RU155338U1 - Резонансный микромеханический акселерометр - Google Patents

Abstract

Резонансный микромеханический акселерометр, содержащий основание, два кристалла, состоящие из двух инерционных масс маятникового типа и резонатора, соединенного с инерционными массами, внешней рамки, упругие элементы, площадки крепления к основанию, отличающийся тем, что на каждом кристалле сформированы по два резонатора в плоскостях инерционных масс маятникового типа, резонаторы расположены вдоль продольной оси кристалла и инерционных масс маятникового типа и симметрично относительно поперечной и продольной осей кристалла и инерционных масс маятникового типа, в местах закрепления резонаторов с маятниками вдоль их поперечных осей в плоскостях маятников сформированы узкие сквозные прорези, внешняя рамка выполнена с переменным по длине сечением и симметрична относительно поперечной и продольной осей кристалла, причем меньшее сечение сформировано в месте сопряжения упругих элементов маятника и внешней рамки с одной стороны поперечной оси каждого маятника, а большее сечение внешней рамки сформировано с противоположной стороны поперечной оси каждого маятника, в местах сопряжения упругих элементов и внешней рамки сформированы зигзагообразные изгибы, расположенные между сопрягающимися упругими элементами двух маятников с внешней рамкой и в местах между упругими элементами каждого маятника и местом сопряжения большего и меньшего сечения внешней рамки, причем на внешней рамке в месте большего сечения сформированы площадки крепления к основанию, расположенные симметрично относительно продольной и поперечной осей каждого кристалла.

Description

Полезная модель относится к измерительной технике и может применяться в микромеханических датчиках линейных ускорений. 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 X образных торсионов, емкостную систему съема перемещений инерционной массы [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.

Известен резонансный микромеханический акселерометр, содержащий основание, два кристалла каждый из которых содержит по две инерционные массы маятникового типа и одному резонатору, соединенному с инерционными массами, упругие элементы с возможностью перемещения инерционной массы относительно основания в направлении измерительной оси [2].

Недостатком данного устройства является то, что резонаторы, сформированные, по одному на каждом кристалле имеют небольшую механическую добротность. Запасаемая в них энергия упругих колебаний частично уходит в основание. Таким образом, увеличение потери энергии резонатора уменьшает добротность, соответственно, уменьшает точность. Другим недостатком является нестабильность начальной частоты, так как добротность одного резонатора, связывающего две инерционные не высокая. Вследствие воздействия на резонатор вредных факторов начальная частота изменяется, а это уменьшает точность. Задачей, на решение которой направлена полезная модель, является увеличение точности резонансного микромеханического акселерометра. Для достижения этого в резонансном микромеханическом акселерометре, содержащем основание, два кристалла, состоящих из двух инерционных масс маятникового типа и резонатора, соединенного с инерционными массами, внешней рамки, упругие элементы, площадки крепления к основанию, на каждом кристалле сформированы по два резонатора в плоскостях инерционных масс маятникового типа, резонаторы расположены вдоль продольной оси кристалла и инерционных масс маятникового типа и симметрично относительно поперечной и продольной осей кристалла и инерционных масс маятникового типа, в местах закрепления резонаторов с маятниками вдоль их поперечных осей в плоскостях маятников сформированы узкие сквозные прорези, внешняя рамка выполнена переменной по длине сечением и симметрична относительно поперечной и продольной осей кристалла, причем меньшее сечение сформировано в месте сопряжения упругих элементов маятника и внешней рамки с одной стороны поперечной оси каждого маятника, а большее сечение внешней рамки сформировано с противоположной стороны поперечной оси каждого маятника, в местах сопряжения упругих элементов и внешней рамки сформированы зигзагообразные изгибы, расположенные между сопрягающимися упругими элементами двух маятников с внешней рамкой и в местах между упругими элементами каждого маятника и местом сопряжения большего и меньшего сечения внешней рамки, причем на внешней рамке в месте большего сечения сформированы площадки крепления к основанию, расположенные симметрично относительно продольной и поперечной осей каждого кристалла.

Признаками, отличающими предложенный резонансный микромеханический акселерометр от известного, является то, что на каждом кристалле сформированы по два резонатора в плоскостях инерционных масс маятникового типа. Резонаторы расположены вдоль продольной оси кристалла и инерционных масс маятникового типа и симметрично относительно поперечной и продольной осей кристалла и инерционных масс маятникового типа. В местах закрепления резонаторов с маятниками вдоль их поперечных осей в плоскостях маятников сформированы узкие сквозные прорези. Внешняя рамка выполнена переменной по длине сечением и симметрична относительно поперечной и продольной осей кристалла, причем меньшее сечение сформировано в месте сопряжения упругих элементов маятника и внешней рамки с одной стороны поперечной оси каждого маятника, а большее сечение внешней рамки сформировано с противоположной стороны поперечной оси каждого маятника. В местах сопряжения упругих элементов и внешней рамки сформированы зигзагообразные изгибы, расположенные между сопрягающимися упругими элементами двух маятников с внешней рамкой и в местах между упругими элементами каждого маятника и местом сопряжения большего и меньшего сечения внешней рамки. На внешней рамке в месте большего сечения сформированы площадки крепления к основанию, расположенные симметрично относительно продольной и поперечной осей каждого кристалла. Сформированные два резонатора на каждом кристалле позволяют схему возбуждения двух резонаторов на каждом кристалле реализовать так, что резонаторы совершают встречно-противоположные колебания относительно друг друга. Выполнено дополнительное устройство выделения разностной частоты с обоих кристаллов. Механическая колебательная система, которая имеет два резонатора, закрепленных на одних плоскостях обоих маятников и совершающих колебания синхронно в противофазе, позволяет повысить добротность резонаторов. Такое закрепление резонаторов позволяет отбалансировать колеблющиеся резонаторы. То есть свести к минимуму разночастотность. Тем самым снизить потери колебательной системы двух идентичных резонаторов закрепленных на единой плоскости обоих маятников и следовательно повысить добротность этой колебательной системы. В местах закрепления резонаторов с маятниками вдоль их поперечных осей в плоскостях маятников сформированы узкие сквозные прорези. Это препятствует потери энергии резонатора, уменьшает его связь с основанием. Выполнение внешней рамки выполненной переменной по длине сечением позволяет оптимально закрепить кристалл на основании, например стеклянной подложке. Так площадки крепления к основанию сформированы в более широкой части внешней рамки. Меньшая часть внешняя рамки выполненная зигзагообразной позволяет снизить взаимное влияние двух маятников и расположенных на них колебательных систем, а также снизить влияние мест закрепления на добротность колебательной системы. Зигзагообразное выполнение внешней рамки позволяет снизить влияние остаточных деформаций после соединения кристалла с основанием, например методом анодной посадки, что уменьшает нулевой сигнал и следовательно увеличивает точность, а также снизить воздействие рабочих температур, стремящихся растянуть/сжать внешнюю рамку, тем самым снизить воздействие температурных деформаций на упругие элементы, что увеличивает точность.

Предложенный резонансный микромеханический акселерометр иллюстрируется чертежами фиг. 1, фиг. 2. На фиг. 1 изображен кристалл резонансного микромеханического акселерометра, где:

1, 2 - маятники.

3, 4 - резонаторы,

5 - внешняя рамка,

6 - зигзагообразные изгибы,

7 - упругие элементы,

8 - площадки крепления к основанию,

9 - узкие сквозные прорези.

На фиг. 2 изображен резонансный микромеханический акселерометр в сборе,

где:

10 - основание - стеклянные подложки,

11 - постоянные магниты,

12 - магнитопроводы.

Резонансный микромеханический акселерометр содержит основание -стеклянные подложки 10, закрепленные на них два кристалла при помощи площадок крепления к основанию 8, расположенных на внешней рамке 5. С внешней рамкой 5 через упругие элементы 7 соединены маятники 1, 2, в которых сформированы по два резонатора 3, 4. В местах закрепления резонаторов 3, 4 с маятниками 1, 2 вдоль их поперечных осей в плоскостях маятников 1, 2 сформированы узкие сквозные прорези 9. Внешняя рамка 5 выполнена переменной по длине сечением и симметрична относительно поперечной оси кристалла, причем меньшее сечение сформировано в месте сопряжения упругих элементов 7 маятников 1, 2 и внешней рамки 5 с одной стороны поперечной оси каждого маятника 1. 2, а большее сечение внешней рамки 5 сформировано с противоположной стороны поперечной оси каждого маятника 1, 2. В местах сопряжения упругих элементов 7 и внешней рамки 5 сформированы зигзагообразные изгибы 6, расположенные между сопрягающимися упругими элементами 7 двух маятников 1, 2 с внешней рамкой 5 и в местах между упругими элементами 7 каждого маятника 1. 2 и местом сопряжения большего и меньшего сечения внешней рамки 5. Схема возбуждения представлена нанесенными на внешней стороне кристалла электрическими контактными площадками и токоведущими дорожками системы возбуждения колебаний и съема информации (не показано), находящимися в воздушном зазоре магнитной системы. Магнитная система представлена магнитопроводами 11 и постоянными магнитами 12. Резонансный микромеханический акселерометр работает следующим образом. При подаче переменного тока на токоведущие дорожки системы возбуждения колебаний и съема информации от взаимодействия с магнитным полем, создаваемым магнитной системой, состоящей из постоянных магнитов 11, магитопроводов 11, возникает сила, приводящая к колебанию резонаторов 3 и 4. Причем совершающих колебания синхронно в противофазе. При необходимости возможна балансировка колебательной системы состоящих из двух резонаторов 3, 4. То есть, свести к минимуму разночастотность. Тем самым, снизить потери колебательной системы двух идентичных резонаторов 3 и 4 закрепленных на единой плоскости обоих маятников 1, 2 и следовательно повысить добротность этой колебательной системы. В местах закрепления резонаторов 3, 4 с маятниками 1, 2 вдоль их поперечных осей в плоскостях маятников 1, 2 сформированы узкие сквозные прорези 9, которые препятствует потери энергии резонатора, уменьшает его связь с основанием 10. При действии линейного ускорения вдоль оси X маятники 1, 2 отклоняются от своего нейтрального положения. Упругие элементы 7 маятников 1, 2 закручиваются на определенный угол. Резонаторы 3, 4 жестко связаны с обоими маятниками 1, 2, находящимися на внешней стороне маятников 1, 2 каждого кристалла. Поэтому одна пара резонаторов 3, 4 одного из кристаллов растягивается, а другая - сжимается. В итоге резонансная частота обеих пар резонаторов 3, 4 изменяется. Причем у одного увеличивается, а у другого уменьшается. Разность этих частот пропорциональна изменению измеряемого ускорения. Выполнение внешней рамки 5 выполненной переменной по длине сечением позволяет оптимально закрепить кристалл на основании 10. Площадки крепления к основанию 8 сформированы в более широкой части внешней рамки. Меньшая часть внешняя рамки 5и выполнена зигзагообразной. Это позволяет снизить взаимное влияние двух маятников 1, 2 и расположенных на них колебательных систем, состоящих из пар резонаторов 3 и 4, колеблющихся в противофазе и также позволяет снизить влияние мест закрепления - «площадок крепления к основанию 10, расположенных на внешней рамке 5 - к основанию 10» на добротность колебательной системы. Зигзагообразные изгибы 6 выполненные на внешней рамки 5 позволяет снизить влияние остаточных деформаций после соединения кристалла с основанием 10, например методом анодной посадки, что уменьшает нулевой сигнал и следовательно увеличивает точность, а также снизить воздействие рабочих температур, стремящихся растянуть/сжать внешнюю рамку 5, тем самым снизить воздействие температурных деформаций на упругие элементы 7, что увеличивает точность.

Источники информации:

1. Патент РФ №2251702

2. Патент РФ №142011 - прототип.

Claims (1)

1. Резонансный микромеханический акселерометр, содержащий основание, два кристалла, состоящие из двух инерционных масс маятникового типа и резонатора, соединенного с инерционными массами, внешней рамки, упругие элементы, площадки крепления к основанию, отличающийся тем, что на каждом кристалле сформированы по два резонатора в плоскостях инерционных масс маятникового типа, резонаторы расположены вдоль продольной оси кристалла и инерционных масс маятникового типа и симметрично относительно поперечной и продольной осей кристалла и инерционных масс маятникового типа, в местах закрепления резонаторов с маятниками вдоль их поперечных осей в плоскостях маятников сформированы узкие сквозные прорези, внешняя рамка выполнена с переменным по длине сечением и симметрична относительно поперечной и продольной осей кристалла, причем меньшее сечение сформировано в месте сопряжения упругих элементов маятника и внешней рамки с одной стороны поперечной оси каждого маятника, а большее сечение внешней рамки сформировано с противоположной стороны поперечной оси каждого маятника, в местах сопряжения упругих элементов и внешней рамки сформированы зигзагообразные изгибы, расположенные между сопрягающимися упругими элементами двух маятников с внешней рамкой и в местах между упругими элементами каждого маятника и местом сопряжения большего и меньшего сечения внешней рамки, причем на внешней рамке в месте большего сечения сформированы площадки крепления к основанию, расположенные симметрично относительно продольной и поперечной осей каждого кристалла.

   

Images