Трехкомпонентный микроэлектромеханический акселерометр

Полезная модель относится к измерительной технике, в частности, к области приборостроения, и может найти применение в инерциальных системах подвижных объектов. Трехкомпонентный микроэлектромеханический акселерометр содержит корпус, в котором размещены первый, второй и третий микромеханические чувствительные элементы линейного ускорения, коммутационная плата и электронный блок. Все три чувствительных элемента размещены на коммутационной плате и выполнены герметичными в виде капсул. Первый и второй микромеханические чувствительные элементы линейного ускорения выполнены по осевой схеме, а третий микромеханический чувствительный элемент выполнен по маятниковой схеме, при этом оси чувствительности всех трех микромеханических чувствительных элементов образуют ортогональный трехгранник. Корпус выполнен из керамики, снабжен крышкой и вакуумирован. Электронный блок выполнен в виде унифицированной сверхбольшой интегральной бескорпусной схемы, обеспечивающей одновременную обработку информационных сигналов трех измерительных каналов в реальном масштабе времени, и установлен в углублении корпуса на его нижнем уровне. Коммутационная плата установлена в корпусе над электронным блоком, закреплена по периферии и имеет прорези, расположенные над контактами электронного блока. Положительный эффект состоит в снижении стоимости изготовления за счет использования групповой технологии микроэлектроники, повышении точности и надежности работы устройства, а также в расширении области его применения. 3 з.п. ф-лы, 1 ил.

Полезная модель относится к измерительной технике, в частности, к области приборостроения, и может найти применение в инерциальных системах подвижных объектов, в автопилотах авиа- и судомоделей.

Особенностью микроэлектромеханических акселерометров является преимущественное изготовление чувствительных элементов этих устройств из материалов на основе кремния по кремниевой технологии, что предопределяет: малые габариты и вес акселерометра, возможность применения групповой технологии изготовления, дешевизну изготовления при массовом производстве, высокую надежность в эксплуатации.

Известен трехкомпонентный акселерометр, содержащий инерционную массу, электромагниты, датчики перемещения, расположенные вокруг инерционной массы по трем осям, три схемы управления. В каждую схему управления введены процессор, цифроаналоговый преобразователь и следящий блок [Патент РФ 1259815, МПК⁵ G01P 15/13, 1984].

Недостатком данного устройства являются неудовлетворительные массогабаритные параметры.

Известен трехкомпонентный тензоакселерометр [Патент РФ 2382369, МПК G01P 15/12, 2008], включающий корпус, упругий чувствительный элемент, работающий на изгиб, груз и измерительную мостовую схему. Центр инерции груза смещен относительно плоскости чувствительного элемента. Дополнительно сформированные мостовые схемы из тензорезисторов ориентированы и подключены так, что выходной сигнал каждой схемы зависит лишь от одной составляющей ускорения и не зависит от остальных составляющих.

Недостатком данного устройства является невысокая точность и неудовлетворительные массогабаритные параметры.

Наиболее близким аналогом предлагаемого устройства является инерциальный измерительный блок, содержащий корпус, блок электроники, микромеханические чувствительные элементы, расположенные на гранях основания (Патент РФ 2162203 МПК⁷ G01C 21/00, 2000).

Недостатком подобного устройства является сложность конструкции, невысокая точность, недостаточная надежность, а также большие габариты и масса.

Целью полезной модели является повышение точности и надежности работы устройства, а также улучшение его массогабаритных параметров.

Технический результат получен за счет того, что в трехкомпонентном микроэлектромеханическом акселерометре, содержащем корпус, в котором размещены первый, второй и третий микромеханические чувствительные элементы линейного ускорения, коммутационная плата и электронный блок, первый, второй и третий чувствительные элементы линейного ускорения могут быть размещены на коммутационной плате и выполнены герметичными в виде капсул, причем первый и второй микромеханические чувствительные элементы линейного ускорения выполнены по осевой схеме, а третий микромеханический чувствительный элемент выполнен по маятниковой схеме, при этом оси чувствительности всех трех микромеханических чувствительных элементов линейного ускорения образуют ортогональный трехгранник. Корпус может быть выполнен из керамики, снабжен крышкой и вакуумирован. Электронный блок может быть выполнен в виде унифицированной сверхбольшой интегральной бескорпусной схемы, обеспечивающей одновременную обработку информационных сигналов трех измерительных каналов в реальном масштабе времени, и установлен в углублении корпуса на его нижнем уровне. Коммутационная плата может быть установлена в корпусе над электронным блоком, закреплена по периферии и имеет прорези, расположенные над контактами электронного блока.

При исполнении трехкомпонентного микроэлектромеханического акселерометра в виде совокупности трех измерительных каналов появляется возможность использовать пространственную сборку интегральной схемы и капсулированных чувствительных элементов в одном герметизированном корпусе. При этом достигается повышение точности и надежности работы устройства.

Предложенная конструкция обеспечивает:

- тепловую развязку между интегральной схемой и капсулами;

- минимальные значения длин микропроволочных выводов, выдерживающих значительные механические воздействия;

- малое емкостное влияние коммутационной платы с установленными капсулами на элементы интегральной схемы;

- малые значения паразитных утечек;

- автономность работы каналов;

- надежность работы капсулированных чувствительных элементов в части долговременного сохранения глубины вакуума;

- минимальные массогабаритные характеристики. Габаритные размеры устройства могут составлять в плоскости монтажа 16,5×16,5 мм и по высоте 4,8 мм.

На чертеже представлена компоновка устройства в разрезе.

Трехкомпонентный микроэлектромеханический акселерометр содержит корпус 1, в котором размещены первый 2, второй 3 и третий 4 микромеханические чувствительные элементы линейного ускорения, коммутационная плата 5 с прорезями 8 и электронный блок 6, выполненный в виде унифицированной сверхбольшой интегральной бескорпусной схемы. Корпус 1 снабжен крышкой 7. Электронный блок 6 установлен в углублении корпуса 1 на его нижнем уровне. Коммутационная плата 5 установлена в корпусе 1, закреплена по периферии и имеет прорези 8, обеспечивающие доступ к контактам интегральной схемы 6. Соединения между контактами интегральной схемы 6, коммутационной платой 5 и контактами чувствительных элементов 2, 3 и 4 осуществляются микропроволокой 9. Первый 2 и второй 3 чувствительные элементы линейного ускорения размещены на коммутационной плате 5 так, что их оси чувствительности взаимно перпендикулярны и лежат в плоскости, параллельной плоскости коммутационной платы 5. Третий микромеханический чувствительный элемент 4 закреплен на плате 5 так, что его ось чувствительности перпендикулярна плоскости платы. Таким образом, оси чувствительности всех трех чувствительных элементов образуют ортогональный трехгранник.

Предложенное устройство работает следующим образом. При действии составляющих вектора линейного ускорения в направлении осей чувствительности первого 2, второго 3 и третьего 4 чувствительных элементов с их выходов снимаются сигналы, пропорциональные величинам этих составляющих. Сигналы с выходов чувствительных элементов поступают на вход специализированной трехканальной сверхбольшой интегральной схемы 6 типа "система на кристалле", обеспечивающей аналого-цифровую и логическую обработку массивов данных в реальном масштабе времени. Наличие в интегральной схеме связанных единым алгоритмом обработки сигналов программируемого процессорного элемента, массива памяти, цифровых и аналоговых узлов с "жесткой" логикой и схемотехникой позволяет придавать микроэлектромеханической информационно-управляющей системе дополнительные функциональные возможности, такие как фильтрация сигнала, коррекция, обнаружение отказа, линеаризация передаточной характеристики, реконфигурация измерительных каналов и другое. Интегральная схема 6 также предусматривает возможность одновременной обработки информационных сигналов всех трех измерительных каналов.

В состав интегральной схемы 6 могут входить следующие функциональные блоки:

входные усилители сигналов емкостных датчиков перемещения микромеханических акселерометров;

аналого-цифровые преобразователи сигналов микромеханических акселерометров, а также температурного датчика;

- цифровой сигнальный процессор;

- микроконтроллер;

- энергонезависимая память;

- система внутренних и внешних интерфейсов;

- источник опорного напряжения;

- генератор тактовой частоты;

- супервизор.

Положительный эффект предложенного устройства, кроме всего прочего, состоит еще и в том, что в каждом из трех каналов могут быть использованы чувствительные элементы линейного ускорения, рассчитанные на различные диапазоны работы.

Таким образом, заявленный трехкомпонентный микроэлектромеханический акселерометр позволяет повысить точность и надежность работы устройства, а также достичь минимальных массогабаритных характеристик.

1. Трехкомпонентный микроэлектромеханический акселерометр, содержащий корпус, в котором размещены первый, второй и третий микромеханические чувствительные элементы линейного ускорения, коммутационная плата и электронный блок, отличающийся тем, что первый, второй и третий микромеханические чувствительные элементы линейного ускорения размещены на коммутационной плате и выполнены герметичными в виде капсул, причем первый и второй микромеханические чувствительные элементы линейного ускорения выполнены по осевой схеме, а третий микромеханический чувствительный элемент выполнен по маятниковой схеме, при этом оси чувствительности всех трех микромеханических чувствительных элементов образуют ортогональный трехгранник.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что корпус выполнен из керамики, снабжен крышкой и вакуумирован.

3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что электронный блок выполнен в виде унифицированной сверхбольшой интегральной бескорпусной схемы, обеспечивающей одновременную обработку информационных сигналов трех измерительных каналов в реальном масштабе времени, и установлен в углублении корпуса на его нижнем уровне.

4. Устройство по п.1, отличающееся тем, что коммутационная плата установлена в корпусе над электронным блоком, закреплена по периферии и имеет прорези, расположенные над контактами электронного блока.