Чувствительный элемент микромеханического акселерометра

Полезная модель относится к измерительной технике и может применяться в микромеханических датчиках линейных ускорений. Задачей, на решение которой направлена полезная модель, является увеличение точности микромеханического датчика. В чувствительном элементе микромеханического акселерометра, содержащем основание, инерционную массу, упругие элементы, закрепленные на основании и инерционной массе, емкостные системы для измерения перемещений инерционной массы в виде гребенчатых встречно-штырьевых преобразователей. Упругие элементы выполнены зигзагообразными. Расположены они попарно. Одна пара с одной стороны инерционной массы, другая с противоположной. Сформированы они симметрично относительно поперечной и продольной оси инерционной массы. Вместо зигзагообразного упруго элемента возможно использование упругого элемента в виде меандра с утолщением на изгибах.

Полезная модель относится к измерительной технике и может применяться в микромеханических датчиках линейных ускорений. Известен чувствительный элемент микромеханического акселерометра, содержащий диэлектрическую подложку и инерционную массу, расположенную с зазором относительно диэлектрической подложки, выполненную в виде пластины с гребенчатой структурой с одной стороны, из полупроводникового материала и связанную с подложкой с помощью упругих балок, выполненных из полупроводникового материала, которые одними концами жестко соединены с инерционной массой, а другими - с опорами, выполненными из полупроводникового материала, и расположенными непосредственно на диэлектрической подложке, неподвижный электрод емкостного преобразователя перемещений с гребенчатой структурой с одной стороны, выполненный из полупроводникового материала и расположенный на диэлектрической подложке с зазором относительно инерционной массы так, что образует плоский конденсатор в плоскости ее пластины через боковые зазоры и взаимопроникающие друг в друга гребенки электродов [1]. Недостатком данного устройства является то, что чувствительный элемент выполнен из поликристаллического полупроводникового материала, что существенным образом отражается на упругих свойствах чувствительного элемента, так при воздействии перекрестных связей возникает погрешность, прямым образом влияющая на точность. Конфигурация упругих элементов также чувствительна к перекрестным связям, что и снижает точность. Известен чувствительный элемент микромеханического акселерометра, выполненный на подложке из монокристаллического кремния, ориентированной в плоскости (100), и содержащий подвес инерционной массы в виде консольно закрепленных на основании упругих элементов, обеспечивающих инерционной массе поступательное перемещение в плоскости подложки, совпадающей с плоскостью (100) кристаллической решетки кремния, и емкостные гребенчатые встречно-штырьевые преобразователи [2].

Главная функция упругих элементов - обеспечение подвеса инерционной массы, при этом параметры упругих элементов в процессе эксплуатации должны быть стабильными. Конструкция должна обеспечить уменьшение уровня погрешностей при наличии различных косых вибраций. Главным недостатком данной конструкции является высокая чувствительность к косым и круговым вибрациям, направленным не по измерительной оси, что приводит к изменению масштабных коэффициентов каналов. Высокая чувствительность конструкции чувствительного элемента продольным и поперечным вибрациям, направленным по осям X и У и под углом к ним. Это существенным образом влияет на стабильность нулевого сигнала и точность измерения самого параметра, то есть линейного ускорения.

Выполнение упругих элементов в виде балки Г-образной формы, состоящей из двух идентичных элементов, причем симметричной, делают упругую систему датчика высокочувствительной к паразитным ускорениям и вибрациям.

Так, при воздействии вибрации по этим осям или под углом к ним, возникают объемные волновые процессы в торсионах, последние представляют собой в первом приближении стержни. Объемная волна в торсионах вызывает время-переменную деформацию в электропроводящей инерционной массе, являющуюся частью преобразователя перемещений. В результате чего на выходе датчика увеличивается смещение нуля и, как следствие, понижается точность прибора в целом.

Задачей, на решение которой направлено полезная модель, является увеличение точности измерения.

Для достижения этого в чувствительном элементе микромеханического акселерометра, содержащим основание, инерционную массу, упругие элементы, закрепленные на основании и инерционной массе, емкостные гребенчатые встречно-штырьевые преобразователи, упругие элементы выполнены зигзагообразными или в виде меандра, с утолщением на изгибах, причем расположены попарно, одна пара с одной стороны инерционной массы, другая- с противоположной, симметрично относительно поперечной и продольной оси инерционной массы.

Признаком, отличающим предложенный чувствительный элемент от известного является то, что в чувствительном элементе микромеханического акселерометра упругие элементы выполнены зигзагообразными или в виде меандра. Расположены они попарно. Одна пара с одной стороны инерционной массы, другая с противоположной. Расположены они симметрично относительно поперечной и продольной оси инерционной массы, вдоль оси действия измеряемого ускорения. Такая конфигурация и расположение упругих элементов обеспечивает минимальную чувствительность к паразитным вибрациям и максимальную чувствительность к измеряемому ускорению, тем самым, обеспечивая максимальную точность.

Предложенный микромеханический датчик иллюстрируется чертежами, представленными на фиг.1,2. На фиг.1 изображен чувствительный элемент микромеханического акселерометра с зигзагообразными упругими элементами, где:

1 - основание;

2 - инерционная масса;

3 - зигзагообразные упругие элементы;

4 - емкостные гребенчатые встречно-штырьевые преобразователи перемещений.

На фиг.2, чувствительный элемент микромеханического акселерометра с упругими элементами в виде меандра с утолщением на изгибах, где:

5 - упругие элементы в виде меандра с утолщением на изгибах.

Чувствительный элемент, выполненный из монокристаллического кремния, содержит основание 1, соединенные с ним зигзагообразные упругие элементы 3 или в виде меандра 5, расположенные на инерционной массе 2 и основании 1, емкостные гребенчатые встречно-штырьевые преобразователи перемещений 4. Основание 1 закреплено на диэлектрической подложке(не показано), таким образом, чтобы обеспечить зазор между инерционной массой 2 и диэлектрической подложкой.

Чувствительный элемент работает следующим образом. При воздействии линейного ускорения инерционная масса 2 отклоняется от своего нейтрального положения. Зигзагообразные упругие элементы 3 или упругие элементы в виде меандра 5 изгибаются, и возникает дисбаланс на емкостных гребенчатых встречно-штырьевых преобразователях перемещений 4. Величина этого дисбаланса пропорциональна измеряемому ускорению. Выполнение упругих элементов зигзагообразными 3 или в виде меандра 5 снижают чувствительность упругой системы датчика к паразитным ускорениям и вибрациям. Это повышает точность прибора по сравнению с прототипом. При воздействии вибрации по паразитным осям или под углом к ним инерционная масса 2 не деформируется, соответственно не возникает смещение нуля и его нестабильность, а это повышает точность прибора. Источники информации:

1. Патент РФ 2 279 092.

2. Патент РФ 2 296 390 (прототип).

Чувствительный элемент микромеханического акселерометра, содержащий основание, инерционную массу, упругие элементы, закрепленные на основании и инерционной массе, емкостные гребенчатые встречно-штырьевые преобразователи, отличающийся тем, что упругие элементы выполнены зигзагообразными или в виде меандра с утолщениями на изгибах, причем расположены попарно, одна пара с одной стороны инерционной массы, другая - с противоположной симметрично относительно поперечной и продольной оси инерционной массы.