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 измерения. Чувствительный элемент микромеханического акселерометра содержит основание, инерционную массу, упругие элементы, жесткие балки, площадку крепления к основанию. Упругие элементы соединены одной стороной с инерционной массой, другой с жесткими балками. Жесткие балки соединены с площадкой крепления к основанию, расположенную в центре симметрии инерционной массы. Сечение жестких балок выполнено в виде X-образного профиля или квадрата. Площадь электродов неподвижных емкостных гребенчатых встречно-штырьевых преобразователей больше подвижных. В центре симметрии инерционной массы, которая представляет собой площадку крепления к основанию, механические напряжения равны нулю. В точке крепления и вблизи ее с учетом линейного закона распределения механических напряжений и деформаций, напряженное состояние отсутствует. Тем самым обеспечивает резкое уменьшение напряженного состояния на упругий элемент, сопряженный с площадкой крепления к основанию. Жесткие балки в виде X-образного профиля, обеспечивают наибольшую жесткость к изгибным деформациям. Тем самым устраняется воздействие от перекрестных связей, направленных перпендикулярно к измерительной оси.

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, содержащий основание, инерционную массу, упругие элементы, выполненные зигзагообразными или в виде меандра, емкостные гребенчатые встречно-штырьевые преобразователи [2].

Недостатком данного устройства является то, что чувствительный элемент микромеханического акселерометра подвержен действию пониженным и повышенным температурным воздействиям. При повышении, понижении рабочих температур, упругие элементы чувствительного элемента укорачиваются или удлиняются соответственно. Вследствие того, что упругие элементы жестко соединены с одной стороны, с инерционной массой, с другой стороны, с основанием, при этом последняя жестко соединена со стеклянными обкладками, то возникающее при этом деформация приложена к инерционной массе, которая в итоге перемещается. При этом на выходе преобразователя перемещений инерционной массы появляется сигнал при отсутствии действия линейного ускорения, т.е. появляется погрешность измерения полезного сигнала.

Другим недостатком данного устройства является то, что после анодного соединения кремниевого чувствительного элемента микромеханического акселерометра со стеклянными обкладками, остаточное напряжение, возникающее в стыке «кремний-стекло» деформирует упругие элементы, которые перемещают инерционную массу, что увеличивает уровень нулевого сигнала. А это уменьшает точность прибора.

Задачей, на решение которой направлена полезная модель, является увеличение точности измерения линейных ускорений.

Для достижения этого в чувствительном элементе микромеханического акселерометра содержащем основание, инерционную массу, упругие элементы, выполненые зигзагообразными или в виде меандра, подвижные и неподвижные емкостные гребенчатые встречно-штырьевые преобразователи, упругие элементы соединены одной стороной с инерционной массой, другой - с жесткими балками, которые соединены с площадкой крепления к основанию, расположенной в центре симметрии инерционной массы, сечение жестких балок выполнено в виде X-образного профиля или квадрата, площадь электродов неподвижных емкостных гребенчатых встречно-штырьевых преобразователей больше подвижных.

Признаком, отличающим предложенный чувствительный элемент микромеханического акселерометра от известного является то, что в чувствительном элементе микромеханического акселерометра упругие элементы соединены одной стороной с инерционной массой, другой с жесткими балками. Жесткие балки соединены с площадкой крепления к основанию, расположенную в центре симметрии инерционной массы. При воздействии отрицательных или положительных температур в центральной точке закрепления, а именно в центре симметрии инерционной массы, которая представляет собой площадку крепления к основанию, механические напряжения равны нулю. В точке крепления и вблизи ее с учетом линейного закона распределения механических напряжений и деформаций, напряженное состояние отсутствует. Тем самым обеспечивает резкое уменьшение напряженного состояния на упругий элемент, сопряженный с площадкой крепления к основанию. После процесса анодного соединения площадки крепления со стеклянными подложками, остаточные напряжения передается на жесткие балки. При этом возможные напряжения, возникающие от точек крепления оценивается следующей зависимостью:

где - коэффициент Пуассона; S - площадь контакта; y₀ - толщина каркасной рамки; - давление на контакт; L - расстояние от площадок крепления до заданного сечения.

Увеличение расстояния L от площадки крепления к основанию до упругих элементов ограничивает доступ напряженного состояния на место сопряжения упругого элемента с жесткими балками, тем самым обеспечивая отсутствие деформации упругого элемента, при отсутствии действия линейного ускорения. То же самое происходит при воздействии отрицательных и положительных температур. Таким образом, формирование площадки крепления с таким закреплением к стеклянным обкладкам существенно снижает уровень нулевого сигнала и его нестабильность, а так же температурную погрешность, тем самым повышая точность измерения линейных ускорений.

Сечение жестких балок выполнено в виде X-образного профиля или квадрата. Жесткие балки в виде X-образного профиля, обеспечивают наибольшую жесткость к изгибным деформациям. Тем самым устраняется воздействие от перекрестных связей, направленных перпендикулярно к измерительной оси. Площадь электродов неподвижных емкостных гребенчатых встречно-штырьевых преобразователей больше подвижных. При воздействии угловых ускорений вдоль измерительной оси, при условии закручивания жестких балок, площадь перекрытия емкостных гребенчатых встречно-штырьевых преобразователей не изменится. Тем самым устраняется влияние угловых ускорений.

Предложенный чувствительный элемент микромеханического акселерометра иллюстрируется чертежом, представленными на фиг. 1,

где:

1 - инерционная масса,

2 - упругий элемент,

3 - площадка крепления к основанию,

4 - неподвижные емкостные гребенчатые встречно-штырьевые преобразователи,

5 - подвижные емкостные гребенчатые встречно-штырьевые преобразователи,

6, 7 - жесткая балка.

Чувствительный элемент микромеханического акселерометра, выполненный из монокристаллического кремния, содержит основание (не показано), инерционную массу 1. Упругие элементы 2, соединенные одной стороной с инерционной массой 1 - другой с жесткими балками 6, 7. Жесткие балки 6, 7 соединены с площадкой крепления к основанию 3, расположенную в центре симметрии инерционной массы 1. На основании (не показано) закреплены неподвижные емкостные гребенчатые встречно-штырьевые преобразователи 4. На инерционной массе 1 сформированы подвижные емкостные гребенчатые встречно-штырьевые преобразователи 5. Совместно неподвижные емкостные гребенчатые встречно-штырьевые преобразователи 4 и подвижные емкостные гребенчатые встречно-штырьевые преобразователи 5 образуют емкостный преобразователь перемещений инерционной массы 1.

Чувствительный элемент микромеханического акселерометра работает следующим образом. При воздействии линейного ускорения инерционная масса 1 отклоняется от своего нейтрального положения. Упругие элементы 2 изгибаются, и возникает дисбаланс на емкостных гребенчатых встречно-штырьевых преобразователях перемещений 4, 5. Величина этого дисбаланса пропорциональна измеряемому ускорению. Жесткие балки 6, 7 соединены с площадкой крепления к основанию 3, расположенную в центре симметрии инерционной массы 1. При воздействии отрицательных или положительных температур в центральной точке закрепления, а именно в центре симметрии инерционной массы 1, которая представляет собой площадку крепления к основанию 3, механические напряжения равны нулю. В точке крепления и вблизи ее с учетом линейного закона распределения механических напряжений и деформаций, напряженное состояние отсутствует. Тем самым обеспечивает резкое уменьшение напряженного состояния на упругий элемент 2, сопряженный с площадкой крепления к основанию 3. Жесткие балки 6, 7 в виде X-образного профиля, обеспечивают наибольшую жесткость к изгибным деформациям. Тем самым устраняется воздействие от перекрестных связей, направленных перпендикулярно к измерительной оси. Площадь электродов неподвижных емкостных гребенчатых встречно-штырьевых преобразователей 4 больше подвижных 5. При воздействии угловых ускорений вдоль измерительной оси, при условии закручивания жестких балок 6, 7, площадь перекрытия емкостных гребенчатых встречно-штырьевых преобразователей 4, 5 не изменится. Тем самым устраняется влияние угловых ускорений.

Источники информации:

1. Патент РФ 2279092.

2. Патент РФ 131 194 (прототип).

Чувствительный элемент микромеханического акселерометра, содержащий основание, инерционную массу, упругие элементы, выполненные зигзагообразными или в виде меандра, подвижные и неподвижные емкостные гребенчатые встречно-штырьевые преобразователи, отличающийся тем, что упругие элементы соединены одной стороной с инерционной массой, другой - с жесткими балками, которые соединены с площадкой крепления к основанию, расположенной в центре симметрии инерционной массы, сечение жестких балок выполнено в виде X-образного профиля или квадрата, площадь электродов неподвижных емкостных гребенчатых встречно-штырьевых преобразователей больше подвижных.