RU2098832C1 - Чувствительный элемент емкостного акселерометра - Google Patents
Чувствительный элемент емкостного акселерометра Download PDFInfo
- Publication number
- RU2098832C1 RU2098832C1 RU96106669A RU96106669A RU2098832C1 RU 2098832 C1 RU2098832 C1 RU 2098832C1 RU 96106669 A RU96106669 A RU 96106669A RU 96106669 A RU96106669 A RU 96106669A RU 2098832 C1 RU2098832 C1 RU 2098832C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- electrodes
- thin
- movable plate
- protrusions
- film
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Pressure Sensors (AREA)
Abstract
Использование: в измерительной технике в конструкциях низкочастотных линейных компенсационных акселерометров и датчиков угловых перемещений. Сущность изобретения: чувствительный элемент содержит подвижную пластину 1 с планарными выступами 2 и вертикальными выступами 3, выполненными из проводящего материала. Планарные выступы 2 соединены с концами проводящих упругих ленточных растяжек 4, противоположные концы которых соединены с проводящей несущей рамкой 5. На поверхности пластин 6 выполнены тонкопленочные неподвижные электроды 7 и охватывающие их по периметру с зазором 8 полосковые тонкопленочные экраны 9, расположенные с зазором 10 над выступами 3. Внешние выводы экранов 9 соединены с несущей рамкой 5. Электроды 8 и экраны 9 отделены диэлектрическим материалом пластин 6 от тонкопленочных экранирующих электродов 11, соединенных между собой. Чувствительный элемент обладает низкой инерционностью, повышенной надежностью и помехозащищенностью. 2 з.п. ф-лы, 2 ил.
Description
Изобретение относится к измерительной технике и может быть применено в конструкциях низкочастотных линейных компенсационных акселерометров и датчиков угловых перемещений.
Известен чувствительный элемент датчика для определения ускорения, содержащий инерционный каркас на эластичном подвесе и чувствительный компонент, определяющий положение каркаса, масса которого изменяется за счет крепления постороннего предмета, обеспечивающего контроль /1/.
Известный чувствительный элемент не обладает достаточной радиальной жесткостью и точностью сопряжения вследствие асимметрии крепления объекта контроля на инерционном каркасе, что ухудшает характеристики измерителя и снижает помехоустойчивость при контроле.
Известен также датчик компенсационного акселерометра /2/, содержащий чувствительный элемент, включающий инерционную пластину и колебательную систему. Последняя связана с преобразователем перемещений в электрический сигнал. Устройство содержит также обратный преобразователь, к обмотке которого через масштабирующий резистор присоединен усилитель, а также предварительный и выходной усилители. Калибровочный резистор и сумматор присоединены к выходу преобразователя перемещений и к выходу предварительного усилителя.
Недостатком датчика является его повышенная инерционность вследствие возможного "залипания" инерционной пластины в момент включения питающего напряжения вплоть до отказов датчика. Кроме того, многоэлементная электрическая схема влияет на помехоустойчивость устройства и его надежность в отношении помехозащищенности.
Из известных датчиков емкостных акселерометров и их чувствительных элементов наиболее близким к заявляемому является чувствительный элемент емкостного акселерометра с замкнутым контуром и пружинным ограничением, содержащий конденсатор, между электродами-обкладками которого размещена подвижная пластина /3/. Пластина под воздействием ускорения перемещения контролируемого объекта отклоняется от среднего положения (эталонной плоскости). Это перемещение с помощью электронной схемы преобразуется в напряжение, воздействующее на конденсатор и возвращающее пластину в эталонную плоскость.
Устройство ближайший аналог отличается повышенной инерционностью и значительной осевой жесткостью, обусловленной действием пружинного ограничителя. Кроме того, отмечается влияние наведенных электрических полей и возникновение паразитных электрических связей от компонентов электронной схемы в цепях уравновешивания.
Исходя из недостатков описанных аналогов задача, на решение которой направлено заявляемое устройство, состоит в снижении инерционности и повышении надежности чувствительного элемента емкостного акселерометра. Технический результат, который может быть получен при осуществлении изобретения, - исключение влияния наведенных электрических полей и паразитных электрических связей.
Поставленная задача решается тем, что в чувствительном элементе емкостного акселерометра, у которого подвижная проводящая пластина расположена между неподвижными электродами с внешними выводами, пластина, имеющая форму правильного плоского многоугольника или круга в плане, снабжена симметрично расположенными по периметру планарными выступами, соединенными с одинаковыми по геометрическим параметрам упругими ленточными растяжками из проводящего материала, противоположные концы которых закреплены на проводящей несущей рамке, на планарных выступах подвижной пластины сформированы двухсторонние равновысокие вертикальные выступы с плоской поверхностью, несущая рамка по периферии жестко соединена с диэлектрическими пластинами, на которых расположены неподвижные тонкопленочные электроды и охватывающие их по периметру с зазором тонкопленочные полосковые экраны, имеющие внешние выводы, соединенные с несущей рамкой, при этом полосковые экраны перекрывают с вертикальным зазором плоские поверхности вертикальных выступов подвижной пластины, а неподвижные электроды и полосковые экраны отделены материалом диэлектрических пластин от тонкопленочных экранирующих электродов, соединенных между собой.
Из представленной общей совокупности признаков заявляемого объекта видно, что в дополнение к известным признакам в него введены экранирующие элементы в виде внутренних полосковых экранов, охватывающих по периметру неподвижные электроды с зазорами между ними и наружных экранирующих электродов, перекрывающих неподвижные электроды и внутренние полосковые экраны и отделенных от них диэлектриком. Их введение служит целям защиты чувствительного элемента от внутренних электростатических полей, наведенных электрическими зарядами на диэлектрических пластинах, а также от влияния внешних электрических помех.
Кроме того, принципиально изменена конструкция подвижной пластины и ее взаимодействие с неподвижными электродами. Она оказывается подвешенной на упругих полосковых растяжках, имеющих идентичные геометрические параметры (длину, форму и площадь сечения), а сама подвижная пластина снабжена одинаковыми по высоте вертикальными выступами, имеющими минимальный зазор относительно полосковых экранов, что обеспечивает свободные колебания подвижной пластины с малой амплитудой и быстрое ее возвращение в среднее положение. Тем самым снижается инерционность чувствительного элемента.
Принципиально новым является также выполнение неподвижных электродов, сформированных на диэлектрических пластинах в виде тонкопленочных элементов, что придает компактность заявляемому устройству и повышает его чувствительность.
Следует отметить также, что наружные экранирующие электроды соединены между собой, что направлено на подавление электрических помех.
Таковы основные отличия и преимущества заявляемого чувствительного элемента емкостного акселерометра в сравнении с прототипом.
В целом же заявляемый объект характеризуется следующей совокупностью основных отличительных признаков:
а) подвижная пластина имеет форму правильного плоского многоугольника или круга. Это обеспечивает симметричность пластины и исключает возможность перекоса при ее отклонении от среднего положения;
б) подвижная пластина снабжена симметрично расположенными по периметру планарными выступами. Эти выступы сформированы заодно с пластиной и служат основанием для вертикальных выступов и местом соединения с концами упругих растяжек;
в) планарные выступы соединены с идентичными по геометрическим параметрам упругими ленточными растяжками из проводящего материала. Идентичность геометрических параметров растяжек (их длина, конфигурация и размеры сечения) служат цели равномерного перемещения подвижной пластины в вертикальном направлении и устранения перекосов. Упругие растяжки выполнены заодно с пластиной и планарными выступами;
г) противоположные концы упругих растяжек закреплены на проводящей несущей рамке. Это обеспечивает необходимое упругое действие растяжек при изменении положения подвижной пластины и плоскопараллельность ее перемещения;
д) на планарных выступах подвижной пластины сформированы двухсторонние проводящие равновысокие вертикальные выступы с плоской поверхностью. Указанные выступы расположены на планарных выступах подвижной пластины, имеют одинаковую высоту и тем самым обеспечивают одинаковые зазоры между вертикальными выступами и перекрывающими их по площади тонкопленочными полосковыми внутренними экранами и равномерное отклонение подвижной пластины в обоих направлениях. Плоскосность тех и других поверхностей гарантирует их равномерное взаимодействие;
е) неподвижные тонкопленочные электроды и охватывающие их по периметру с зазорами тонкопленочные полосковые экраны расположены на поверхности диэлектрических пластин. Выполнение указанных элементов по тонкопленочной технологии и обеспечение минимальных зазоров между ними позволяет достичь миниатюризации чувствительного элемента;
ж) внешние выводы полосковых экранов соединены с проводящей несущей рамкой. Это соединение обеспечивает эквипотенциальность поверхности полосковых экранов и вертикальных выступов;
з) полосковые экраны перекрывают плоские поверхности вертикальных выступов подвижной пластины с постоянным зазором между ними. Тем самым обеспечивается надежное взаимодействие указанных конструктивных элементов в плане перемещения подвижной пластины;
и) на поверхности диэлектрических пластин, противоположных тем, на которых размещены неподвижные электроды и внутренние полосковые экраны, нанесены тонкопленочные экранирующие электроды, соединенные между собой. Они предназначены для устранения внешних помех.
а) подвижная пластина имеет форму правильного плоского многоугольника или круга. Это обеспечивает симметричность пластины и исключает возможность перекоса при ее отклонении от среднего положения;
б) подвижная пластина снабжена симметрично расположенными по периметру планарными выступами. Эти выступы сформированы заодно с пластиной и служат основанием для вертикальных выступов и местом соединения с концами упругих растяжек;
в) планарные выступы соединены с идентичными по геометрическим параметрам упругими ленточными растяжками из проводящего материала. Идентичность геометрических параметров растяжек (их длина, конфигурация и размеры сечения) служат цели равномерного перемещения подвижной пластины в вертикальном направлении и устранения перекосов. Упругие растяжки выполнены заодно с пластиной и планарными выступами;
г) противоположные концы упругих растяжек закреплены на проводящей несущей рамке. Это обеспечивает необходимое упругое действие растяжек при изменении положения подвижной пластины и плоскопараллельность ее перемещения;
д) на планарных выступах подвижной пластины сформированы двухсторонние проводящие равновысокие вертикальные выступы с плоской поверхностью. Указанные выступы расположены на планарных выступах подвижной пластины, имеют одинаковую высоту и тем самым обеспечивают одинаковые зазоры между вертикальными выступами и перекрывающими их по площади тонкопленочными полосковыми внутренними экранами и равномерное отклонение подвижной пластины в обоих направлениях. Плоскосность тех и других поверхностей гарантирует их равномерное взаимодействие;
е) неподвижные тонкопленочные электроды и охватывающие их по периметру с зазорами тонкопленочные полосковые экраны расположены на поверхности диэлектрических пластин. Выполнение указанных элементов по тонкопленочной технологии и обеспечение минимальных зазоров между ними позволяет достичь миниатюризации чувствительного элемента;
ж) внешние выводы полосковых экранов соединены с проводящей несущей рамкой. Это соединение обеспечивает эквипотенциальность поверхности полосковых экранов и вертикальных выступов;
з) полосковые экраны перекрывают плоские поверхности вертикальных выступов подвижной пластины с постоянным зазором между ними. Тем самым обеспечивается надежное взаимодействие указанных конструктивных элементов в плане перемещения подвижной пластины;
и) на поверхности диэлектрических пластин, противоположных тем, на которых размещены неподвижные электроды и внутренние полосковые экраны, нанесены тонкопленочные экранирующие электроды, соединенные между собой. Они предназначены для устранения внешних помех.
Помимо перечисленных выше основных отличительных признаков могут быть указаны следующие частные признаки:
к) подвижная пластина с выступами, несущая рамка и упругие растяжки выполнены из полупроводникового материала, например из высоколегированного монокристаллического кремния. Это способствует технологичности изготовления чувствительного элемента с применением приемов достаточно отработанной при изготовлении полупроводниковых приборов планарной технологии, достижению миниатюризации чувствительного элемента и точности его изготовления;
л) диэлектрические пластины выполнены из стекла, коэффициент термического расширения которого соответствует коэффициенту термического расширения полупроводникового материала. Тем самым исключаются термомеханические напряжения, ухудшающие работу чувствительного элемента.
к) подвижная пластина с выступами, несущая рамка и упругие растяжки выполнены из полупроводникового материала, например из высоколегированного монокристаллического кремния. Это способствует технологичности изготовления чувствительного элемента с применением приемов достаточно отработанной при изготовлении полупроводниковых приборов планарной технологии, достижению миниатюризации чувствительного элемента и точности его изготовления;
л) диэлектрические пластины выполнены из стекла, коэффициент термического расширения которого соответствует коэффициенту термического расширения полупроводникового материала. Тем самым исключаются термомеханические напряжения, ухудшающие работу чувствительного элемента.
На фиг.1 показано предлагаемое устройство в плане; на фиг.2 сечение А-А на фиг. 1.
Подвижная пластина 1 с планарными выступами 2 и вертикальными выступами 3 выполнена из проводящего материала. Планарные выступы 2 соединены с концами проводящих упругих ленточных растяжек 4, противоположные концы которых соединены с проводящей несущей рамкой 5. На поверхности диэлектрических пластин 6 выполнены тонкопленочные неподвижные электроды 7 конденсатора и охватывающие их по периметру с зазором 8 полосковые тонкопленочные экраны 9, расположенные с постоянным зазором 10 над плоской поверхностью вертикальных выступов 3. Внешние выводы экранов 9 соединены с несущей рамкой 5. Неподвижные электроды 7 и полосковые экраны 9 отделены диэлектрическим материалом пластин 6 от тонкопленочных экранирующих электродов II, соединенных между собой.
Предлагаемый чувствительный элемент работает следующим образом.
В процессе работы в момент возникновения перегрузочных воздействий, например в момент включения питающих напряжений, а также при воздействии динамических перегрузок, превышающих верхнюю границу измерения, вертикальные выступы 3 упираются своей верхней плоскостью в полосковые экраны 9, ограничивая тем самым перемещение подвижной пластины 1 в том или другом направлении. При этом амплитуда перемещения пластины 1 такова, что силы электростатического воздействия уравновешивают механические колебания пластины 1. Поскольку площадь поверхности выступов 3 в сравнении с площадью полосковых экранов 9 пренебрежимо мала, а разность потенциалов между указанными поверхностями отсутствует в силу соответствующего электрического подключения, то наведенное электрическое поле в динамическом режиме отсутствует, что повышает точность измерений. Амплитуда колебаний подвижной пластины 1 составляет доли микрона. Значения же колебаний, при которых наступают упругие деформации, на три- четыре порядка выше. Поэтому отсутствует механический гистерезис и соблюдается высокая линейность амплитудной характеристики.
В то же время в заявляемом чувствительном элементе учтены возможные структурные неоднородности самой пластины 1, вызывающие наведенный неравномерный электрический заряд поверхности диэлектрических пластин 6 вблизи тонокопленочных неподвижных электродов 7. Эта неравномерность распределения заряда могла бы привести к перекосу подвижной пластины 1 при ее перемещении, соответственно к снижению величины модуляции воздушного зазора между ней и пластинами 6 и даже к перемыканию пластины 1 с электродами 7. Все это могло бы привести к сужению диапазона измерений и к параметрическим отказам в работе емкостного акселерометра.
Однако введение полосковых экранов 9 позволяет избежать нежелательных последствий. На поверхность экранов 9 подается электрический потенциал, одинаковый с потенциалом подвижной пластины 1 (выводы экранов 9 соединены с несущей рамкой 5). В результате этого осуществляется съем наведенных электрических зарядов с пластин 6 и их взаимная компенсация, устраняется возможность влияния паразитных электрических полей и неоднородностей структуры пластины 1, связанные с ней перекосы в воздушном зазоре между пластиной 1 и электродами 7. Все это способствует расширению диапазона измерений и повышению надежности акселерометра в целом.
Высота выступов 3 выбирается такой, что между ними и полосковыми экранами 9 при перемещении пластины 1 всегда остается малый воздушный зазор, исключающий "прилипание" пластины 1 к электродам 7. Это также устраняет параметрические отказы, уменьшает инерционность чувствительного элемента и повышает надежность акселерометра.
Площадь внешних тонкопленочных экранирующих электродов 11 соразмерна площади неподвижных электродов 8. Поэтому возникающая паразитная емкость постоянна и мала, поскольку она определяется толщиной диэлектрических пластин 6. Поэтому влияние наведенных электрических полей и устранение паразитных связей от компонентов электронной схемы существенно снижено.
В целом чувствительный элемент емкостного акселерометра представляет собой монолитную микромеханическую конструкцию, защищенную от неконтролируемых электростатических зарядов и влияния наведенных электрических полей, с низкой инерционностью и, следовательно, повышенным быстродействием, что обеспечивает ее высокую функциональную и параметрическую надежность и точность измерений.
Наиболее успешно заявленный чувствительный элемент емкостного акселерометра может быть использован в конструкциях акселерометров и датчиков угловых перемещений.
Claims (3)
1. Чувствительный элемент емкостного акселерометра в виде конденсатора, у которого подвижная проводящая пластина расположена между неподвижными электродами с внешними выводами, отличающийся тем, что подвижная пластина имеет в плане форму правильного многоугольника или круга и снабжена симметрично расположенными по периметру планарными выступами, соединенными с одинаковыми по геометрическим параметрам упругими ленточными растяжками из проводящего материала, противоположные концы которых закреплены на проводящей несущей рамке, на планарных выступах подвижной пластины сформированы двусторонние проводящие равновысокие вертикальные выступы с плоской поверхностью, несущая рамка по периферии жестко соединена с диэлектрическими пластинами, на которых расположены неподвижные тонкопленочные электроды и охватывающие их по периметру с зазором тонкопленочные полосковые экраны, имеющие внешние выводы, соединенные с несущей рамкой, при этом полосковые экраны перекрывают с зазором плоские поверхности вертикальных выступов подвижной пластины, а неподвижные электроды и полосковые экраны отделены материалом диэлектрических пластин от экранирующих тонкопленочных электродов, соединенных между собой.
2. Элемент по п.1, отличающийся тем, что подвижная пластина с выступами, несущая рамка и упругие растяжки выполнены из полупроводникового материала, например из монокристаллического кремния.
3. Элемент по пп.1 и 2, отличающийся тем, что диэлектрические пластины выполнены из стекла, коэффициент термического расширения которого соответствует коэффициенту термического расширения полупроводникового материала.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU96106669A RU2098832C1 (ru) | 1996-04-04 | 1996-04-04 | Чувствительный элемент емкостного акселерометра |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU96106669A RU2098832C1 (ru) | 1996-04-04 | 1996-04-04 | Чувствительный элемент емкостного акселерометра |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2098832C1 true RU2098832C1 (ru) | 1997-12-10 |
RU96106669A RU96106669A (ru) | 1998-05-20 |
Family
ID=20178997
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU96106669A RU2098832C1 (ru) | 1996-04-04 | 1996-04-04 | Чувствительный элемент емкостного акселерометра |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2098832C1 (ru) |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2457494C2 (ru) * | 2010-04-26 | 2012-07-27 | Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Тульский государственный университет" (ТулГУ) | Осевой акселерометр |
RU2618482C1 (ru) * | 2013-05-02 | 2017-05-03 | Нортроп Грумман Литеф Гмбх | Датчик ускорения, а также способ изготовления датчика ускорения |
-
1996
- 1996-04-04 RU RU96106669A patent/RU2098832C1/ru not_active IP Right Cessation
Non-Patent Citations (1)
Title |
---|
1. DE, патент, 3834531, кл. G 01 P 15/08, 1990. 2. SU, авторское свидетельство, 1728807, кл. G 01 P 15/13, 1992. 3. EP, патент, 0386464, кл. G 01 P 15/13, 1990. * |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2457494C2 (ru) * | 2010-04-26 | 2012-07-27 | Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Тульский государственный университет" (ТулГУ) | Осевой акселерометр |
RU2618482C1 (ru) * | 2013-05-02 | 2017-05-03 | Нортроп Грумман Литеф Гмбх | Датчик ускорения, а также способ изготовления датчика ускорения |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US5205171A (en) | Miniature silicon accelerometer and method | |
JP2825664B2 (ja) | L字形状のばね脚部を有するセンサー構造 | |
US6997054B2 (en) | Capacitance-type inertial detecting device | |
US4736629A (en) | Micro-miniature accelerometer | |
JP3240390B2 (ja) | 変位検出センサ | |
US11105828B2 (en) | Microelectromechanical device for out-of-plane motion detection | |
JP2003519797A (ja) | 加速度計 | |
GB2523320A (en) | Accelerometers | |
KR20010077832A (ko) | 진동형 마이크로자이로스코프 | |
KR100514064B1 (ko) | 용량식 역학량 센서 | |
US11835541B2 (en) | MEMS accelerometric sensor having high accuracy and low sensitivity to temperature and aging | |
EP0855583B1 (en) | Device for measuring a pressure | |
US5111694A (en) | Accelerometer with rebalance coil stress isolation | |
JPS5952365B2 (ja) | 角度測定又は加速度測定に使用できる測定装置 | |
JP6606601B2 (ja) | 加速度センサ | |
RU2098832C1 (ru) | Чувствительный элемент емкостного акселерометра | |
CN216593886U (zh) | 微机电谐振式压力敏感结构 | |
JPH03293565A (ja) | Pwm静電サーボ式加速度計 | |
RU2800399C1 (ru) | Чувствительный элемент углового акселерометра | |
US4458292A (en) | Multiple capacitor transducer | |
RU2028000C1 (ru) | Компенсационный акселерометр | |
RU2121694C1 (ru) | Компенсационный акселерометр | |
RU2193209C1 (ru) | Компенсационный акселерометр | |
JPH05240641A (ja) | 傾斜計 | |
RU2096813C1 (ru) | Гравиметр |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20140405 |