RU142011U1

RU142011U1 - FREQUENCY MICROMECHANICAL ACCELEROMETER

Info

Publication number: RU142011U1
Application number: RU2014106391/28U
Authority: RU
Inventors: Сергей Петрович Тимошенков; Валерий Федорович Шилов; Сергей Геннадьевич Миронов; Олег Николаевич Глазков; Сергей Викторович Киргизов; Вадим Григорьевич Рубчиц; Алексей Сергеевич Тимошенков
Original assignee: Общество с ограниченной ответственностью "Лаборатория Микроприборов"
Priority date: 2014-02-21
Filing date: 2014-02-21
Publication date: 2014-06-20

Abstract

Частотный микромеханический акселерометр, содержащий основание, кристалл - чувствительный элемент, выполненный из монокристаллического кремния, внешнюю рамку, инерционную массу, соединенную с внешней рамкой через упругий подвес, стержневой резонатор и систему возбуждения и съема сигнала, отличающийся тем, что содержит, минимум, два резонатора, причем каждый резонатор сформирован на отдельном кристалле, закрепленные на своих инерционных массах, при этом сформированы резонаторы заодно с одной из внешних сторон кристалла и расположены на продольной оси кристалла, площадки крепления к основанию сформированы со стороны расположения резонатора, вдоль поперечной его оси, на минимальном расстоянии от внешней рамки, в местах сопряжения которой с площадками крепления к основанию сформированы сквозные окна со сквозными прорезями на внешней стороне рамки и расположенными вдоль продольной ее оси, площадки крепления к основанию сопряжены с внешней рамкой через упругие элементы, на внешней рамке на продольной оси кристалла сформированы опорные выступы, с обеих сторон которых расположены сквозные Т-образные щели.A frequency micromechanical accelerometer containing a base, a crystal is a sensitive element made of single-crystal silicon, an external frame, an inertial mass connected to the external frame through an elastic suspension, a rod resonator, and a signal excitation and acquisition system, characterized in that it contains at least two resonators moreover, each resonator is formed on a separate crystal, mounted on its inertial masses, while the resonators are formed at the same time from one of the outer sides of the crystal and are located on the longitudinal axis of the crystal, the attachment areas to the base are formed on the side of the resonator, along its transverse axis, at a minimum distance from the outer frame, in the places where it is connected to the attachment areas to the base, through windows are formed with through openings on the outside of the frame and located along its longitudinal the axes, the attachment points to the base are interfaced with the external frame through elastic elements, supporting protrusions are formed on the external frame on the longitudinal axis of the crystal, on both sides of which put through T-shaped slots.

Description

Полезная модель относится к измерительной технике, а именно к датчикам линейных ускорений.The utility model relates to measuring equipment, namely to linear acceleration sensors.

Известен микромеханический акселерометр содержащий корпус, чувствительный элемент, выполненный из монокристаллического кремния в виде электропроводящей инерционной массы, представляющей собой маятник, имеющий два плеча и подвешенный с помощью торсионов, емкостную систему съема перемещений инерционной массы [1].Known micromechanical accelerometer containing a housing, a sensing element made of monocrystalline silicon in the form of an electrically conductive inertial mass, which is a pendulum having two arms and suspended using torsion bars, a capacitive system for recording the movements of inertial mass [1].

Недостатком данного устройства является то, что о величине действующего ускорения можно судить по изменению емкости системы измерения перемещения инерционной массы и при дальнейшем преобразовании емкости вносится дополнительная погрешность, что значительно снижает точность прибора в целом.The disadvantage of this device is that the magnitude of the current acceleration can be judged by the change in the capacitance of the system for measuring the movement of inertial mass, and with further conversion of the capacitance an additional error is introduced, which significantly reduces the accuracy of the device as a whole.

Известен частотный микромеханический акселерометр, содержащий, основание, кристалл-чувствительный элемент, выполненный из монокристаллического кремния, внешнюю рамку, инерционную массу, соединенную с внешней рамкой через упругий подвес, стержневой резонатор и систему возбуждения и съема сигнала [2].Known frequency micromechanical accelerometer, containing, the base, a crystal-sensitive element made of monocrystalline silicon, an external frame, an inertial mass connected to the external frame through an elastic suspension, a rod resonator and a signal excitation and signal pickup system [2].

Недостатком этого устройства является то, что частотный, датчик линейных ускорений содержит один резонатор. Это является основной причиной нестабильности частоты колебаний и ее зависимости от амплитуды колебаний резонатора, меняющейся вследствие целого ряда причин - воздействия отрицательных и положительных температур, вибрации, ударов. Так, при воздействии диапазона температур резонатор меняет свои геометрические размеры: сжимается или удлиняется. При этом изменяется резонансная частота его колебаний при отсутствии полезного сигнала. Так и при действии линейного ускорения возникает погрешность измерения, следовательно, уменьшается точность прибора. Уменьшение влияния связи резонатора с основанием в этом устройстве приводит к усложнению конструкции - это введение основания, заполнение демпфирующим материалом.The disadvantage of this device is that the frequency, linear acceleration sensor contains one resonator. This is the main reason for the instability of the oscillation frequency and its dependence on the oscillation amplitude of the resonator, which changes due to a number of reasons - exposure to negative and positive temperatures, vibration, and shock. So, when exposed to a temperature range, the resonator changes its geometric dimensions: it shrinks or lengthens. This changes the resonant frequency of its oscillations in the absence of a useful signal. So with linear acceleration, a measurement error occurs, therefore, the accuracy of the device decreases. Reducing the effect of the coupling of the resonator with the base in this device leads to a complication of the design - this is the introduction of the base, filling with damping material.

Задачей, на решение которой направлено полезная модель, является увеличение точности частотного микромеханического акселерометра. Для достижения этого в частотном микромеханическом акселерометре, содержащем основание, кристалл-чувствительный элемент, выполненный из монокристаллического кремния, внешнюю рамку, инерционную массу, соединенную с внешней рамкой через упругий подвес, стержневой резонатор и систему возбуждения и съема сигнала, содержит, минимум, два резонатора, причем каждый резонатор сформирован на отдельном кристалле и закреплены на своих инерционных массах, при этом сформированы резонаторы заодно с одной из внешних сторон кристалла и расположены на продольной оси кристалла, площадки крепления к основанию сформированы со стороны расположения резонатора, вдоль поперечной его оси, на минимальном расстоянии от внешней рамки, в местах сопряжения которой с площадками крепления к основанию сформированы сквозные окна со сквозными прорезями на внешней стороне рамки и расположенными вдоль продольной ее оси, площадки крепления к основанию сопряжены с внешней рамкой через упругие элементы, на внешней рамке на продольной оси кристалла сформированы опорные выступы, с обеих сторон которых расположены сквозные T-образные щели.The task the utility model is aimed at is to increase the accuracy of the frequency micromechanical accelerometer. To achieve this, in a frequency micromechanical accelerometer containing a base, a crystal-sensitive element made of monocrystalline silicon, an external frame, an inertial mass connected to the external frame through an elastic suspension, a rod resonator, and a signal excitation and acquisition system contains at least two resonators moreover, each resonator is formed on a separate crystal and mounted on its inertial masses, while the resonators are formed at the same time from one of the outer sides of the crystal and are located on the longitudinal axis of the crystal, the attachment areas to the base are formed on the side of the resonator, along its transverse axis, at a minimum distance from the outer frame, in the places where it is connected to the attachment areas to the base, through windows are formed with through openings on the outside of the frame and located along its longitudinal the axes, the attachment points to the base are interfaced with the external frame through elastic elements, supporting protrusions are formed on the external frame on the longitudinal axis of the crystal, on both sides of which put through T-shaped slots.

Признаками, отличающими предложенный частотный микромеханический акселерометр от прототипа, является то, что содержит минимум два резонатора, причем каждый резонатор сформирован на отдельном кристалле и закрепленные на своих инерционных массах, при этом сформированы заодно с одной из внешних сторон кристалла, расположенные на продольной оси кристалла. Таким образом, при воздействии измеряемого ускорения один резонатор сжимается, другой при этом растягивается. То есть, у одного резонатора частота увеличивается, у другого уменьшается. Далее эти частоты вычитаются. Разность этих частот пропорциональна измеряемому ускорению, тем самым, обеспечивая минимальную нестабильность частоты колебаний, минимальную температурную погрешность, так как воздействие этих вредных факторов на каждый резонатор вычитается. Формирование резонаторов на отдельном кристалле, закрепленных на своих инерционных массах и заодно с одной из внешних поверхностей кристалла позволяет с высокой точностью изготавливать резонаторы и оптимально закрепить их, то есть, с минимальными потерями энергии возбуждения от резонаторов в основание, повысить добротность резонатора, а, следовательно, повышает точность. Такое расположение резонаторов позволяет более равномерно сжимать-растягиваться резонаторам, тем самым уменьшая целинейность, а это повышает точность прибора. Площадки крепления к основанию сформированы со стороны расположения резонатора вдоль поперечной его оси на минимальном расстоянии от внешней рамки. Такое расположение площадок крепления позволяет максимально удалить концы резонаторов - развязать их от основания, тем самым обеспечивая высокую добротность, а следовательно, и высокую точность прибора. И также позволяет оптимально разместить систему возбуждения и съема сигнала, то есть, магнитную систему, обеспечивает крепление резонатора частотного микромеханического акселерометра в месте с минимально напряженным состоянием. В местах сопряжения внешней рамки с площадками крепления к основанию сформированы сквозные окна со сквозными прорезями на внешней стороне рамки и расположенными вдоль продольной ее оси. Площадки крепления к основанию сопряжены с внешней рамкой через упругие элементы. Это обеспечивает минимальную нестабильность частоты и минимальную температурную погрешность. Для обеспечения минимальной нестабильности частоты и минимальной температурной погрешности дополнительно также на внешней рамке на продольной оси кристалла сформированы опорные выступы, с обеих сторон которых расположены сквозные Т-образные щели. Возбуждение резонаторов осуществляется встречно-противоположно. Это обеспечивает минимальную потерю энергии резонаторов - повышает добротность, следовательно, повышает точность.Signs that distinguish the proposed frequency micromechanical accelerometer from the prototype is that it contains at least two resonators, each resonator formed on a separate crystal and mounted on its inertial masses, while being formed along with one of the outer sides of the crystal located on the longitudinal axis of the crystal. Thus, under the influence of measured acceleration, one resonator is compressed, while the other is stretched. That is, in one resonator the frequency increases, in the other decreases. Further, these frequencies are subtracted. The difference of these frequencies is proportional to the measured acceleration, thereby ensuring minimal instability of the oscillation frequency, minimum temperature error, since the effect of these harmful factors on each resonator is subtracted. The formation of resonators on a separate crystal, mounted on their inertial masses and at the same time as one of the outer surfaces of the crystal, makes it possible to manufacture resonators with high accuracy and optimally fix them, that is, with minimal losses of excitation energy from the resonators to the base, to increase the quality factor of the resonator, and therefore , improves accuracy. This arrangement of the resonators allows more uniformly compress-stretch the resonators, thereby reducing integrity, and this increases the accuracy of the device. The mountings to the base are formed on the side of the cavity along its transverse axis at a minimum distance from the outer frame. Such an arrangement of the mounting platforms allows you to remove the ends of the resonators as much as possible - to untie them from the base, thereby ensuring high quality factor, and therefore, high accuracy of the device. And it also allows you to optimally place the signal excitation and acquisition system, that is, the magnetic system, which provides the fastening of the resonator of the frequency micromechanical accelerometer in a place with a minimally stressed state. Through the interface between the outer frame and the attachment areas to the base, through windows are formed with through openings on the outside of the frame and located along its longitudinal axis. The mounting platforms to the base are interfaced with the outer frame through elastic elements. This ensures minimum frequency instability and minimum temperature error. To ensure minimum frequency instability and minimum temperature error, additionally, support projections are also formed on the outer frame on the longitudinal axis of the crystal, through which T-shaped slits are located on both sides of the crystal. The excitation of the resonators is counter-opposite. This provides a minimum loss of energy of the resonators - increases the quality factor, therefore, increases the accuracy.

Предложенный частотный микромеханический акселерометр иллюстрируется чертежами фиг. 1, фиг. 2. На фиг. 1 изображен его основной вид,The proposed frequency micromechanical accelerometer is illustrated by the drawings of FIG. 1, FIG. 2. In FIG. 1 shows its main view,

где:Where:

1 - резонаторы,1 - resonators

2 - кристаллы-чувствительного элемента частотного микромеханического акселерометра,2 - crystals-sensitive element of the frequency micromechanical accelerometer,

3 - маятники,3 - pendulums,

4 - основание-стеклянная подложка,4 - base-glass substrate,

5 - постоянные магниты,5 - permanent magnets,

6 - центральный магнитопровод.6 - the central magnetic circuit.

7 - нижний магнитопровод.7 - lower magnetic circuit.

8 - крышка магнитопровод,8 - the cover of the magnetic circuit,

9 - опорные выступы.9 - supporting protrusions.

На фиг. 2 изображен кристалл-чувствительный элемент частотного микромеханического акселерометра,In FIG. 2 shows a crystal-sensitive element of a frequency micromechanical accelerometer,

где:Where:

10 - Τ-образные сквозные щели,10 - Τ-shaped through slits,

11 - упругие элементы.11 - elastic elements.

12 - сквозные окна.12 - through windows.

13 - упругие торсионы,13 - elastic torsion bars,

14 - площадки крепления к основанию-стеклянным подложки,14 - mounting pad to the base of the glass substrate,

15 - внешняя рамка,15 - outer frame

16 - электрические контактные площадки и токоведущие дорожки системы возбуждения колебаний и съема информации.16 - electrical contact pads and current paths of the system of excitation of oscillations and information retrieval.

Частотный микромеханический акселерометр содержит основание-стеклянные подложки 4, кристаллы 2, выполненный из монокристаллического кремния, два резонатора 1, закрепленных на своих инерционных массах - маятниках 3 и сформированные заодно с одной из поверхностей кристаллов 2, расположенные на продольной оси кристалла 2. Каждый кристалл 2 содержит внешнюю рамку 15, соединенную с ней через упругие торсионы 13 пару маятников 3. На внешней рамке 15 сформированы площадки крепления к основанию-стеклянным подложкам 4, со стороны расположения резонаторов 1 вдоль поперечной его оси на минимальном расстоянии от внешней рамки 15. В местах сопряжения внешней рамки 15 с площадками крепления к основанию-стеклянным подложкам 4 сформированы сквозные окна 12 со сквозными прорезями на внешней стороне рамки 15 и расположенными вдоль продольной ее оси. Площадки крепления к основанию-стеклянным подложкам 4 сопряжены с внешней рамкой 15 через упругие элементы 11. На внешней рамке 15 на продольной оси кристалла 2 сформированы опорные выступы 9, с обеих сторон которых расположены сквозные Т-образные щели 10. Возбуждение резонаторов 1 осуществляется встречно-противоположно. Система возбуждения и съема сигнала представлена нанесенными на внешней стороне кристалла 2 электрическими контактными площадками и токоведущими дорожками системы возбуждения колебаний и съема информации 16, находящимися в воздушном зазоре магнитной системы. Магнитная система представлена нижним магнитопроводом 7, центральным магнитопроводом 6 и крышкой магнитопровода 8, закрепленными в нижним магнитопроводе 7 и крышке магнитопровода 8 постоянными магнитами 5.The frequency micromechanical accelerometer contains a base - glass substrates 4, crystals 2 made of single-crystal silicon, two resonators 1 mounted on their inertial masses - pendulums 3 and formed integrally with one of the surfaces of the crystals 2 located on the longitudinal axis of the crystal 2. Each crystal 2 contains an external frame 15 connected to it through elastic torsions 13 of a pair of pendulums 3. On the external frame 15, attachment areas to the base-glass substrates 4 are formed, from the side of the resonant arrangement s 1 along its transverse axis at a minimum distance from the outer frame 15. In the field coupling with the outer frame 15 to the base mounting pads, glass substrates 4 through windows formed with through slots 12 on the outer side of the frame 15 and arranged along the longitudinal axis thereof. The attachment sites to the base-glass substrates 4 are interfaced with the outer frame 15 through elastic elements 11. On the outer frame 15, support projections 9 are formed on the longitudinal axis of the crystal 2, through which T-shaped slots are located on both sides of them 10. The resonators 1 are excited in the opposite direction the opposite. The excitation and signal pickup system is represented by electrical contact pads deposited on the outside of the chip 2 and current paths of the oscillation excitation and information pickup system 16 located in the air gap of the magnetic system. The magnetic system is represented by the lower magnetic circuit 7, the central magnetic circuit 6 and the cover of the magnetic circuit 8, fixed in the lower magnetic circuit 7 and the cover of the magnetic circuit 8 by permanent magnets 5.

На нижний магнитопровод 7 с вклеенным одним постоянным магнитом 5 устанавливается предварительно анодно-соединенные кристалл 2 и основание-стеклянная подложка 4 со сквозным отверстием в центре. Далее устанавливается центральный магнитопровод 6. Второй кристалл 2 с анодно-присоединенным основанием-стеклянной подложкой 4 устанавливается сверху центрального магнитопровода 6. Полученный пакет прижимается крышкой магнитопровода 8, по месту соединения плотно охватывается хомутом (не показан) и заваривается.A pre-anode-connected crystal 2 and a base-glass substrate 4 with a through hole in the center are mounted on the lower magnetic circuit 7 with one permanent magnet 5 glued in. Next, the central magnetic circuit 6 is installed. The second crystal 2 with the anode-connected base-glass substrate 4 is mounted on top of the central magnetic circuit 6. The resulting packet is pressed by the cover of the magnetic circuit 8, tightly covered by a clamp (not shown) at the junction and welded.

Частотный микромеханический акселерометр работает следующим образом. При подаче переменного тока через электрические контактные площадки и токоведущие дорожки системы возбуждения колебаний и съема информации 16 от взаимодействия с магнитным полем, создаваемым магнитной системой, состоящей из постоянных магнитов 6, нижнего магитопровода 7, центрального магнитопровода 6 и крышкой магнитопровода 8 возникает сила, приводящая к колебанию резонаторов 1. При действии линейного ускорения вдоль оси X маятники 3 отклоняются от своего нейтрального положения. Упругие торсионы 7 маятников 3 закручиваются на определенный угол. Резонаторы 1 жестко связаны с обоими маятниками 3, находящимися на внешней стороне маятников 3 каждого кристалла 2. Поэтому один резонатор 1 одного из кристаллов 2 растягивается, а другого - сжимается. В итоге резонансная частота обеих резонаторов 1 изменяется. Причем у одного увеличивается, а у другого уменьшается. Разность этих частот пропорциональна изменению измеряемого ускорения. Использование двух стержневых резонаторов 1 позволяет повысить точность, так как используется для измерения разность изменения собственных частот резонаторов 1, что уменьшает нестабильность частоты, температурную погрешность, линеаризует характеристику прибора. Так как концы резонаторов 1 напрямую не связаны с основанием-стеклянными подложками 4, тем самым обеспечивая высокую добротность, а, следовательно, и высокую точность прибора. Площадки крепления к основанию 4 сформированы со стороны расположения резонатора 1 вдоль поперечной его оси на минимальном расстоянии от внешней рамки 15. Такое расположение площадок крепления 15 позволяет максимально удалить концы резонаторов 1 - развязать их от основания 4, тем самым обеспечивая высокую добротность, а, следовательно, и высокую точность прибора, позволяет оптимально разместить систему возбуждения и съема сигнала и магнитную систему. Также обеспечивает крепление резонатора 1 частотного микромеханического акселерометра в месте с минимально напряженным состоянием всей колебательной системы, следовательно, обеспечивающей высокую добротность всей колебательной системы и как следствие - повышение точности. В местах сопряжения внешней рамки 15 с площадками крепления к основанию 4 сформированы сквозные окна 12 со сквозными прорезями на внешней стороне внешней рамки 15 и расположенными вдоль продольной ее оси. Площадки крепления к основанию 4 сопряжены с внешней рамкой 15 через упругие элементы 11. Тем самым обеспечивается минимальная нестабильность частоты и минимальная температурная погрешность. Для обеспечения минимальной нестабильности частоты и минимальной температурной погрешности дополнительно также на внешней рамке 15 на продольной оси кристалла 1 сформированы опорные выступы 9, с обеих сторон которых расположены сквозные Т-образные щели 10. Возбуждение резонаторов 1 осуществляется встречно-противоположно. Это обеспечивает минимальную потерю энергии резонаторов - повышает добротность, следовательно, повышает точность.Frequency micromechanical accelerometer works as follows. When applying alternating current through electric contact pads and current paths of the system for exciting oscillations and collecting information 16 from interaction with a magnetic field created by a magnetic system consisting of permanent magnets 6, the lower magnetic circuit 7, the central magnetic circuit 6 and the cover of the magnetic circuit 8, a force arises leading to oscillations of the resonators 1. Under the action of linear acceleration along the X axis, the pendulums 3 deviate from their neutral position. The elastic torsion bars 7 of the pendulums 3 are twisted by a certain angle. The resonators 1 are rigidly connected with both pendulums 3 located on the outer side of the pendulums 3 of each crystal 2. Therefore, one resonator 1 of one of the crystals 2 is stretched, and the other is compressed. As a result, the resonant frequency of both resonators 1 changes. Moreover, one increases, while the other decreases. The difference in these frequencies is proportional to the change in the measured acceleration. The use of two rod resonators 1 can improve accuracy, since it is used to measure the difference in the eigenfrequencies of the resonators 1, which reduces the frequency instability, temperature error, linearizes the characteristics of the device. Since the ends of the resonators 1 are not directly connected to the base-glass substrates 4, thereby providing high quality factor, and, therefore, high accuracy of the device. The attachment pads to the base 4 are formed from the side of the resonator 1 along its transverse axis at a minimum distance from the outer frame 15. This arrangement of the attachment pads 15 allows you to remove the ends of the resonators 1 as much as possible - untie them from the base 4, thereby ensuring high quality, and therefore , and the high accuracy of the device, allows you to optimally place the system of excitation and removal of the signal and the magnetic system. It also provides fastening of the resonator 1 of the frequency micromechanical accelerometer in a place with a minimally stressed state of the entire oscillatory system, therefore, providing high quality factor of the entire oscillatory system and, as a result, improving accuracy. Through the interface between the outer frame 15 and the attachment pads to the base 4, through windows 12 are formed with through holes on the outer side of the outer frame 15 and located along its longitudinal axis. The attachment areas to the base 4 are coupled to the outer frame 15 through the elastic elements 11. This ensures minimal frequency instability and minimum temperature error. To ensure minimum frequency instability and minimum temperature error, additionally, also on the outer frame 15, support projections 9 are formed on the longitudinal axis of the crystal 1, through which T-shaped slits 10 are located on both sides. The resonators 1 are excited counter-oppositely. This provides a minimum loss of energy of the resonators - increases the quality factor, therefore, increases the accuracy.

Источники информации:Information sources:

1. Патент РФ №22517021. RF patent No. 2251702

2. Патент РФ №2436106 - прототип.2. RF patent No. 2436106 - prototype.

Claims

A frequency micromechanical accelerometer containing a base, a crystal is a sensitive element made of single-crystal silicon, an external frame, an inertial mass connected to the external frame through an elastic suspension, a rod resonator, and a signal excitation and acquisition system, characterized in that it contains at least two resonators moreover, each resonator is formed on a separate crystal, mounted on its inertial masses, while the resonators are formed at the same time from one of the outer sides of the crystal and are located on the longitudinal axis of the crystal, the attachment areas to the base are formed on the side of the resonator, along its transverse axis, at a minimum distance from the outer frame, in the places where it is connected to the attachment areas to the base, through windows are formed with through openings on the outside of the frame and located along its longitudinal the axes, the attachment points to the base are interfaced with the external frame through elastic elements, supporting protrusions are formed on the external frame on the longitudinal axis of the crystal, on both sides of which put through T-shaped slots.