Микромеханический датчик

Полезная модель может применяться в микромеханических датчиках линейных ускорений. Задачей, на решение которой направлена полезная модель, является увеличение точности микромеханического датчика. Микромеханический датчик содержит чувствительный элемент, выполненный из монокристаллического кремния низкой проводимости, соединенный со стеклянными подложками, на которых находятся электроды емкостного преобразователя. Чувствительный элемент состоит из маятника, соединенного с внешней рамкой через крестообразные торсионы. Чувствительный элемент микромеханического датчика, соединен со стеклянными подложками через площадки крепления, расположенными на внешней рамке. Между площадками крепления сформированы V-образные пружины. Также V-образные пружины расположены между крестообразными торсионами и боковыми площадками крепления. Применение V-образных пружин, а именно их такое расположение позволяет существенно снизить погрешность от внешних возмущающих факторов. А их наличие на внешней рамке после процесса анодного соединения, снижает нестабильность и уровень нулевого сигнала датчика в целом.

Полезная модель относится к измерительной технике и может применяться в микромеханических датчиках линейных ускорений. Известен микромеханический датчик линейных ускорений, содержащий корпус, чувствительный элемент, выполненный из каркасной катушки подвешенный в корпусе на металлических растяжках, датчик перемещения каркасной катушки.

Недостатком этого устройства является сложность конструкции, нетехнологичность, низкая точность из- за чувствительности к перекрестным связям [1].

Известен другой микромеханический датчик ускорения, содержащий корпус, чувствительный элемент, выполненный из монокристаллического кремния в виде электропроводящей инерционной массы, представляющей собой маятник, подвешенный с помощью торсионов, которые другой стороной соединены с внешней рамкой. Торсионы выполнены крестообразными с поперечным сечением в виде Х-образного профиля, а наклонные грани крестообразных торсионов с профилем поперечного сечения в виде Х-образной формы ориентированы по направлению (111) кристаллографической решетки монокристаллического кремния [2]. Недостатком этого устройства является то, что анодное соединение диэлектрической пластиной (стеклянная подложка типа ЛК-105) с кремниевым чувствительным элементом осуществляется при высокой температуре. После остывания полученной конструкции происходит частичная деформация внешней рамки. Эта деформация передается на упругие торсионы. Это существенным образом влияет на стабильность упругих свойств последних.

Так, после присоединения, возникающие контактные напряжения влияют на упругий подвес, за счет чего увеличивается нестабильность смещения нуля и, как следствие, понижается точность прибора в целом. Еще одним недостатком данной конструкции - воздействии возмущающих факторов, в частности плюсовых и минусовых температур, конструкция чувствительного элемента будет деформирована, что приведет к появлению нестабильности нулевого сигнала, его высокому уровню. Изменится также жесткость торсионов и, как следствие, уход крутизны преобразователя перемещений. Все это существенно снижает точность прибора в целом. Задачей, на решение которой направлена полезная модель, является увеличение точности микромеханического датчика.

Для достижения этого в микромеханическом датчике, содержащем корпус, стеклянную подложку с электродами, чувствительный элемент из монокристаллического кремния с маятником и внешней рамкой с площадками крепления к стеклянной подложке, крестообразные торсионы, площадки крепления расположены на боковых и нижней зонах внешней рамки и между находящимися на боковых и нижней зонах внешней рамки площадками крепления, с обеих сторон, нижней площадки крепления, на мининимальном расстоянии от нее, выполнены У-образные пружины, а на боковых зонах внешней рамки, со стороны крестообразных торсионов, на минимальном расстоянии от площадок крепления, выполнены также V-образные пружины.

Признаком, отличающим предложенный датчик от известного является то, что чувствительный элемент выполнен с V-образными пружинами на внешней рамке. Причем одна пара V-образных пружин сформирована в нижней зоне внешней рамки, с обеих сторон нижней площадки крепления на минимальном расстоянии от нее. Другая пара V-образных пружин, расположена на боковых зонах внешней рамки, между площадками крепления и крестообразными торсионами. Причем по одной, на каждой боковой зоне на минимальном расстоянии от площадок крепления. При этом, при воздействие вредных факторов, а именно положительных и отрицательных температур, деформация передаваемая от места соединения стеклянной подложки с кремниевой площадкой крепления, внешней рамке, компенсируется V-образными пружинами. Напряженное состояние передается на V-образные пружины. Они изгибаются, препятствуя дальнейшей передачи деформации внешней рамки, тем самым обеспечивая отсутствие напряженного состояния на крестообразных торсионах. Все это, в целом, уменьшает дополнительную температурную погрешность прибора. Аналогичное происходит после анодного соединения диэлектрической пластины (стеклянная подложка типа ЛК-105) с кремниевым чувствительным элементом. После остывания конструкции напряженное состояние от места соединения передается внешней рамке. От внешней рамки, Далее к V-образным пружинам, которые деформируясь, препятствуют Дальнейшей передачи напряженного состояния крестообразным торсионам. А это существенным образом снижает уровень нулевого сигнала. Таким образом, увеличивается точность измерения полезного сигнала. Предложенный микромеханический датчик иллюстрируется чертежом, представленными на фиг.1. где:

1 - маятник;

2 - крестообразные торсионы;

3 - внешняя рамка;

4 - V-образные пружины на боковых зонах внешней рамки;

5 - площадки крепления на боковых зонах внешней рамки;

6 - площадка крепления на нижней зоне внешней рамки;

7 - V-образные пружины на нижней зоне внешней рамки.

Микромеханический датчик содержит чувствительный элемент, выполненный из монокристаллического кремния низкой проводимости, соединенный со стеклянными подложками (не показано), на которых находятся электроды емкостного преобразователя. Чувствительный элемент состоит из маятника (1), соединенного с внешней рамкой (3) через крестообразные торсионы (2). Чувствительный элемент соединен со стеклянными подложками через площадки крепления (5, 6), расположенными на внешней рамке (3). Между площадками крепления (5) и (6) сформированы V-образные пружины (7) в нижней зоне внешней рамки. На боковых зонах внешней рамки (3) расположены V-образные пружины (4)

Микромеханический датчик работает следующим образом. При воздействии линейного ускорения, маятник 1, кремниевого чувствительного элемента, отклоняется от своего нейтрального положения. При этом крестообразные торсионы 2 закручиваются на определенный угол. На стеклянных подложках и маятнике 1, реализована схема обработки сигнала. При воздействии линейного ускорения возникает дисбаланс между верхом низом, со стороны стеклянных подложек. Величина этого дисбаланса пропорциональна измеряемому ускорению.

При воздействии вредных факторов, расположенные на внешней рамке (3), У-образные пружины (4, 7) деформируются, препятствуя тем самым передачи напряженного состояния на крестообразные торсионы (2). Проведенные математическое моделирование в среде показало положительный эффект данной полезной модели по сравнению с прототипом. Источники информации:

1- Акселерометр капиллярный АК5-15, ТУ 611.781.ТУ. 1984 г.

2 - Патент РФ 106001 (прототип).

Микромеханический датчик, содержащий корпус, стеклянную подложку с электродами, чувствительный элемент из монокристаллического кремния с маятником и внешней рамкой с площадками крепления к стеклянной подложке, крестообразные торсионы, отличающийся тем, что площадки крепления расположены на боковых и нижней зонах внешней рамки, и между находящимися на боковых и нижней зонах внешней рамки площадками крепления с обеих сторон нижней площадки крепления на минимальном расстоянии от нее выполнены V-образные пружины, на боковых зонах внешней рамки со стороны крестообразных торсионов на минимальном расстоянии от площадок крепления выполнены также V-образные пружины.