Микромеханический маятниковый акселерометр

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. Микромеханический маятниковый акселерометр содержит корпус в виде платы из диэлектрического материала с нанесенным на нее слоем кремния, крышку, скрепленную с корпусом, инерционную массу, подвешенную в виде маятника на упругих перемычках, единый центральный опорный элемент, датчик угла, блок электроники, токоподводы, размещенные внутри платы, датчик температуры, выполненный в виде петлеобразной полоски из кремния, размещенной по периметру платы в зоне контакта крышки с платой и подсоединенной своими концами к токоподводам. Инерционная масса, упругие перемычки, единый центральный опорный элемент и датчик температуры выполнены единым элементом методом анизотропного травления кремния. Техническим результатом является повышение точности при изменении температуры окружающей среды. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

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

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

Одной из основных причин, вызывающих погрешность измерений микромеханического акселерометра, является изменение температуры окружающей среды.

Известен инерциальный измерительный блок [патент РФ 2162203, МПК G01C 21/00, 2000 г.], содержащий корпус с размещенными на его гранях микромеханическими гироскопами, акселерометрами, а также датчиком температуры, выполненным в виде бескорпусного транзистора и установленным на основании.

Недостатком данного технического решения является невысокая точность измерения температуры. Температура измеряется в одной точке основания на одной из его граней.

Наиболее близким к предлагаемому устройству является микромеханический акселерометр [патент на полезную модель 56645, МПК G01P 15/08, 2006 г.], содержащий корпус, выполненный в виде платы из диэлектрического материала с напыленными на ней неподвижными электродами датчика угла и электростатического датчика момента, крышку, скрепленную с корпусом, инерционную массу, выполненную в виде кремниевой пластины, подвешенной с зазором на плате в виде маятника на упругих перемычках с единым центральным опорным элементом, которые образуют упругий подвес с осью подвеса, лежащей в плоскости инерционной массы, токоподводы, размещенные внутри платы, электронную схему обработки сигналов.

Недостатком данного технического решения является невысокая точность, обусловленная изменением температуры окружающей среды.

Задачей полезной модели является повышение точности работы микромеханического акселерометра в условиях изменения температуры окружающей среды.

Технический результат получен за счет того, что в микромеханический маятниковый акселерометр, содержащем корпус, выполненный в виде платы из диэлектрического материала с нанесенным на нее слоем кремния, крышку, выполненную из диэлектрического материала и скрепленную с корпусом, инерционную массу, выполненную в виде кремниевой пластины, расположенную с зазором относительно платы и подвешенную в виде маятника на упругих перемычках с единым центральным опорным элементом, которые образуют упругий подвес, с осью подвеса, лежащей в плоскости инерционной массы, емкостной датчик угла, электростатический датчик момента, токоподводы, размещенные внутри платы, электронную схему обработки сигналов, может быть введен датчик температуры, выполненный в виде петлеобразной полоски из кремния, размещенной по периметру платы в зоне контакта крышки с платой и подсоединенной своими концами к соответствующим токоподводам. Инерционная масса, упругие перемычки, единый центральный опорный элемент и датчик температуры могут быть выполнены единым элементом методом анизотропного травления кремния.

При введении датчика температуры, выполненного в виде петлеобразной полоски из кремния, размещенной по периметру платы в зоне контакта крышки с платой и подсоединенной своими концами к соответствующим токоподводам, обеспечивается компенсация температурных погрешностей и, как следствие, повышение точности работы микромеханического маятникового акселерометра в условиях изменения температуры окружающей среды.

Предложенная конструкция датчика температуры позволяет измерять интегральную температуру капсулы, в который размещен акселерометр, путем измерения величины тока, протекающего по петлеобразной полоске из кремния как по тонкопленочному резистору. Электрическое сопротивление кремниевой полоски зависит не только от изменения температуры основания и крышки, но и от длины и толщины самой полоски. Ее длина может достигать нескольких миллиметров. Толщина может достигать нескольких десятков микрон. Сопротивление такой полоски может составлять десятки кОм. Такой датчик температуры прост в изготовлении и является практически безынерционным.

На фиг. 1 представлен общий вид микромеханического маятникового акселерометра в разрезе.

На фиг. 2 представлен общий вид акселерометра со снятой крышкой.

Микромеханический маятниковый акселерометр (фиг. 1, 2) содержит корпус 1, выполненный в виде платы из диэлектрического материала с нанесенным на нее слоем кремния, крышку 2, выполненную из диэлектрического материала и скрепленную с корпусом 1 при помощи анодной сварки, инерционную массу 3, расположенную с зазором относительно платы 1 и подвешенную в виде маятника на упругих перемычках 4, закрепленных на едином центральном опорном элементе 5. Ось подвеса Z-Z проходит вдоль перемычек 4 и лежит в плоскости инерционной массы 3. Емкостной датчик угла включает неподвижные электроды 6 и токоподводы 7, размещенные внутри платы 1. Датчик температуры выполнен в виде петлеобразной полоски 8 из кремния и подсоединен своими концами к соответствующим токоподводам 7, размещенным внутри платы 1.

Предложенное устройство работает следующим образом. При действии ускорения в направлении оси чувствительности Х-Х инерционная масса 3 отклоняется от своего исходного состояния. При этом изменяются емкости дифференциального конденсатора, образованного неподвижными электродами 6 и инерционным элементом 3. Электрический сигнал снимается с емкостного датчика угла и подается на вход электронной схемы обработки сигналов. После преобразования сигнал поступает на вход электростатического датчика момента и приводит к появлению момента, стремящегося возвратить инерционную массу 3 в исходное состояние. В установившемся состоянии сила инерции, действующая на инерционную массу в результате ускорения, уравновешивается электростатической силой, развиваемой датчиком момента. Сигнал на выходе электронной схемы обработки сигналов является выходным сигналом акселерометра. При изменении температуры окружающей среды с датчика температуры 8 снимается электрический сигнал, который также подается в электронную схему обработки сигналов для формирования компенсирующего сигнала.

Таким образом может быть осуществлено измерение ускорения, действующее в направлении оси Х-Х.

Заявленный микромеханический маятниковый акселерометр позволяет повысить точность измерения в условиях изменения температуры окружающей среды.

1. Микромеханический маятниковый акселерометр, содержащий корпус, выполненный в виде платы из диэлектрического материала с нанесенным на нее слоем кремния, крышку, выполненную из диэлектрического материала и скрепленную с корпусом, инерционную массу, выполненную в виде кремниевой пластины, расположенной с зазором относительно платы и подвешенной в виде маятника на упругих перемычках с единым центральным опорным элементом, которые образуют упругий подвес, с осью подвеса, лежащей в плоскости инерционной массы, емкостной датчик угла, электростатический датчик момента, токоподводы, размещенные внутри платы, электронную схему обработки сигналов, отличающийся тем, что введен датчик температуры, выполненный в виде петлеобразной полоски из кремния, размещенной по периметру платы в зоне контакта крышки с платой и подсоединенной своими концами к соответствующим токоподводам.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что инерционная масса, упругие перемычки, единый центральный опорный элемент и датчик температуры выполнены единым элементом методом анизотропного травления кремния.