выходами.

Изобретение относится к устройствам для измерения линейных ускорений и может быть использовано для одновременного измерения ускорений вдоль трех взаимно перпендикулярных осей. Сущность: акселерометр содержит инерционную массу (1), которая закреплена во внутренней раме (2) с помощью торсионов (3- 6).

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 области измерительной техники и микросистемной техники, а более конкретно к интегральным измерительным элементам величин угловой скорости и ускорения. .

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения ускорения подвижных объектов. .

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано в системах диагностирования промышленных роботов. .

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к линейным осевым акселерометрам, предназначенным для применения в навигационных системах летательных аппаратов, морских судов и на транспорте. .

Изобретение относится к области измерительной техники, а именно к измерительным элементам линейного ускорения. Сущность изобретения заключается в том, что чувствительный элемент микромеханического акселерометра дополнительно содержит установленные с зазором относительно подложки два противовеса, закрепленные через дополнительные упругие элементы на дополнительных опорных элементах, неподвижно закрепленных на подложке, при этом ответные штыри закреплены на двух балках, связанных через рычаги с противовесами, при этом рама неподвижно закреплена на подложке, а упругие элементы закреплены со второй стороны к опорным элементам. Технический результат – повышение точности измерения линейного ускорения при повышении надежности работы чувствительного элемента микромеханического акселерометра в условиях наличия внешних воздействующих факторов, в частности ударов и вибраций большой интенсивности. 1 ил.
Наверх