RU2148831C1

RU2148831C1 - Acceleration meter

Info

Publication number: RU2148831C1
Application number: RU98103585/28A
Authority: RU
Inventors: В.И. Баженов; К.А. Бахонин; Н.А. Горбачев; А.А. Ефанов; А.Н. Мухин; занов В.А. Р; В.А. Рязанов; В.М. Соловьев
Original assignee: Открытое акционерное общество "Раменское приборостроительное конструкторское бюро"
Priority date: 1998-02-10
Filing date: 1998-02-10
Publication date: 2000-05-10

Abstract

FIELD: measuring equipment, in particular, linear acceleration transducers with frequency output. SUBSTANCE: device has first and second mobile members, two transducers of inertial force to mechanical value, two self-excited oscillators, and frequency mixer. Mobile members are located in plane, which is made from single-crystal material. In addition device has first and second stationary members. Said transducer of inertial force to mechanical value is designed as flexible joint, which rigidity depends on upper limit of range of measurements. Elements of differential capacitance-based transducer are inserted into circuits of self-excited oscillators. EFFECT: decreased weight and size, decreased production cost. 5 cl, 5 dwg

Description

Настоящее изобретение относится к области измерительной техники, а именно к преобразователям линейного ускорения с частотным выходным сигналом. The present invention relates to the field of measurement technology, namely to linear acceleration converters with a frequency output signal.

Известен акселерометр, содержащий подвижный элемент консольной конструкции, преобразователь инерционной силы в напряжение деформации, преобразователь напряжения деформации в электрический сигнал, автогенератор частоты, опорный генератор частоты, смеситель [1]. A known accelerometer containing a movable element of a cantilever structure, a converter of inertial force to a strain voltage, a converter of a strain voltage to an electric signal, a frequency oscillator, a reference frequency generator, a mixer [1].

Недостатком этого акселерометра является наличие погрешности от перекрестной связи, когда при измерении ускорения по измерительной оси вследствие углового перемещения подвижного элемента появляется составляющая сигнала акселерометра, вызванная ускорением по оси, направленной вдоль консоли подвижного элемента. The disadvantage of this accelerometer is the presence of an error from cross-coupling, when, when measuring acceleration along the measuring axis, due to the angular movement of the moving element, a component of the accelerometer signal appears, caused by acceleration along the axis directed along the console of the moving element.

Наиболее близким по технической сущности является акселерометр [2], содержащий корпус, два подвижных элемента консольной конструкции с противоположным расположением свободных концов консолей относительно друг друга, два преобразователя инерционной силы в механическую величину, каждый из которых связан с одним из подвижных элементов, два автогенератора частоты, смеситель частот. The closest in technical essence is an accelerometer [2], comprising a housing, two movable elements of a cantilever structure with an opposite arrangement of the free ends of the consoles relative to each other, two inertial force to mechanical magnitude converters, each of which is associated with one of the movable elements, two frequency oscillators , frequency mixer.

Такой акселерометр обладает большим объемом конструкции вследствие необходимости выполнения подвижных элементов с большой массой для создания достаточных усилий с целью получения значительного напряжения в жестких преобразователях инерционной силы в напряжение деформации. Such an accelerometer has a large design volume due to the need to perform movable elements with a large mass to create sufficient effort to obtain significant voltage in the hard converters of inertial force to strain strain.

Техническим результатом изобретения является миниатюризация конструкции акселерометра и снижение трудоемкости его производства. The technical result of the invention is the miniaturization of the design of the accelerometer and reducing the complexity of its production.

Указанный технический результат достигается в акселерометре, содержащем корпус, два подвижных элемента консольной конструкции с противоположным расположением свободных концов консолей относительно друг друга, два преобразователя инерционной силы в механическую величину, каждый из которых связан с одним из подвижных элементов, два автогенератора частоты, смеситель частот, тем, что подвижные элементы выполнены в пластине из монокристаллического материала, например кремния, вместе с неподвижной рамкой и упругим подвесом, соединяющим каждый подвижный элемент и неподвижную рамку, введены первая статорная пластина и вторая статорная пластина, поверхности каждой стороны каждого подвижного элемента выполнены электропроводными, выполнен дифференциальный емкостный преобразователь перемещения обоих подвижных элементов с одним неподвижным электродом на первой статорной пластине в области проекции обоих подвижных элементов на эту пластину и со вторым неподвижным электродом на второй статорной пластине в области проекции на нее обоих подвижных элементов, подвижный электрод дифференциального емкостного преобразователя перемещения образован электропроводными поверхностями подвижных элементов, неподвижная рамка расположена между первой и второй статорными пластинами с образованием зазора между каждым подвижным элементом и каждым неподвижным электродом на первой и второй статорных пластинах, в качестве преобразователя инерционной силы в перемещение подвижного элемента выполнен упругий подвес каждого подвижного элемента с жесткостью ξ в направлении, перпендикулярном поверхностям подвижных элементов, определяемой соотношением:

где m - масса подвижного элемента;
a_в - верхний предел диапазона измеряемых ускорений;
d - зазор между подвижным и неподвижным электродом;
каждый автогенератор частоты выполнен как RC-генератор или LС-генератор, одна часть дифференциального емкостного преобразователя перемещения с одним неподвижным электродом и подвижным электродом включена в цепь одного RC-генератора или LC-генератора в качестве определяющего частоту генерации элемента, вторая часть дифференциального емкостного преобразователя перемещения с другим неподвижным электродом и тем же подвижным электродом включена в цепь второго RC-генератора или LC-генератора в качестве определяющего частоту генерации элемента.The specified technical result is achieved in an accelerometer containing a housing, two movable elements of a cantilever structure with an opposite arrangement of the free ends of the consoles relative to each other, two inertial force to mechanical magnitude converters, each of which is associated with one of the movable elements, two frequency oscillators, a frequency mixer, the fact that the movable elements are made in the plate of a single crystal material, for example silicon, together with a fixed frame and an elastic suspension connecting to each movable element and a fixed frame, the first stator plate and the second stator plate are introduced, the surfaces of each side of each movable element are electrically conductive, a differential capacitive transducer of displacement of both movable elements with one stationary electrode on the first stator plate is made in the area of the projection of both movable elements on this plate and with a second stationary electrode on the second stator plate in the area of projection of both movable elements onto it, the movable elec the kind of differential capacitive displacement transducer is formed by the electrically conductive surfaces of the movable elements, the fixed frame is located between the first and second stator plates with the formation of a gap between each movable element and each stationary electrode on the first and second stator plates, an elastic suspension is made as an inertial force transducer to move the movable element each movable element with rigidity ξ in the direction perpendicular to the surfaces of the movable element Comrade, defined by the relation:

where m is the mass of the movable element;
a _in - the upper limit of the range of measured accelerations;
d is the gap between the movable and stationary electrode;
each frequency oscillator is designed as an RC generator or an LC generator, one part of a differential capacitive displacement transducer with one fixed electrode and a movable electrode is included in the circuit of one RC generator or an LC generator as an element that determines the frequency of generation, the second part of a differential capacitive displacement transducer with another fixed electrode and the same movable electrode is included in the circuit of the second RC-generator or LC-generator as the element determining the frequency of generation that one.

В одном частном случае выполнения акселерометра каждый подвижный элемент выполнен в пластине из монокристаллического материала с расположением его электропроводной поверхности на глубине d от ближайшей параллельной ей поверхности неподвижной рамки, составляющей зазор между подвижным и неподвижным электродами дифференциального емкостного преобразователя перемещения. In one particular case of the accelerometer, each movable element is made in a plate of single-crystal material with the location of its electrically conductive surface at a depth d from the nearest surface of the fixed frame parallel to it, which constitutes the gap between the movable and fixed electrodes of the differential capacitive displacement transducer.

В другом частном случае выполнения акселерометра первая и вторая пластины выполнены из монокристаллического материала, например кремния. In another particular case of the accelerometer, the first and second plates are made of single-crystal material, for example silicon.

Путем выполнения подвижных элементов в пластине из монокристаллического материала, например кремния, вместе с неподвижной рамкой и упругим подвесом, введения первой и второй статорных пластин, выполнения неподвижных электродов дифференциального емкостного преобразователя на первой и второй статорных пластинах и подвижного электрода как электропроводной поверхности подвижных элементов, выполнения в качестве преобразователя инерционной силы в перемещение подвижного элемента упругого подвеса с жесткостью, определяемой расчетным соотношением, включения частей дифференциального емкостного преобразователя перемещений в цепи RC-генератора или LC-генератора позволяет выполнить основные элементы акселерометра по планарной групповой интегральной технологии, чем обеспечивается миниатюризация конструкции акселерометра и снижение трудоемкости его производства. By performing movable elements in a plate of a single-crystal material, for example silicon, together with a fixed frame and an elastic suspension, introducing the first and second stator plates, making stationary electrodes of the differential capacitive transducer on the first and second stator plates and a moving electrode as an electrically conductive surface of the moving elements, as a converter of inertial force into the movement of a movable element of an elastic suspension with a stiffness determined by ratio, the inclusion of the parts of the differential capacitive displacement transducer in the circuit of the RC generator or LC generator allows you to perform the basic elements of the accelerometer according to planar group integrated technology, which ensures miniaturization of the design of the accelerometer and reducing the complexity of its production.

На фиг. 1 представлен общий вид акселерометра, на фиг. 2 - пластина с подвижными элементами, на фиг. 3 - одна из статорных пластин, на фиг. 4 - частный случай выполнения пластины с подвижными элементами, на фиг. 5 - электрическая схема акселерометра. In FIG. 1 is a general view of the accelerometer; FIG. 2 - plate with movable elements, in FIG. 3 - one of the stator plates, in FIG. 4 is a particular case of a plate with movable elements; in FIG. 5 is an electrical diagram of an accelerometer.

В корпусе 1 акселерометра (фиг. 1) установлена пластина 2 из монокристаллического материала, например кремния, в которой образованы неподвижная рамка 3 и два подвижных элемента 4', 4'' с электропроводными поверхностями 5. Пластина 2 установлена между первой статорной пластиной 6 с неподвижным электродом 7 и второй статорной пластиной 8 с неподвижным электродом 9 на платиках 10, 11 так, что между неподвижным электродом 7 и ближайшей поверхностью 5 подвижных элементов 4', 4'' образован зазор d. Аналогичный зазор образован между неподвижным электродом 9 и ближайшей поверхностью 5 подвижных элементов 4', 4''. In the housing 1 of the accelerometer (Fig. 1), a plate 2 is made of a single-crystal material, for example silicon, in which a fixed frame 3 and two movable elements 4 ', 4' 'with electrically conductive surfaces 5 are formed. Plate 2 is mounted between the first stator plate 6 with a fixed an electrode 7 and a second stator plate 8 with a fixed electrode 9 on the plates 10, 11 so that a gap d is formed between the fixed electrode 7 and the nearest surface 5 of the movable elements 4 ', 4' '. A similar gap is formed between the fixed electrode 9 and the nearest surface 5 of the movable elements 4 ', 4' '.

Электропроводные поверхности 5 на подвижных элементах 4', 4'' выполнены путем легирования кремния бором. The electrically conductive surfaces 5 on the movable elements 4 ', 4' 'are made by doping silicon with boron.

Корпус 1 закрыт крышкой 12. Case 1 is closed by a cover 12.

Подвижные элементы 4', 4'' (фиг. 2) выполнены в пластине 2 путем анизотропного травления кремния с образованием окон 13', 13'', промежутков 14', 14'', отделяющих подвижные элементы 4', 4'' от неподвижной рамки 3, и упругих перемычек 15', 15'', 16', 16'', соединяющих подвижные элементы 4', 4'' с неподвижной рамкой 3. Упругие перемычки 15', 15'', 16', 16'' образуют упругий подвес подвижных элементов 4', 4'' и являются преобразователями инерционной силы в перемещение подвижных элементов. Для этого упругие перемычки 15', 15'' выполнены с суммарной жесткостью ξ в направлении, перпендикулярном поверхности 5 подвижного элемента 4', определяемой соотношением:

где m - масса подвижного элемента 4;
a_в - верхний предел диапазона измеряемых ускорений;
d - зазор между подвижным элементом 4 и каждым из неподвижных электродов 7, 9.The movable elements 4 ', 4''(Fig. 2) are made in the plate 2 by anisotropic etching of silicon with the formation of windows 13', 13 '', gaps 14 ', 14''separating the movable elements 4', 4 '' from the stationary frames 3, and elastic jumpers 15 ', 15'',16', 16 '' connecting the movable elements 4 ', 4''with the fixed frame 3. Elastic jumpers 15', 15 '', 16 ', 16''form elastic suspension of the movable elements 4 ', 4''and are converters of inertial force in the movement of the moving elements. To do this, the elastic jumpers 15 ', 15''are made with a total stiffness ξ in the direction perpendicular to the surface 5 of the movable element 4', defined by the ratio:

where m is the mass of the movable element 4;
a _in - the upper limit of the range of measured accelerations;
d is the gap between the movable element 4 and each of the

stationary electrodes

7, 9.

Аналогично выполнена суммарная жесткость упругих перемычек 16', 16''. Similarly, the total stiffness of the elastic bridges 16 ', 16' 'is made.

Подвижные элементы 4', 4'' имеют консольную конструкцию, свободные концы их консолей расположены по разные стороны от оси симметрии 17 - 17 пластины 2. The movable elements 4 ', 4' 'have a cantilever design, the free ends of their consoles are located on different sides from the axis of symmetry 17 - 17 of the plate 2.

Неподвижный электрод 7 (фиг. 3) на первой статорной пластине 6 образован напылением электропроводного материала, например алюминия, его контур 18 совпадает с проекцией обоих подвижных элементов 4', 4'' на первую статорную пластину 6. Аналогично выполнен неподвижный электрод 9 на второй пластине 8. The fixed electrode 7 (Fig. 3) on the first stator plate 6 is formed by the deposition of an electrically conductive material, for example aluminum, its contour 18 coincides with the projection of both movable elements 4 ', 4' 'onto the first stator plate 6. The fixed electrode 9 on the second plate is similarly made eight.

В частном случае выполнения акселерометра (фиг. 4) путем травления кремния пластины 2 поверхности 5 подвижных элементов 4', 4'' выполнены с их расположением в пластине 2 на глубине d от ближайших поверхностей 19, 20 неподвижной рамки 3. Расстояние d равно зазору между неподвижным и подвижным электродами. In the particular case of the accelerometer (Fig. 4) by etching silicon wafers 2, the surfaces 5 of the movable elements 4 ', 4' 'are made with their location in the wafer 2 at a depth d from the nearest surfaces 19, 20 of the fixed frame 3. The distance d is equal to the gap between fixed and movable electrodes.

Дифференциальный емкостный датчик перемещения (фиг. 5) выполнен из неподвижного электрода 7 на первой статорной пластине 6, неподвижного электрода 9 на второй статорной пластине 8 и подвижного электрода, которым является электропроводная поверхность 5 подвижных элементов 4', 4''. The differential capacitive displacement sensor (Fig. 5) is made of a fixed electrode 7 on the first stator plate 6, a fixed electrode 9 on the second stator plate 8 and a movable electrode, which is the electrically conductive surface 5 of the movable elements 4 ', 4' '.

Неподвижный электрод 7 и электропроводная поверхность 5 образуют конденсатор C1, неподвижный электрод 9 и электропроводная поверхность 5 образуют конденсатор C2. The fixed electrode 7 and the conductive surface 5 form a capacitor C1, the stationary electrode 9 and the conductive surface 5 form a capacitor C2.

Выполнение автогенераторов дано на примере RC-генератора. The implementation of auto-generators is given by the example of an RC-generator.

Конденсатор C1 соединен последовательно с резистором R1 и включен в качестве времязадающего конденсатора в цепь первого RC-генератора 21. Конденсатор C2 соединен последовательно с резистором R2 и включен в качестве времязадающего конденсатора в цепь второго RC-генератора 22. Выходы RC-генераторов 21, 22 подключены к смесителю частот 23 с фильтром. The capacitor C1 is connected in series with the resistor R1 and is included as a timing capacitor in the circuit of the first RC generator 21. The capacitor C2 is connected in series with the resistor R2 and is included as a timing motor in the circuit of the second RC generator 22. The outputs of the RC generators 21, 22 are connected to the frequency mixer 23 with a filter.

Акселерометр работает следующим образом. При наличии ускорения a по измерительной оси акселерометра, направленной перпендикулярно поверхностям 5 подвижных элементов 4', 4'', на каждый подвижный элемент 4', 4'' действует инерционная сила F_и
F_и = ma. (2)
Под действием инерционной силы происходит перемещение каждого подвижного элемента до тех пор, пока позиционная сила F_п каждой пары упругих перемычек 15', 15'' или 16', 16'' упругого подвеса не уравновесит инерционную силу.The accelerometer works as follows. In the presence of acceleration by a measurement of the accelerometer axis directed perpendicular to the surfaces 5 of mobile elements 4 ', 4'', each movable member 4', 4 '' acting inertial force F _and
F _and = ma. (2)
Under the action of an inertial force, each movable element moves until the positional force F _{p of} each pair of elastic jumpers 15 ', 15''or16', 16 '' of the elastic suspension balances the inertial force.

Позиционная сила
F_п = ξδ, (3)
где δ - перемещение подвижного элемента.Positional strength
F _p = ξδ, (3)
where δ is the movement of the movable element.

При условии равновесия инерционной и позиционной сил
ma = ξδ. (4)
Отсюда

В дифференциальном емкостном преобразователе перемещения перемещение подвижных элементов преобразуется в изменение его емкостей. Пусть измеряемое ускорение таково, что зазор между неподвижным электродом 9 и неподвижным электродом уменьшается.Provided the balance of inertial and positional forces
ma = ξδ. (4)
From here

In a differential capacitive displacement transducer, the movement of movable elements is converted to a change in its capacities. Let the measured acceleration be such that the gap between the fixed electrode 9 and the fixed electrode decreases.

Тогда емкость C₁ конденсатора C1;

где ε - относительная диэлектрическая проницаемость среды между неподвижными электродами 7, 9 и подвижным электродом;
ε₀ - абсолютная диэлектрическая проницаемость;
S - площадь поверхности одной электропроводной поверхности обоих элементов 4'; 4''.Then the capacitance C _{1 of the} capacitor C1;

where ε is the relative dielectric constant of the medium between the

stationary electrodes

7, 9 and the movable electrode;
ε ₀ is the absolute dielectric constant;
S is the surface area of one electrically conductive surface of both elements 4 ';4''.

Емкость C₂ конденсатора C2;

Частота f₁ RC-генератора 21:

где r₁ - сопротивление резистора R1.Capacitance C _{2 of} capacitor C2;

Frequency f ₁ RC generator 21:

where r ₁ is the resistance of the resistor R1.

Частота f₂ RC-генератора 22:

где r₂ - сопротивление резистора R₂.Frequency f ₂ RC oscillator 22:

where r ₂ is the resistance of the resistor R ₂ .

На выходе смесителя частот 23 с фильтром будет разность частот Δf:
Δf = f₁-f₂ (10)
Пусть
r₁ = r₂ = r. (11)
Тогда с учетом выражений (11), (8), (9) разность частот:

После подстановки в (12) выражения (5) получается:

Таким образом, разность частот с выхода смесителя частот 23 пропорциональна измеряемому ускорению и разность частот является выходным сигналом акселерометра.At the output of the frequency mixer 23 with a filter there will be a frequency difference Δf:
Δf = f ₁ -f ₂ (10)
Let be
r ₁ = r ₂ = r. (eleven)
Then, taking into account expressions (11), (8), (9), the frequency difference:

After substituting expression (5) in (12), it turns out:

Thus, the frequency difference from the output of the frequency mixer 23 is proportional to the measured acceleration and the frequency difference is the output signal of the accelerometer.

При ускорении, направленном вдоль консолей подвижных элементов 4', 4'', вследствие того, что свободные концы консолей подвижных элементов расположены в противоположные стороны относительно друг друга, перемещение подвижных элементов 4', 4'' происходит в разные стороны, что не вызывает изменения емкостей конденсаторов C1 и C2. During acceleration directed along the consoles of the movable elements 4 ', 4' ', due to the fact that the free ends of the consoles of the movable elements are located in opposite directions relative to each other, the movement of the movable elements 4', 4 '' occurs in different directions, which does not cause a change capacitors C1 and C2.

Поэтому не изменяются частоты f₁ и f₂ RC-генераторов 21, 22 и разность частот Δf на выходе смесителя частот 23 остается неизменной.Therefore, the frequencies f ₁ and f _{2 of the} RC generators 21, 22 are not changed, and the frequency difference Δf at the output of the frequency mixer 23 remains unchanged.

Таким образом при наличии ускорения по осям, не совпадающим с измерительной осью акселерометра, выходной сигнал акселерометра остается неизменным. Thus, in the presence of acceleration along axes that do not coincide with the measuring axis of the accelerometer, the output signal of the accelerometer remains unchanged.

Чтобы акселерометр мог измерять ускорения на верхнем пределе a_в диапазона измеряемых ускорений, нужно выполнить условие:
δ ≤ d (14)
При a = a_в из выражений (5) следует:

Источники информации
1. Патент США N 3033043, НКИ 73/517. Цифровой акселерометр, 1962 г.In order for the accelerometer to measure accelerations at the upper limit a _{in the} range of measured accelerations, the following condition must be fulfilled:
δ ≤ d (14)
When a = a _in from expressions (5) it follows:

Sources of information
1. US patent N 3033043, NKI 73/517. Digital Accelerometer, 1962

2. Патент США N 2928668, НКИ 73/517. Акселерометр, 1960 г. 2. US patent N 2928668, NKI 73/517. Accelerometer, 1960

Claims

1. An accelerometer comprising a housing, two movable elements of a cantilever structure with opposite positions of the free ends of the consoles relative to each other, two transducers of inertial force into movement, each of which is associated with one of the movable elements, two frequency oscillators, a frequency mixer, characterized in that the movable elements are made in a plate of monocrystalline material, which also contains a fixed frame and connecting each movable element with a fixed frame its own elastic suspension, The first and second fixed plates, one common differential capacitive transducer of displacement of both movable elements, the surfaces of each movable element are electrically conductive, the movable electrode of the differential capacitive transducer is formed by the electrically conductive surfaces of both movable elements, one fixed electrode a differential capacitive converter is formed on the first motionless the second plate in the projection region of both movable elements on it, the second fixed electrode of the differential capacitive transducer is formed on the second fixed plate in the projection region of both movable elements on it, the fixed frame is located between the first and second fixed plates with the formation of a gap between each movable element and each fixed electrode, one part of a differential capacitive transducer with one fixed electrode and a movable electrode is included in the circuit of one autoge a frequency generator, another part of a differential capacitive converter with another fixed electrode and a movable electrode is included in the circuit of another frequency oscillator.

2. The accelerometer according to claim 1, characterized in that each movable element is made with the location of each of its surfaces in the depth of the plate of single-crystal material at a distance from the nearest surfaces of the stationary part parallel to them, which makes up the gap between the stationary and movable electrodes of the differential capacitive transducer.

3. The accelerometer according to claim 1, characterized in that silicon is used as the material of the plate from a single-crystal material.

4. The accelerometer according to claim 1, characterized in that the first and second fixed plates are made of single crystal material, for example silicon.

5. The accelerometer according to claim 1, characterized in that each frequency oscillator is made in the form of an RC generator or an LC generator.