Микромеханический акселерометр

Использование: в области измерительной техники, для измерения ускорений подвижных объектов, в частности в инерциальных системах навигации. Сущность изобретения: микромеханический акселерометр содержит корпус, выполненный в виде платы из диэлектрического материала с напиленными на ней неподвижными электродами емкостного датчика угла и электростатического датчика момента, инерционную массу, выполненную в виде прямоугольной кремниевой пластины и подвешенную с зазором на плате в виде маятника на упругих перемычках с опорными элементами, которые образуют упругий подвес, с осью подвеса, лежащей в плоскости инерционной массы, электронную схему обработки сигналов, токоподводы. Кремниевая пластина выполнена с прорезью, внутри которой размещены упругие перемычки и опорные элементы, выполненные в виде единого центрального опорного элемента. Крышка скреплена с корпусом. Токоподводы размещены внутри платы. Обеспечивается надежность и расширение диапазона измерений.

4 з.п. ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к измерительной технике, в частности, к области приборостроения и может найти применение в инерциальных системах подвижных объектов, в автопилотах авиа и судомоделей, в системах безопасности транспортных средств.

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.

Известно техническое решение [А.с. 1811612 A3, кл. G 01 P 15/12, Бюл. №15, 23.04.93 г. Электростатический акселерометр / Малкин Ю.М., Папко А.А., Калганов В.Н., Любезнов А.Н., Вяткин С.Н.], в котором акселерометр содержит корпус, выполненный в виде двух плат из диэлектрического материала с напыленными на них неподвижными электродами емкостного датчика угла и электростатического датчика момента, инерционную массу, выполненную в виде прямоугольной кремниевой пластины и подвешенную с зазором между двух плат в виде маятника на упругих перемычках, которые образуют упругий подвес, электронную схему обработки сигналов.

Недостатком этого решения является сложность конструкции и сложная технология изготовления.

Известно техническое решение [Micro-electromechanical instrument and systems development at Draper Laboratory / Barbour N., Connely J., Gilmore J., Greiff P., Kourepenis A., Weinberg M. // 3-nd St.Petersburg International conf. on gyroscopic technology and navigation. May 1996, p.3-10.], сходное с предложенным изобретением, в котором маятниковый микромеханический акселерометр содержит корпус, выполненный в виде платы из диэлектрического материала с напыленным на ней неподвижными электродами емкостного датчика угла и электростатического датчика момента, инерционную массу, выполненную в виде кремниевой пластины, подвешенной с зазором на плате в виде маятника на упругих перемычках с опорными элементами, которые образуют упругий подвес с осью подвеса, лежащей в плоскости инерционной массы, электронную схему обработки сигналов.

Недостатком этого микромеханического акселерометра является сложная технология его изготовления, а также невысокая точность, обусловленная раздельным выполнением неподвижных электродов емкостного датчика угла и электростатического датчика момента. Кроме того, акселерометр имеет недостаточно широкий диапазон измерений.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является микромеханический акселерометр [Бурцев В.А., Дергачев П.Б., Лестев А.М., Попова И.В., Семенов А.А. Свидетельство на полезную модель №22331, Россия, кл. G 01 P 15/08, заявл. 30.07.2001 г., опубл. 20.03.2002 г., Бюл. №8], содержащий корпус, выполненный в виде платы из диэлектрического материала с напыленными на ней неподвижными электродами емкостного датчика угла и электростатического датчика момента, инерционную массу, выполненную в виде кремниевой пластины, подвешенной с зазором на плате в виде маятника на упругих перемычках с опорными элементами, которые образуют упругий подвес с осью подвеса, лежащей в плоскости инерционной массы, электронную схему обработки сигналов, токоподводы. Инерционная масса, упругие перемычки и опорные элементы могут быть выполнены единым элементом методом анизотропного травления кремния. Кремниевая пластина выполнена в форме прямоугольника, на поверхности которого равномерно распределены сквозные отверстия, выполненные в форме прямоугольника.

Недостатком подобного устройства является невысокая точность из-за недостаточного демпфирования собственных колебаний инерционной массы. Кроме того, за счет разнесенных опорных элементов происходит провисание инерционной массы на упругих перемычках. Данное обстоятельство приводит к уменьшению диапазона измерений и снижению надежности работы устройства.

Задачей настоящего изобретения является разработка микромеханического акселерометра, позволяющего повысить точность и надежность, а также расширить диапазон измерений.

Технический результат получен за счет того, что в микромеханическом акселерометре, содержащем корпус, выполненный в виде платы из диэлектрического материала с напыленными на ней неподвижными электродами емкостного датчика угла и электростатического датчика момента, инерционную массу, выполненную в виде кремниевой пластины, подвешенной с зазором на плате в виде маятника на упругих перемычках с опорными элементами, которые образуют упругий подвес с осью подвеса, лежащей в плоскости инерционной массы, электронную схему обработки

сигналов, токоподводы, кремниевая пластина может быть выполнена с прорезью, внутри которой размещены упругие перемычки и опорные элементы. Опорные элементы могут быть выполнены в виде единого центрального опорного элемента. Кроме того, может быть введена крышка, выполненная из диэлектрического материала и скрепленная с корпусом. Токоподводы могут быть размещены внутри платы.

При выполнении кремниевой пластины с прорезью, внутри которой размещается центральный опорный элемент, уменьшается ее провисание в корпусе устройства, повышается надежность работы микромеханического акселерометра и расширяется диапазон измерений.

Введение крышки позволяет изготавливать устройство в виде капсулы и обеспечивать демпфирование собственных колебаний инерционной массы. При этом улучшаются динамические характеристики устройства и повышается его точность.

Перечень фигур чертежей:

фиг.1 - конструктивная схема микромеханического акселерометра маятникового типа;

фиг.2 - инерционная масса с упругими перемычками и опорным элементом.

На фиг.1 представлена конструктивная схема микромеханического акселерометра маятникового типа;

на фиг.2 - инерционная масса с упругими перемычками и опорным элементом.

Микромеханический акселерометр (фиг.1) содержит корпус 1, выполненный в виде платы из диэлектрического материала. В корпусе 1 размещена инерционная масса 2, выполненная в виде прямоугольной кремниевой пластины, которая подвешена в виде маятника на упругих перемычках 3 с зазором 4 относительно корпуса 1. На корпусе 1 напылены неподвижные электроды 5 емкостного датчика угла и электростатического датчика момента. Упругие перемычки 3 одними концами жестко прикреплены к опорному элементу 6, закрепленному на корпусе 1, а вторыми - к инерционной массе 2 (фиг.2). Инерционная масса 2 выполнена в виде прямоугольной кремниевой пластины, на поверхности которой равномерно распределены сквозные отверстия прямоугольной формы (фиг.2). Токоподводы 8 размещены внутри платы 1. Крышка 7 скреплена с корпусом 1.

Плоскость инерционной массы 2 (плоскость, содержащая оси Y-Y, Z-Z) является базовой, а упругие перемычки 3 образуют ось подвеса Z-Z инерционной массы 2. Упругие перемычки 3 обеспечивают возможность угловых перемещений инерционной массы 2 вокруг оси подвеса Z-Z. Маятниковый эффект достигается за счет того, что

центр масс инерционной массы 2 не совпадает с осью подвеса Z-Z. Ось чувствительности Х-Х располагается перпендикулярно базовой плоскости инерционной массы.

Предложенное устройство работает следующим образом. При действии ускорения в направлении оси чувствительности Х-Х инерционная масса 2 отклоняется от своего исходного состояния. При этом изменяются емкости дифференциального конденсатора, образованного неподвижными электродами 5 и инерционным элементом 2. Сигнал отклонения снимается с инерционного элемента 2 и подается на вход электронной схемы обработки сигналов. Сигнал с выхода электронной схемы обработки сигналов приводит к возникновению электростатического момента, стремящегося возвратить инерционную массу 2 в исходное состояние. В установившемся состоянии сила инерции, действующая на инерционную массу 2, уравновешивается электростатическими силами датчика момента. Напряжение на выходе электронной схемы обработки сигналов является выходным сигналом акселерометра.

Таким образом, заявленный микромеханический акселерометр позволяет повысить точность и надежность, а также расширить диапазон измерений.

1. Микромеханический акселерометр, содержащий корпус, выполненный в виде платы из диэлектрического материала с напиленными на ней неподвижными электродами емкостного датчика угла и электростатического датчика момента, инерционную массу, выполненную в виде кремниевой пластины, подвешенной с зазором на плате в виде маятника на упругих перемычках с опорными элементами, которые образуют упругий подвес с осью подвеса, лежащей в плоскости инерционной массы, электронную схему обработки сигналов, отличающийся тем, что кремниевая пластина выполнена с прорезью, внутри которой размещены упругие перемычки и опорные элементы.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что опорные элементы выполнены в виде единого центрального опорного элемента.

3. Устройство по п.1 или 2, отличающееся тем, что введена крышка, выполненная из диэлектрического материала и скрепленная с корпусом.

4. Устройство по п.1 или 2, отличающееся тем, что токоподводы размещены внутри платы.