PL249227B1

PL249227B1 - Acceleration sensor

Info

Publication number: PL249227B1
Application number: PL446232A
Authority: PL
Inventors: Stanisław Bednarek
Original assignee: Uniwersytet Łódzki
Priority date: 2023-09-27
Filing date: 2023-09-27
Publication date: 2026-03-09
Also published as: PL446232A1

Abstract

Przedmiotem zgłoszenia jest czujnik przyspieszenia przeznaczony do wykrywania zmian prędkości, zwłaszcza zachodzących nagle i mający zastosowanie w układach elektronicznych urządzeń technicznych. Czujnik przyspieszenia zawiera trzy moduły, mające kształt prostopadłościanów o takich samych rozmiarach, ustawionych w ten sposób, że najdłuższe boki prostopadłościanów są wzajemnie prostopadłe do siebie. Prostopadłościany są połączone ze sobą ścianami o najmniejszej powierzchni i każdy z modułów składa się z obudowy (4) z prostopadłościenną wnęką, umieszczoną symetrycznie względem ścian obudowy (4). Wnęka jest zamknięta szczelnie od góry pokrywą (6) w kształcie prostopadłościennej płytki. Obudowy (4) i pokrywy (6) są wykonane z materiału elektroizolacyjnego. Moduły, obudowy (4) i pokrywy (6) są połączone ze sobą klejem epoksydowym. Do dna wnęki w każdym z modułów (1, 2, 3) jest przyklejony dolny magnes trwały (7), a do pokrywy (6) jest przyklejony górny magnes trwały (8), przy czym oba magnesy trwałe (7, 8) mają kształt prostokątnych płytek o takiej samej grubości oraz takich samych powierzchniach dolnych, jak powierzchnia dna wnęki. Kierunki namagnesowania obu magnesów trwałych (7, 8) są zwrócone zgodnie i prostopadle do dna wnęki. Między magnesami trwałymi (7, 8) są zwory, umieszczone wzdłuż ich krótszych krawędzi przy przeciwległych ścianach wnęki i zwory mają kształt prostopadłościanów.The subject of the application is an acceleration sensor designed to detect speed changes, particularly sudden ones, and used in electronic circuits of technical devices. The acceleration sensor comprises three modules in the shape of cuboids of equal dimensions, arranged so that the longest sides of the cuboids are perpendicular to each other. The cuboids are connected by walls with the smallest surface area, and each module consists of a housing (4) with a cuboid recess, placed symmetrically relative to the walls of the housing (4). The recess is tightly closed at the top by a cover (6) in the shape of a cuboid plate. The housings (4) and covers (6) are made of an electrically insulating material. The modules, housings (4), and covers (6) are connected with epoxy adhesive. A lower permanent magnet (7) is glued to the bottom of the cavity in each module (1, 2, 3), and an upper permanent magnet (8) is glued to the cover (6). Both permanent magnets (7, 8) are shaped like rectangular plates with the same thickness and the same bottom surfaces as the bottom of the cavity. The magnetization directions of both permanent magnets (7, 8) are aligned and perpendicular to the bottom of the cavity. Between the permanent magnets (7, 8) are armatures placed along their shorter edges at opposite walls of the cavity, and the armatures are shaped like cuboids.

Description

Opis wynalazkuDescription of the invention

Przedmiotem wynalazku jest czujnik przyspieszenia przeznaczony do wykrywania zmian prędkości, zwłaszcza zachodzących nagle, i mający zastosowanie w układach elektronicznych urządzeń technicznych.The subject of the invention is an acceleration sensor intended to detect speed changes, especially sudden ones, and for use in electronic systems of technical devices.

Z artykułu, którego autorami są Magdalena Moczała, Andrzej Sierakowski, Paweł Janus, Piotr Grabiec, Wojciech Leśniewicz i Teodor Gosztalak, zatytułowanego „Postępy nanometrologii układów MEMS/NEMS”, opublikowanego w czasopiśmie „Mechanik” w nr 11 z 2016 r. na str. 1611 -1613 są znane czujniki przyspieszenia, wykorzystujące mikrobelki krzemowe. Znane czujniki składają się z płytki krzemowej, pokrytej obustronnie warstwą stechiometrycznego azotku krzemu SisN4, wytworzonego w procesie chemicznego osadzania z fazy gazowej. Na tych warstwach osadzono tą samą metodą warstwy niestechiometrycznego azotku krzemu SixNy. Po jednej stronie płytki krzemowej na warstwie niestechiometrycznego azotku krzemu SixNy osadzono warstwy kolejno platyny i chromu, których kształt jest taki sam, jak kształt projektowanej mikrobelki. Po tym płytkę krzemową poddano trawieniu w roztworze wodorotlenku potasu KOH i w ten sposób wytworzono niej wnękę w kształcie ostrosłupa prostokątnego ściętego, znajdującą się pod warstwami platyny i chromu. Ponieważ warstwa krzemu, znajdująca się pod warstwami platyny i chromu pozostała niewytrawiona, to uzyskano mikrobelkę krzemową, obustronnie zamocowaną do płytki i znajdującą nad wnęką. Tak przygotowana płytka krzemowa jest przymocowana do elementu piezoelektrycznego. Działanie czujnika polega na tym, że mikrobelka jest poddawana przyspieszeniu podczas wprawiana w drgania rezonansowe za pomocą elementu piezoelektrycznego i widmo tych drgań jest rejestrowane. Jeżeli mikrobelka zostanie obciążona dodatkową masą lub zostanie do niej przyłożona siła, to spowoduje zmianę przyspieszenia mikrobelki i zmianę jej częstotliwości rezonansowej i ta zmiana pozwala wyznaczyć przyspieszenie.Acceleration sensors using silicon microcantilevers are known from an article by Magdalena Moczała, Andrzej Sierakowski, Paweł Janus, Piotr Grabiec, Wojciech Leśniewicz, and Teodor Gosztalak, titled "Advances in the Nanometrology of MEMS/NEMS Systems," published in the journal "Mechanik" (Issue 11, 2016, pages 1611-1613). These sensors consist of a silicon wafer coated on both sides with a layer of stoichiometric silicon nitride (SisN4), produced by chemical vapor deposition. Layers of non-stoichiometric silicon nitride (SixNy) were deposited on these layers using the same method. On one side of the silicon wafer, platinum and chromium layers, the shape of which is identical to the shape of the designed microcantilever, were deposited on the non-stoichiometric silicon nitride (SixNy). The silicon wafer was then etched in a potassium hydroxide (KOH) solution, creating a cavity in the shape of a truncated rectangular pyramid beneath the platinum and chromium layers. Since the silicon layer beneath the platinum and chromium layers remained unetched, a silicon microcantilever was created, attached to the wafer on both sides and positioned above the cavity. The prepared silicon wafer is attached to a piezoelectric element. The sensor operates by accelerating the microcantilever while it is set into resonant vibrations by the piezoelectric element, and the spectrum of these vibrations is recorded. If the microcantilever is loaded with additional mass or a force is applied, this changes the microcantilever's acceleration and its resonant frequency, and this change allows the acceleration to be determined.

Ponadto z artykułu autorstwa Stanisława Bednarka pod tytułem „Zastosowanie efektu tunelowego w akcelerometrach o wysokiej czułości”, opublikowanego w czasopiśmie „Przegląd Elektrotechniczny, Organ Stowarzyszenia Elektryków Polskich”, rocz. 98, Nr 7, z 2022 r. na str. 61-65 są znane czujniki składające się z mikrobelki krzemowej, zamocowanej jednostronnie. Na swobodnym końcu tej mikrobelki jest osadzona igła wolframowa i obciążnik. Koniec tej igły jest zbliżony na odległość rzędu kilku nanometrów do płaskiej powierzchni przewodzącej płytki oraz między igłą i tą powierzchnią jest przyłożone napięcie w granicach kilku woltów. W wyniku tego między ostrzem igły i powierzchnią płytki zachodzi efekt kwantowy, polegający na tunelowaniu elektronów, który powoduje przepływ prądu elektrycznego. Działanie znanego czujnika polega na tym, że jeżeli taki układ zostanie wprawiony w ruch przyspieszony, to swobodny koniec mikrobelki ulegnie dodatkowemu ugięciu i przez to zmieni się odległość końca igły od płytki. Skutkiem tego zmieni się również natężenie prądu elektrycznego i ta zmiana jest wykorzystywana do wyznaczenia przyspieszenia.Furthermore, an article by Stanisław Bednarek titled "Application of the Tunneling Effect in Highly Sensitive Accelerometers," published in the journal "Przegląd Elektrotechniczny, Organ of the Association of Polish Electrical Engineers," issue 98, No. 7, 2022, pages 61-65, describes sensors consisting of a silicon microcantilever mounted on one side. A tungsten needle and a weight are mounted on the free end of the microcantilever. The tip of this needle is brought within a few nanometers of the flat surface of a conductive plate, and a voltage of several volts is applied between the needle and this surface. As a result, a quantum effect occurs between the needle tip and the plate surface, involving electron tunneling, which causes an electric current to flow. The operation of this known sensor is such that if such a system is set into accelerated motion, the free end of the microcantilever undergoes additional deflection, thus changing the distance between the needle tip and the plate. As a result, the electric current will also change and this change is used to determine the acceleration.

Istota rozwiązania według wynalazku polega na tym, że czujnik przyspieszenia zawiera trzy moduły, mające kształt prostopadłościanów o takich samych rozmiarach ustawionych w ten sposób, że najdłuższe boki prostopadłościanów są wzajemnie prostopadłe do siebie. Prostopadłościany są połączone ze sobą ścianami o najmniejszej powierzchni. Każdy z modułów składa się z obudowy z prostopadłościenną wnęką umieszczoną symetrycznie względem ścian modułu. Wnęka jest zamknięta szczelnie od góry pokrywą w kształcie prostopadłościennej płytki. Obudowy i pokrywy są wykonane z materiału elektroizolacyjnego, korzystnie z utwardzonej żywicy epoksydowej. Moduły, obudowy i pokrywy są połączone ze sobą klejem epoksydowym. Do dna wnęki w każdym z modułów jest przyklejony dolny magnes trwały, a do pokrywy jest przyklejony górny magnes trwały. Oba magnesy trwałe mają kształt prostokątnych płytek o takiej samej grubości oraz takich samych powierzchniach dolnych, jak powierzchnia dna wnęki i są wykonane z materiału magnetycznie twardego o dużej remanencji, korzystnie ze spieku proszków żelaza, neodymu i boru oraz pokryte ochronną warstwą niklu, zaś kierunki namagnesowania obu magnesów trwałych są zwrócone zgodnie i prostopadle do dna wnęki. Między magnesami trwałymi są zwory umieszczone wzdłuż ich krótszych krawędzi przy przeciwległych ścianach wnęki. Zwory mają kształt prostopadłościanów oraz są wykonane z materiału magnetycznie miękkiego o dużej przenikalności magnetycznej, korzystnie z żelaza chemicznie czystego. Magnesy trwałe - dolny i górny są przyklejone odpowiednio do dna komory i do pokrywy klejem epoksydowym. Niestykające z magnesami trwałymi powierzchnie zwór są pokryte lakierem nitrocelulozowym. Między magnesami trwałymi jest umieszczona prostokątna płytka wykonana z monokrystalicznego krzemu o takich samych rozmiarach, jak powierzchnia magnesów trwałych zawarta między zworami i powierzchnie dolna i górna płytki są pokryte warstwami ditlenku krzemu SiO2, odpowiednio dolną i górną, a na górnej warstwie ditlenku krzemu jest osadzona od góry warstwa grafenu, pokrywająca całą powierzchnię prostokątnej płytki.The essence of the invention is that the acceleration sensor contains three modules, each shaped like a cuboid of the same size, arranged so that the longest sides of the cuboids are perpendicular to each other. The cuboids are connected by walls with the smallest surface area. Each module consists of a housing with a cuboid recess placed symmetrically relative to the module walls. The recess is tightly closed at the top with a cover in the shape of a cuboid plate. The housings and covers are made of an electrically insulating material, preferably cured epoxy resin. The modules, housings, and covers are connected with epoxy glue. The lower permanent magnet is glued to the bottom of the recess in each module, and the upper permanent magnet is glued to the cover. Both permanent magnets are rectangular plates of the same thickness and have the same bottom surfaces as the bottom of the cavity. They are made of a hard magnetic material with high remanence, preferably a sintered iron, neodymium, and boron powder, and coated with a protective nickel layer. The magnetization directions of both permanent magnets are aligned and perpendicular to the bottom of the cavity. Between the permanent magnets are yokes placed along their shorter edges on opposite walls of the cavity. The yokes are cuboid-shaped and made of a soft magnetic material with high magnetic permeability, preferably chemically pure iron. The bottom and top permanent magnets are glued to the bottom of the chamber and to the cover, respectively, with epoxy glue. The yoke surfaces not in contact with the permanent magnets are coated with nitrocellulose varnish. A rectangular plate made of monocrystalline silicon of the same size as the surface of the permanent magnets between the armatures is placed between the permanent magnets and the lower and upper surfaces of the plate are covered with layers of silicon dioxide SiO2, respectively, and a graphene layer is deposited on top of the upper silicon dioxide layer, covering the entire surface of the rectangular plate.

Z przeciwległymi, dłuższymi bokami warstwy grafenu kontaktują wewnętrzne końce wyprowadzeń zagięte pod kątem prostym i skierowane równolegle do płytki znajdującej się w każdym z modułów. Wyprowadzenia wychodzą z wnęk przez ściany obudów na zewnątrz każdego z modułów i są skierowane wzdłuż ścian modułów, przy czym dwa wyprowadzenia, wychodzące z dwóch modułów umieszczonych poziomo i znajdujące się po stronie połączenia wszystkich modułów ze sobą, są zagięte pod kątem prostym i również połączone ze sobą oraz połączone z wyprowadzeniem pozostałego modułu przez zlutowanie przed sklejeniem wszystkich modułów ze sobą i przez to wyprowadzenie pozostałego modułu jest wyprowadzeniem wspólnym. Wyprowadzenia z przeciwległych stron modułów i wyprowadzenie wspólne są skierowane prostopadle do dolnej powierzchni czujnika. Wszystkie wyprowadzenia są wykonane z metalu o małej rezystywności, korzystnie z drutu miedzianego pokrytego cyną.The inner ends of the leads, bent at right angles and oriented parallel to the board in each module, contact the opposite, longer sides of the graphene layer. The leads emerge from the recesses through the housing walls to the outside of each module and are oriented along the module walls. Two leads, originating from two horizontally positioned modules and located on the side where all the modules are joined together, are bent at right angles and also connected to each other and connected to the lead of the remaining module by soldering before gluing all the modules together, making the lead of the remaining module a common lead. The leads on the opposite sides of the modules and the common lead are oriented perpendicularly to the bottom surface of the sensor. All leads are made of a low-resistance metal, preferably tin-plated copper wire.

Głównymi zaletami rozwiązania są bardzo małe opóźnienie działania czujnika i jednoczesne wykrywanie zmian prędkości w trzech wzajemnie prostopadłych kierunkach oraz prosta konstrukcja i niezawodne działanie.The main advantages of the solution are very low delay of the sensor operation and simultaneous detection of speed changes in three mutually perpendicular directions, as well as simple design and reliable operation.

Przedmiot wynalazku jest przedstawiony w przykładzie wykonania i na rysunku, na którym fig. 1 pokazuje wygląd zewnętrzny czujnika przyspieszenia w rzucie ukośnym, fig. 2. pokazuje przekrój podłużny jednego modułu tego czujnika płaszczyzną pionową A-A, natomiast fig. 3 pokazuje przekrój poprzeczny tego modułu płaszczyzną pionową B-B.The subject of the invention is presented in an example embodiment and in a drawing, in which Fig. 1 shows the external appearance of the acceleration sensor in an oblique view, Fig. 2 shows a longitudinal section of one module of this sensor with a vertical plane A-A, while Fig. 3 shows a cross-section of this module with a vertical plane B-B.

Czujnik przyspieszenia zawiera trzy moduły 1, 2, 3, mające kształt prostopadłościanów o takich samych rozmiarach, ustawionych w ten sposób, że najdłuższe boki prostopadłościanów są wzajemnie prostopadłe do siebie. Prostopadłościany są połączone ze sobą ścianami o najmniejszej powierzchni i każdy z modułów 1, 2, 3 składa się z obudowy 4 z prostopadłościenną wnęką 5, umieszczoną symetrycznie względem ścian obudowy 4. Wnęka 5 jest zamknięta szczelnie od góry pokrywą 6 w kształcie prostopadłościennej płytki. Obudowy 4 i pokrywy 6 są wykonane z utwardzonej żywicy epoksydowej. Moduły 1,2, 3, obudowy 4 i pokrywy 6 są połączone ze sobą klejem epoksydowym. Do dna wnęki 5 w każdym z modułów 1,2, 3 jest przyklejony dolny magnes trwały 7, a do pokrywy 6 jest przyklejony górny magnes trwały 8, przy czym oba magnesy trwałe 7, 8 mają kształt prostokątnych płytek o takiej samej grubości oraz takich samych powierzchniach dolnych, jak powierzchnia dna wnęki 5 i są wykonane ze spieku proszków żelaza, neodymu i boru oraz pokryte ochronną warstwą niklu, zaś kierunki namagnesowania obu magnesów trwałych 7, 8 są zwrócone zgodnie i prostopadle do dna wnęki 5. Między magnesami trwałymi 7, 8 są zwory 9, 10, umieszczone wzdłuż ich krótszych krawędzi przy przeciwległych ścianach wnęki 5. Zwory 9, 10 mają kształt prostopadłościanów oraz są wykonane z żelaza chemicznie czystego. Magnesy trwałe - dolny 7 i górny 8 są przyklejone odpowiednio do dna komory 5 i do pokrywy 6 klejem epoksydowym. Niestykające z magnesami trwałymi 7, 8 powierzchnie zwór 9, 10 są pokryte lakierem nitrocelulozowym. Między magnesami trwałymi 7, 8 jest umieszczona prostokątna płytka 11 wykonana z monokrystalicznego krzemu o takich samych rozmiarach, jak powierzchnia magnesów trwałych 7, 8 zawarta między zworami 9, 10. Powierzchnie dolna i górna płytki 11 są pokryte warstwami ditlenku krzemu SiO2, odpowiednio dolną 12 i górną 13, a na górnej warstwie ditlenku krzemu 13 jest osadzona od góry warstwa grafenu 14, pokrywająca całą powierzchnię prostokątnej płytki 11. Z przeciwległymi, dłuższymi bokami warstwy grafenu 14 kontaktują wewnętrzne końce wyprowadzeń 15, 16, 17, 18, 19, 20, zagięte pod kątem prostym i skierowane równolegle do płytki 11, znajdującej się w każdym z modułów 1,2, 3. Wyprowadzenia 15, 16, 17, 18, 19, 20 wychodzą z wnęk 5 przez ściany obudów 4 na zewnątrz każdego z modułów 1, 2, 3 i są skierowane wzdłuż ścian modułów 1,2, 3, przy czym dwa wyprowadzenia 16, 20, wychodzące z dwóch modułów 1, 3, umieszczonych poziomo i znajdujące się po stronie połączenia wszystkich modułów 1,2, 3 ze sobą, są zagięte pod kątem prostym i również połączone ze sobą oraz połączone z wyprowadzeniem 18 pozostałego modułu 2 przez zlutowanie przed sklejeniem wszystkich modułów 1,2, 3 ze sobą i przez to wyprowadzenie 18 pozostałego modułu 2 jest wyprowadzeniem wspólnym. Wyprowadzenia 15, 17, 19 z przeciwległych stron modułów 1, 2, 3 i wyprowadzenie wspólne 18 są skierowane prostopadle do dolnej powierzchni czujnika. Wszystkie wyprowadzenia 15, 16, 17, 18, 19, 20 są wykonane z drutu miedzianego pokrytego cyną.The acceleration sensor comprises three modules 1, 2, and 3, in the shape of cuboids of the same size, arranged so that the longest sides of the cuboids are mutually perpendicular. The cuboids are connected by walls of the smallest surface area, and each of the modules 1, 2, and 3 consists of a housing 4 with a cuboid recess 5, arranged symmetrically with respect to the walls of housing 4. Recess 5 is tightly closed at the top by a cover 6 in the shape of a cuboid plate. Housings 4 and covers 6 are made of cured epoxy resin. Modules 1, 2, and 3, housing 4, and covers 6 are connected to each other with epoxy adhesive. A lower permanent magnet 7 is glued to the bottom of the cavity 5 in each of the modules 1, 2, 3, and an upper permanent magnet 8 is glued to the cover 6, wherein both permanent magnets 7, 8 have the shape of rectangular plates of the same thickness and the same bottom surfaces as the surface of the bottom of the cavity 5 and are made of a sinter of iron, neodymium and boron powders and covered with a protective nickel layer, while the directions of magnetization of both permanent magnets 7, 8 are directed in line and perpendicular to the bottom of the cavity 5. Between the permanent magnets 7, 8, there are armatures 9, 10, placed along their shorter edges at the opposite walls of the cavity 5. The armatures 9, 10 have the shape of cuboids and are made of chemically pure iron. The lower 7 and upper 8 permanent magnets are glued to the bottom of the chamber 5 and to the cover 6, respectively, with epoxy glue. The surfaces of the armatures 9 and 10 that are not in contact with the permanent magnets 7 and 8 are coated with nitrocellulose varnish. Between the permanent magnets 7, 8 there is placed a rectangular plate 11 made of monocrystalline silicon of the same dimensions as the surface of the permanent magnets 7, 8 contained between the armatures 9, 10. The lower and upper surfaces of the plate 11 are covered with layers of silicon dioxide SiO2, the lower 12 and the upper 13, respectively, and on the upper layer of silicon dioxide 13 there is deposited from above a layer of graphene 14, covering the entire surface of the rectangular plate 11. The inner ends of the leads 15, 16, 17, 18, 19, 20, bent at a right angle and directed parallel to the plate 11, located in each of the modules 1, 2, 3, are in contact with the opposite, longer sides of the graphene layer 14. The leads 15, 16, 17, 18, 19, 20 extend from the cavities 5 through the walls of the modules 1, 2, 3. housings 4 outside each of the modules 1, 2, 3 and are directed along the walls of the modules 1, 2, 3, wherein two leads 16, 20, emerging from two modules 1, 3 arranged horizontally and located on the side where all modules 1, 2, 3 are joined together, are bent at right angles and also connected to each other and connected to lead 18 of the remaining module 2 by soldering before gluing all modules 1, 2, 3 together, and thus lead 18 of the remaining module 2 is a common lead. Leads 15, 17, 19 from opposite sides of modules 1, 2, 3 and common lead 18 are directed perpendicularly to the lower surface of the sensor. All leads 15, 16, 17, 18, 19, 20 are made of tin-plated copper wire.

Zasada działania czujnika przyspieszenia polega na tym, że po jego wprawieniu w ruch przyspieszony z dowolnie skierowanym przyspieszeniem a na elektrony swobodne, zawarte w warstwach grafemu 14, znajdujących się w każdym z modułów 1,2, 3, działają siły bezwładności, zwrócone przeciwnie do zwrotu składowych przyspieszenia ax, ay, az, równoległych do najdłuższych boków modułów 1,2, 3. Skutkiem tego elektrony swobodne ulegają przemieszczeniu w tym kierunku. Warstwy grafenu 14 znajdują się również w polu magnetycznym, wytwarzanym przez magnesy trwałe 7 i 8 i skierowanym pio nowo. Dlatego na przemieszczające się elektrony działają siły elektrodynamiczne, skierowane prostopadle do ich kierunku mchu, czyli w stronę najkrótszego z boków modułów 1,2, 3. W wyniku tego następuje wypadkowe przemieszczenie się elektronów w kierunku ukośnym i między parami wyprowadzeń 15 i 16, 17 i 18, 19 i 20, wychodzącymi odpowiednio z modułów 1, 2, 3 są wytwarzane różnice potencjałów proporcjonalne do wartości składowych przyspieszenia ax, ay, az. Pomiar tych różnic potencjałów umożliwia wyznaczenie składowych przyspieszenia ax, ay, az. Zastosowanie warstw grafemu 14 jest uzasadnione tym, że ruchliwość elektronów swobodnych w grafenie wynosi ok. 20 m²/(Vs) i wielokrotnie przekracza ruchliwość elektronów swobodnych w innych przewodnikach. Dzięki temu czujnik ma bardzo małe opóźnienie zadziałania, co powala na jego zastosowanie do wykrywania nagłych zmian prędkości. Zastosowanie korzystnie utwardzonej żywicy epoksydowej, jako materiału na obudowy 4 i pokrywy 5 modułów 1,2, 3 zapewnia odpowiednią wytrzymałość tych elementów. Wykonanie magnesów trwałych 7, 8 z materiału magnetycznie twardego o dużej remanencji, korzystnie ze spieku proszków żelaza, neodymu i boru oraz wykonanie zwór 9 i 10 z materiału magnetycznie miękkiego o dużej przenikalności magnetycznej, korzystnie żelaza chemicznie czystego, pozwala na zwiększenie wartości indukcji magnetycznej w warstwie grafenu 14 oraz uzyskanie większej różnicy potencjałów między wyprowadzeniami 15 i 16, 17 i 18, 19 i 20, co w końcowym efekcie skutkuje większą czułością czujnika. Warstwa niklu na magnesach trwałych 7, 8 chroni je przed utlenianiem, natomiast pokrycie zwór 9, 10 warstwą lakieru nitrocelulozowego zabezpiecza przed niekorzystnym upływem prądu elektrycznego przez te zwory. Z kolei połączenie wyprowadzeń 15 i 20, wychodzących odpowiednio z modułów 1 i 3 z wyprowadzeniem 18, wychodzącym z modułu 2 powoduje, że wyprowadzenie 18 staje się wspólnym wyprowadzeniem dla wszystkich modułów 1, 2, 3, co zmniejsza końcową liczbę wyprowadzeń z 6 do 4 i upraszcza konstrukcję czujnika oraz ułatwia jego wlutowanie w otwory w płytce drukowanej. Z kolei wykonanie wszystkich wyprowadzeń 15, 16, 17, 18, 19, 20 korzystnie z drutu miedzianego, pokrytego cyną umożliwia dobry kontakt elektryczny tych elementów i ich połączenia przez lutowane.The principle of operation of the acceleration sensor is that after it is set into accelerated motion with acceleration in any direction, the free electrons contained in the graphene layers 14, located in each of the modules 1, 2, and 3, are subjected to inertial forces directed opposite to the direction of the acceleration components ax, ay, and az, parallel to the longest sides of modules 1, 2, and 3. As a result, the free electrons are displaced in this direction. The graphene layers 14 are also in a magnetic field generated by permanent magnets 7 and 8 and directed vertically. Therefore, the moving electrons are subjected to electrodynamic forces directed perpendicularly to their direction of motion, i.e., toward the shortest side of modules 1, 2, and 3. This results in a net displacement of electrons in the diagonal direction, and potential differences proportional to the acceleration components ax, ay, and az are generated between the pairs of leads 15 and 16, 17 and 18, 19, and 20, respectively, originating from modules 1, 2, and 3. Measurement of these potential differences allows for the determination of the acceleration components ax, ay, and az. The use of graphene layers 14 is justified by the fact that the free electron mobility in graphene is approximately 20 m ² /(Vs) and many times exceeds the free electron mobility in other conductors. This allows the sensor to have a very short response time delay, which allows it to be used for detecting sudden changes in velocity. The use of a preferably hardened epoxy resin as the material for housings 4 and covers 5 of modules 1, 2, and 3 ensures adequate strength of these elements. Manufacturing permanent magnets 7 and 8 from a magnetically hard material with high remanence, preferably a sintered iron, neodymium, and boron powder, and manufacturing jumpers 9 and 10 from a magnetically soft material with high magnetic permeability, preferably chemically pure iron, allows for an increased magnetic induction value in the graphene layer 14 and a greater potential difference between leads 15 and 16, 17 and 18, 19 and 20, which ultimately results in greater sensor sensitivity. A nickel layer on permanent magnets 7 and 8 protects them against oxidation, while coating jumpers 9 and 10 with a layer of nitrocellulose varnish protects against unfavorable electric current leakage through these jumpers. In turn, connecting pins 15 and 20, coming from modules 1 and 3, respectively, to pin 18, coming from module 2, makes pin 18 a common pin for all modules 1, 2, and 3, reducing the final number of pins from 6 to 4, simplifying the sensor's design and facilitating its soldering into holes in the printed circuit board. Constructing all pins 15, 16, 17, 18, 19, and 20 preferably from tin-plated copper wire allows for good electrical contact between these components and their soldered connections.

Claims

Patent claims

1. Acceleration sensor, characterized in that it comprises three modules (1, 2, 3) in the shape of cuboids of the same dimensions, arranged in such a way that the longest sides of the cuboids are mutually perpendicular to each other and the cuboids are connected to each other by walls of the smallest surface, and each of the modules (1, 2, 3) consists of a housing (4) with a cuboid recess (5) placed symmetrically with respect to the walls of the housing (4), and the recess (5) is tightly closed from the top with a cover (6) in the shape of a cuboid plate, wherein the housings (4) and the covers (6) are made of an electrically insulating material, and the modules (1, 2, 3), the housings (4) and the covers (6) are connected to each other with an epoxy glue, and in addition, a lower permanent magnet (7) is glued to the bottom of the recess (5) in each of the modules (1, 2, 3), and to the cover (6) the upper permanent magnet (8) is glued, wherein both permanent magnets (7, 8) have the shape of rectangular plates of the same thickness and the same bottom surfaces as the surface of the bottom of the cavity (5) and are made of a hard magnetic material with high remanence, and the magnetization directions of both permanent magnets (7, 8) are directed in line and perpendicular to the bottom of the cavity (5), while between the permanent magnets (7, 8) there are armatures (9, 10), placed along their shorter edges at the opposite walls of the cavity (5) and the armatures (9, 10) have the shape of cuboids and are made of a magnetically soft material with high magnetic permeability, and furthermore the permanent magnets - the lower (7) and the upper (8) are glued to the bottom of the chamber (5) and to the cover (6) with epoxy glue, while the surfaces of the armatures (9, 10) that are not in contact with the permanent magnets (7, 8) are covered with nitrocellulose varnish, and in addition, between the permanent magnets (7), (8) there is placed a rectangular plate (11) made of monocrystalline silicon of the same dimensions as the surface of the permanent magnets (7, 8) contained between the armatures (9, 10) and the lower and upper surfaces of the plate (11) are covered with layers of silicon dioxide SiO2, the lower (12) and the upper (13) respectively, and on the upper layer of silicon dioxide (13) there is deposited from above a layer of graphene (14), covering the entire surface of the rectangular plate (11), and in addition, with the opposite, longer sides of the graphene layer (14) there are contacted the inner ends of the leads (15, 16, 17, 18, 19, 20), bent at a right angle and directed parallel to the plate (11), located in each of the modules (1, 2, 3), and in addition

EN 249227 Β1 the leads (15, 16, 17, 18, 19, 20) come out of the recesses (5) through the walls of the housings (4) to the outside of each of the modules (1, 2, 3) and are directed along the walls of the modules (1, 2, 3), wherein two leads (16, 20) coming out of two modules (1, 3) placed horizontally and located on the side where all the modules (1, 2, 3) are connected to each other, are bent at a right angle and also connected to each other and connected to the lead (18) of the remaining module (2) by soldering before gluing all the modules (1, 2, 3) to each other and thus the lead (18) of the remaining module (2) is a common lead, and in addition the leads (15, 17, 19) from the opposite sides of the modules (1, 2, 3) and the common pin (18) is directed perpendicularly to the lower surface of the sensor, and otherwise all pins (15, 16, 17,18, 19, 20) are made of low resistivity metal.

2. A sensor according to claim 1, characterized in that the housings (4) and covers (6) are made of hardened epoxy resin.

3. Sensor according to claim 1, characterized in that the lower (7) and upper (8) permanent magnets are made of sintered iron, neodymium and boron powders and covered with a protective nickel layer.

4. Sensor according to claim 1, characterized in that the armatures (9, 10) are made of chemically pure iron.

5. Sensor according to claim 1, characterized in that all leads (15, 16, 17, 18, 19, 20) are made of tin-coated copper wire.