RU1791782C

RU1791782C - Semiconductor integral strain-gauge accelerometer

Info

Publication number: RU1791782C
Application number: SU894768786A
Authority: RU
Inventors: Лариса Григорьевна Архарова; Борис Иванович Пивоненков
Original assignee: Научно-исследовательский институт измерительной техники
Priority date: 1989-12-11
Filing date: 1989-12-11
Publication date: 1993-01-30

Abstract

Использование: приборостроение, повышение вибропрочности и точности измерени механических величин, например линейных ускорений,и т. д. Сущность изобретени : полупроводниковый интегральный тензоакселерЬмётр содержит рамку 1, расположенную в корпусе 2. Корпус 2 выполнен в виде двух крышек 3. 4. Внутри рамки 1 расположен выполненный за одно целое с ней консольно-защемленный упругий элемент 5 с профилированной областью 7 и инерционной массой 6. На упругом элементе ё расположена тензочувствйтёльна схема 8, расположенна над профилированной областью 7. В крышках 3, 4 симметрично относительно друг друга выполнены ступени 10, 11 с определенными геометрическими размерами элементов конструкции . 3 ил.Usage: instrumentation, increasing vibration resistance and accuracy of measuring mechanical quantities, such as linear accelerations, etc. Summary of the invention: a semiconductor integrated strain gauge accelerometer contains a frame 1 located in the housing 2. The housing 2 is made in the form of two covers 3. 4. Inside the frame 1 located in one piece with it is the cantilevered pinched elastic element 5 with the shaped region 7 and the inertial mass 6. On the elastic element there is a strain-sensing circuit 8 located above the shaped area 7. In the covers 3, 4, steps 10, 11 are made symmetrically with respect to each other with certain geometric dimensions of the structural elements. 3 ill.

Description

Изобретение относитс к измеритель1 ной технике и может быть использовано в датчиках механических величин, например, вибрации, линейных ускорений и т. д.The invention relates to measuring equipment and can be used in sensors of mechanical quantities, for example, vibration, linear accelerations, etc.

Известен тензоакселерометр, содержащий корпус с расположенной в нем консоль- но-защемленной балкой с выполненной на ней тензочувствительной схемой.A tensoaccelerometer is known comprising a housing with a cantilevered beam located in it with a strain-sensitive circuit made on it.

Указанный тензпакселерометр обладает малой чувствительностью ввиду большой жесткости балки, кроме того, функционирование акселерометра обеспечиваетс при использовании пассивных навесных рези- . сторов, что приводит к существенному его усложнению (увеличению габаритов, веса и т.д.), а следовательно, к резкому уменьшению точности измерени .The indicated tensax accelerometer has low sensitivity due to the high rigidity of the beam, in addition, the operation of the accelerometer is ensured by using passive hinged resis. Stores, which leads to its significant complication (increase in dimensions, weight, etc.), and, consequently, to a sharp decrease in measurement accuracy.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому вл етс интеграль- ный тензоакселорометр, содержащий1 рамку, расположенную в корпусе, выполненном в виде двух крышек, внутри рамкиThe closest in technical essence to the proposed one is the integral tensoaccelerometer containing 1 frame located in a housing made in the form of two covers, inside the frame

расположен консольно-защемленный, выполненный заодно с рамкой упругий элемент с расположенной над профилированной областью тензочувствительной схемой.there is a cantilevered pinch, made at the same time with the frame, an elastic element with a strain-sensitive circuit located above the profiled area.

Преимуществом данного тензоакселё- рометра вл етс то, что он представл ет собой микроконструкцию из кремни в интегральном исполнении, у которого профилированна область выполн ет роль концентратора напр жени , благодар чему чувствительность его больше по сравнению с аналогом. Роль груза в данном случае играет сама консоль, впполненна из кремни заодно с упругим элементом. Однако указанный акселерометр обладает низкой вйб- ропрочностью и точностью.The advantage of this strain gauge accelerometer is that it is an integrated silicon microstructure in which the profiled region acts as a stress concentrator, due to which its sensitivity is higher compared to the analogue. The role of the load in this case is played by the console itself, made of silicon at the same time as the elastic element. However, said accelerometer has low vibration resistance and accuracy.

Это обусловлено главным образом тем, при воздействии вибро- и ударных ускорений , превышающих определенный уровень, процесс ограничени носит ударный характер , при этом на профилированные переVJThis is mainly due to the fact that under the influence of vibration and shock accelerations exceeding a certain level, the restriction process is shock in nature, while on profiled

ОABOUT

XI 00 ЮXI 00 YU

мычки действуют две силы: сила инерции, .Рим, приложенна к точке вблизи центра инерции груза, и противодействующа ей сила ограничени Рогран, приложенна к концу консоли со стороны крышек, Ввиду несовпадени точек приложени этих сил возникает крут щий момент М, что приводит к разрушению балки в области профилированных перемычек, В этом случае эффективность ограничени низка, а, следо- вательно, неёйсока ейбро- и ударопрочность т%нзоЖсеТт 1&оШтра. : two forces act on the sliver: the force of inertia, .Rome applied to the point near the center of inertia of the load, and the counteracting force of the Rogran constraint applied to the end of the console from the side of the covers. Due to the mismatch of the points of application of these forces, a torque M arises, which leads to failure beams in the area of profiled jumpers. In this case, the restriction efficiency is low, and, consequently, it is not neuro- and impact-resistant t% NZZZhEsTt 1 & st. :

Кро мё того, данна конструкци не обеспечивает эффективного демпфировани , поэтому добротность системы велика, Это приводит к тому, что тензоакселерометр обладает большими неравномерностью амплитудно-частотной характеристики (АЧХ) и амплитудой паразитного сигнала, что обус- ла&лШ а ё т увеличение погрешности йзмере- ни , г; е. уменьшение точности.In addition, this design does not provide effective damping; therefore, the quality factor of the system is large. This leads to the fact that the strain accelerometer has large nonuniformity of the amplitude-frequency characteristic (AFC) and the amplitude of the spurious signal, which causes an increase in the error - no, g; e. a decrease in accuracy.

Целью изобретени вл етс повышение вибропрочности и точност измерёнй . The aim of the invention is to increase vibration resistance and accuracy of measurements.

Цель доетиГа ётЪ Г тем1, что в йз вестном интегральном тёШбакСё/Гёрометре ; содер- жащем рамку, расположённую в корпусе, выполненном в виде двух крышек, бнутри которой расположён конебльнб-защёмленный , выполненный заодно с рамкой упругий элемент с инерционной массой и располр- женной над профилированной областьюThe purpose of the search is that in the known integrated testbox / test; containing a frame located in a housing made in the form of two covers, inside of which there is a cable-clamped, made in one piece frame elastic element with inertial mass and located over the profiled area

тензочувствительной .схемой, в крышках симметрично относительно Друг друга выполнены ступени, ориентированные /перпендикул рно оси упругого элемента и расположенные соответственно над и под инерционной массой на рассто нии Li от профилированной области с тензосхемой и глубине п, причем L 2/3L;n 3/2Hi , где Ithe strain-sensitive scheme, in the covers symmetrically relative to each other, steps are made oriented / perpendicular to the axis of the elastic element and located respectively above and below the inertial mass at a distance Li from the profiled region with the strain-sheet and depth n, with L 2 / 3L; n 3 / 2Hi, where I

- рассто ние от профилированной области с тензосхемой до конца упругого элемента; Hi - ёелйчина зазора между упругим элементом и крышками вблизи профилированной области; или на инерционной массе со стороны нижней крышки выполнена сту- пень. Технических решений1, имеющих признаки , сходньге с отличительными, нами не обнаружено.is the distance from the profiled region with the strain diagram to the end of the elastic element; Hi - the gap between the elastic element and the covers near the profiled area; or a step is made on the inertial mass from the side of the lower cover. We found no technical solutions1 with signs similar to distinctive ones.

На фиг. 1 представлена конструкци по- лупрбводнйкЬвого интегрального тензоак- селерометра; на фиг. 2 - часть конструкции интегрального тензоакселерометра в увеличенном масштабе дл нагл дности; на фиг. 3 - конструкци интегрального тензоакселерометра , в котором в крышках выполнены ступени, .In FIG. 1 shows the design of a semi-integrated integrated strain gauge accelerometer; in FIG. 2 is an enlarged view of a portion of the construction of an integrated tensoaccelerometer for clarity; in FIG. 3 - design of an integrated tensoaccelerometer in which steps are made in the covers,.

Полупроводниковый интегральный тензоакселерометр содержит рамку 1, расположенную в корпусе 2, выполненном в виде двух крышек 3 и 4. Внутри рамки 1 расположен консольно-защемленный, выполненный заодно с рамкой упругий элемент 5, на конце которого расположена инерционна масса 6. На упругом элементе 5, над профилированной областью 7 расположена тензо- чувствительна схема 8 с контактными площадками 9. В интегральном тензоаксе- лерометре в крышках 3 и 4 симметрично относительно друг друга выполнены ступени 10, 11, которые ориентированы перпен- дйкул рнЪ оси упругого элемента 5 и расположены над и под инерционной массой 6 на рассто нии Li от профилированной области 7 с тензосхемой 8 и глубине h, причем Li 2/3L; h 3/2hi, где L - рассто ние от профилированной области с тензосхемой 8до конца упругого элемента 5; hi - величина зазора между упругим элементом 5 и крышками 3 и 4 вблизи профилированной области 7 (см. фиг. 3).The semiconductor integrated strain gauge accelerometer contains a frame 1 located in the housing 2, made in the form of two covers 3 and 4. Inside the frame 1 is a cantilevered, made in one piece with the frame elastic element 5, at the end of which is an inertial mass 6. On the elastic element 5, above the profiled region 7 there is a strain-sensitive circuit 8 with contact pads 9. In the integrated strain-gauge accelerometer, in the lids 3 and 4, steps 10, 11 are made symmetrically with respect to each other, which are oriented perpendicularly the axis axis of the elastic element 5 is located above and below the inertial mass 6 at a distance Li from the profiled region 7 with a strain diagram 8 and depth h, with Li 2 / 3L; h 3 / 2hi, where L is the distance from the profiled region with the strain diagram 8 to the end of the elastic element 5; hi is the size of the gap between the elastic element 5 and the covers 3 and 4 near the profiled area 7 (see Fig. 3).

Устройство по фиг. 1, 2 работает следующим образом. При воздействии измер в-. мого ускорени на упругий элемент 5 действует сила инерции F .m п, где т - масса; п - измер емое ускорение, в результате чего он деформируетс . Максимальна величина деформации достигаетс в области минимальной жесткости упругого элемента 5, т; е. в зоне над профилированной .областью 7. Тензочувствительна схема 8 преобразует деформацию, в электрический сигнал, при максимальном измер емом ус- корёний наступает ограничение перемещени груза, т. е. консоль своим концом касаетс дна нижней или верхней крышек.The device of FIG. 1, 2 works as follows. When exposed, measure in -. In case of acceleration, the inertia force F .m p acts on the elastic element 5, where m is the mass; n is the measured acceleration, as a result of which it is deformed. The maximum strain is achieved in the region of the minimum stiffness of the elastic element 5, t; that is, in the area above the profiled region 7. The strain-sensitive circuit 8 converts the deformation into an electrical signal, with the maximum measured acceleration, the movement of the load is limited, that is, the console with its end touches the bottom of the lower or upper covers.

В результате на профилированные перемычки 7 действует крут щий момент М пары сил: сила инерции Рин и силы ограничени Рогран(см. фиг. 2), который приводит к разрушению балки в области 7. Вибропрочность в этом случае очень низка, а также велика погрешность измерени ускорени из-за Значительной неравномерности АЧХ, т. е. тем самым акселерометр-прототип обладает невысокой точностью..As a result, a torque M of a pair of forces acts on the profiled jumpers 7: the inertia force Rin and the Rogran restriction forces (see Fig. 2), which leads to the destruction of the beam in region 7. In this case, the vibration strength is very low and the measurement error is large acceleration due to significant non-uniformity of the frequency response, that is, thereby the prototype accelerometer has low accuracy ..

В предлагаемом интегральном тензоак- селерометре, выполненном, как показано на фиг. 3, указанные недостатки отсутствуют , это достигаетс тем, что в крышках 3 и 4 симметрично относительно друг друга выполнены ступени 10,11, которые ориентированы перпендикул рно оси упругого элемента 5 и расположены над и под инерционной массой б (грузом) на рассто нии Li от профилированной области 7 с тензосхемой 8 и глубине h, причем Li 2/3L; h. 3/2hi, где L - рассто ние от профилированной области до конца.упругого элемента 5; fn - величина зазора между упругим.элементом 5 и крышками 3 и 4 вблизи профилирЬва нной области 7 (см. фиг. 2). При указанной длине Li и глубине, h расположени ступеней 10, 11 под действием ускорений, превышающих определенный уровень, ограничение перемещени груза происходит при касании последним ступеней.In the proposed integrated strain gauge accelerometer, made as shown in FIG. 3, these drawbacks are absent, this is achieved by the fact that in covers 3 and 4, steps 10.11 are made symmetrically with respect to each other, which are oriented perpendicular to the axis of the elastic element 5 and are located above and below the inertial mass b (load) at a distance Li from a profiled region 7 with a strain diagram 8 and a depth h, with Li 2 / 3L; h. 3 / 2hi, where L is the distance from the profiled region to the end of the elastic element 5; fn is the gap between the elastic element 5 and the caps 3 and 4 near the profiled region 7 (see Fig. 2). With the indicated length Li and depth h of the location of steps 10, 11 under the action of accelerations exceeding a certain level, the restriction of the movement of the load occurs when the last steps are touched.

Дл удобства сравнительного анализа за вл емого решени и прототипа предположим , что они обладают равным диапазоном измерени сигнала, т. е. что ограничение в обеих конструкци х достигаетс при равном сигнале (а значит, при одной и той же деформации тёнзосхемы, т. е. при одном и том же угле поворота груза относительно профилированной области). Как видно из чертежей, при этом исходный зазор между грузом и крышками в прототипе будет равен h - зазору в за вл емой конструкции в области ступеней. Величина же hi в за вл емой конструкции будет мень- ше: hi 2/3h. Очевидно, что в результате демпфирование (трение о воз дух) в за вл - емой конструкции будет более эффективным , в свою очередь это означает меньшую величину добротности, а значит, меньшую неравномерность АЧХ в рабочей полосе частот и меньшие амплитуды высокочастотных сигналов по сравнению с прототипом. Таким образом, за вл ема конструкци при том же динамическом диапазоне обладает меньшей величиной динамической погрешности , т, е. обеспечивает более высокую точность измерений.For the convenience of a comparative analysis of the claimed solution and the prototype, we assume that they have an equal signal measuring range, i.e., that the limitation in both structures is achieved with an equal signal (and, therefore, with the same strain of the tensor circuit, i.e. at the same angle of rotation of the cargo relative to the profiled area). As can be seen from the drawings, in this case, the initial clearance between the load and the covers in the prototype will be equal to the h - clearance in the claimed structure in the step region. The value of hi in the claimed design will be less: hi 2 / 3h. Obviously, as a result, damping (friction against air) in the claimed design will be more efficient, which in turn means less Q-factor, and hence less uneven frequency response in the working frequency band and lower amplitudes of high-frequency signals compared to the prototype . Thus, the claimed design with the same dynamic range has a smaller value of the dynamic error, i.e., it provides higher measurement accuracy.

Рассмотрим теперь более детально процесс ограничени перемещени груза в за- вл емом решении, например, под воздействием удара с амплитудой, превышающей номинальную, и его отличи по сравнению с прототипом.Let us now consider in more detail the process of restricting the movement of cargo in the claimed solution, for example, under the influence of a shock with an amplitude exceeding the nominal, and its differences compared to the prototype.

Во-первых, процесс ограничени будет носить более плавный характер, а именно груз в момент ограничени будет обладать меньшей скоростью (по сравнению с прототипом ), это вызвано тем, что, как показано выше, за вл емое решение обладает более эффективным демпфированием, т. е. в нем реализуетс большее воздушное трение.Firstly, the restriction process will have a smoother character, namely, the cargo at the moment of restriction will have a lower speed (compared to the prototype), this is because, as shown above, the claimed solution has more efficient damping, t. e. it implements greater air friction.

Во-вторых (и это, пожалуй, более важно сточки зрени повышени вибро- и удароп- рочности), точка приложени силы (реакции) со стороны крышки мен етс (по сравнению с прототипом), в за вл емой конструкции сила прикладываетс не к концу груза, а к точке, расположенной над краем ступени, т. е. удаленной от профилированной области HaLi-2/3L-.Secondly (and this is perhaps more important from the point of view of increasing vibration and impact resistance), the point of application of force (reaction) from the side of the lid changes (compared with the prototype), in the claimed design the force is not applied to the end load, and to a point located above the edge of the step, that is, remote from the profiled area HaLi-2 / 3L-.

Как следует из уравнени движени груза , 8 этом случае дополнительные воздействи ударного характера (перерезывающа сила в частности) на профилированную область пренебрежимо малы. Поскольку именно эти воздействи обуславливали разрушение упругого элемента в прототипе, то за вл емое решение обеспечивает значительное повышение вибро- и ударопрочно- сти.As follows from the equation of motion of the load, 8 in this case, additional impacts of a shock nature (cutting force in particular) on the profiled region are negligibly small. Since it is these effects that caused the destruction of the elastic element in the prototype, the claimed solution provides a significant increase in vibration and shock resistance.

За вл емое расположение ступеней и их глубина вл ютс оптимальными и обеспечивают максимальный полезный эффект. Изменение их расположени или глубины снижает полезный эффект, естественно, необходимо сравнивать конструкции с одинаковым уровнем ограничени , тем же, что в прототипе (т. е. с тем же углом наклона консоли при ограничении). При пропорциональном увеличении Li и hi уровень ограничени не изменитс ; но при ограничении возникнут те же отрицательные эффекты , что и в прототипе, хот и е меньшей степени.The claimed arrangement of the steps and their depth are optimal and provide the maximum beneficial effect. Changing their location or depth reduces the beneficial effect, of course, it is necessary to compare structures with the same level of restriction, the same as in the prototype (i.e., with the same angle of inclination of the console when limiting). With a proportional increase in Li and hi, the level of limitation does not change; but with the restriction, the same negative effects will occur as in the prototype, although to a lesser extent.

При уменьшении Li и hi (no отношению к оптимальному) также возникнут те же отрицательные эффекты (лишь перерезывающа сила, действующа на профилированную перемычку при ограничении , и заменит знак).With a decrease in Li and hi (with respect to the optimum), the same negative effects will also arise (only the shearing force acting on the profiled jumper under restriction will replace the sign).

Наконец, при увеличении глубины ступеней , т. е. если h (L/Li) -hi, уровень ограничени не изменитс , т. к. ограничение будет происходить.в конце консоли, но при этом будут иметь место те же отрицательные эффекты, что и в прототипе а эффективность демпфировани по сравнению с оптимальным выполнением будет ниже.Finally, with increasing depth of the steps, i.e., if h (L / Li) -hi, the level of restriction will not change, since the restriction will occur at the end of the console, but at the same time the same negative effects will take place that and in the prototype a, the damping efficiency will be lower compared with the optimum performance.

Таким образом, за вл емое решение по сравнению с прототипом обеспечивает более высокую точность измерений и существенно повышает вибро- и ударопрочность акселерометра.Thus, the claimed solution, in comparison with the prototype, provides higher measurement accuracy and significantly increases the vibration and shock resistance of the accelerometer.

Испытани лабораторных образцов интегральных тензоакселерометров показали, что повышение вибропрочности составило 3...10 раз (3 образца), ударопрочное™ - 5 ...17 раз (5 образцов). Кроме того, в силу более эффективного демпфировани испытанные , тензоакселерометры обладали добротностью б 1,5... 3 и неравномерностью АЧХ 3% (у известного тензоакселерометра с тем же уровн ем ограничени добротность системы составл ла 0 3... 10 и более; неравномерность АЧХ - 10%). Таким образом , за вл емо решение обеспечивает и повышение точности.- -,-:--.Tests of laboratory samples of integrated accelerometer accelerometers showed that the increase in vibration resistance was 3 ... 10 times (3 samples), shockproof ™ - 5 ... 17 times (5 samples). In addition, due to more effective damping, the tested tensoaccelerometers had a Q factor of 1.5 ... 3 and a frequency response unevenness of 3% (for a known tensometer accelerometer with the same level of limitation, the Q factor of the system was 0 3 ... 10 or more; unevenness Frequency response - 10%). Thus, the claimed solution provides an increase in accuracy .- -, -: -.

Использование предлагаемого интегрального тензоакселерометра по сравнению с известным тензоакселерометром позволит обеспечить следующее:Using the proposed integrated tensoaccelerometer in comparison with the known tensoaccelerometer will ensure the following:

- повысить вибро- и ударопрочность в 5 ... 10 раз;- increase vibration and impact resistance by 5 ... 10 times;

- повысить точность измерений.- increase the accuracy of measurements.

Claims

SUMMARY OF THE INVENTION A semiconductor integrated tensoaccelerometer comprising a frame located in a housing made in the form of two covers, within the frame are 5 cantilevered elastic elements integrally formed with a profiled region and inertial mass, as well as a strain-sensitive assembly. in the caps near the profiled region symmetrically relative to each other, steps are made oriented perpendicular to the axis of the elastic element, length I from the profiled region with a strain diagram and Depth h, and 21 ..;., ........ : I TJ L; h -p N, where L is the distance from

profiled area with tensogram

mu located above the profiled 10 to the end of the elastic element: H - distance

area, from the point of view of the fact that, between the elastic element and the covers, the purpose is to increase the vibration strength and precisely-red steps. .

/ -. :. -, at . . -: 1 g s;

////

steps, in the caps near the profiled region symmetrically relative to each other steps are made, oriented perpendicular to the axis of the elastic element, length I from the profiled region with a strain diagram and depth h, with 21 ..;.-........ : I TJ L; h -p N, where L is the distance from

profiled area with tensogram

FUH FIG. g y