RU2186400C1

RU2186400C1 - Sensitive element of accelerometer

Info

Publication number: RU2186400C1
Application number: RU2001105489A
Authority: RU
Inventors: В.И. Баженов; Ю.А. Минаев; А.К. Саломатин; В.М. Соловьев
Original assignee: Открытое акционерное общество "Раменское приборостроительное конструкторское бюро"
Priority date: 2001-03-01
Filing date: 2001-03-01
Publication date: 2002-07-27

Abstract

FIELD: conversion of linear acceleration in measurement equipment. SUBSTANCE: proposed sensitive element has first plate comprising two parts, immobile and mobile, joined by elastic joint and having current-conductive surfaces, differential capacitive position converter with immobile electrodes on second and third plates. First and second immobile electrodes are positioned on second plate. Third and fourth immobile electrodes are put on third plate. One part of differential capacitive position converter is formed by first and second immobile electrodes and one current-conductive surface of mobile part, its second part is formed by third and fourth immobile electrodes and second current-conductive surface of mobile part. EFFECT: enhanced functional reliability. 2 cl, 6 dwg

Description

Изобретение относится к области измерительной техники, а именно к преобразователям линейного ускорения. The invention relates to the field of measuring equipment, namely to linear acceleration converters.

Известен чувствительный элемент акселерометра, содержащий пластину с образованными в ней неподвижной и подвижной частями и датчики положения [1]. Known sensitive element of the accelerometer containing a plate with the fixed and movable parts formed in it and position sensors [1].

Наиболее близким по технической сущности является чувствительный элемент акселерометра [2] , содержащий первую пластину, в которой образованы соединенные упругим шарниром неподвижная часть и подвижная часть с электропроводными поверхностями, дифференциальный емкостный преобразователь положения с неподвижными электродами на второй и третьей пластинах. The closest in technical essence is the sensitive element of the accelerometer [2], containing the first plate, which is formed by a fixed part connected by an elastic hinge and a moving part with electrically conductive surfaces, a differential capacitive position transducer with fixed electrodes on the second and third plates.

Недостатком такого чувствительного элемента акселерометра является необходимость электрического соединения подвижной части с другими элементами акселерометра. The disadvantage of such a sensitive element of the accelerometer is the need for electrical connection of the moving part with other elements of the accelerometer.

Техническим результатом изобретения является повышение надежности чувствительного элемента акселерометра. The technical result of the invention is to increase the reliability of the sensitive element of the accelerometer.

Данный технический результат достигается в чувствительном элементе акселерометра, содержащем первую пластину, в которой образованы соединенные упругим шарниром неподвижная часть и подвижная часть с электропроводными поверхностями, дифференциальный емкостный преобразователь положения с неподвижными электродами на второй и третьей пластинах, тем, что на второй пластине выполнены первый и второй неподвижные электроды, на третьей пластине выполнены третий и четвертый неподвижные электроды, одна часть дифференциального емкостного преобразователя положения образована первым и вторым неподвижными электродами и одной электропроводной поверхностью подвижной части, другая часть дифференциального емкостного преобразователя положения образована третьим и четвертым неподвижными электродами и второй электропроводной поверхностью подвижной части, один из неподвижных электродов второй пластины и один из неподвижных электродов третьей пластины предназначены для подвода электрического сигнала от источника переменного тока, а остальные два неподвижных электрода предназначены для снятия выходного сигнала, являющегося мерой ускорения. This technical result is achieved in the sensitive element of the accelerometer containing the first plate, in which the fixed part and the movable part are connected by an elastic joint with electrically conductive surfaces, a differential capacitive position transducer with fixed electrodes on the second and third plates, in that the first and the second fixed electrodes; on the third plate, the third and fourth fixed electrodes, one part of the differential capacitive pre the position transmitter is formed by the first and second stationary electrodes and one electrically conductive surface of the movable part, the other part of the differential capacitive position transducer is formed by the third and fourth stationary electrodes and the second electrically conductive surface of the movable part, one of the stationary electrodes of the second plate and one of the stationary electrodes of the third plate are for supply electrical signal from an alternating current source, and the other two fixed electrodes are used to record the output signal, which is a measure of acceleration.

В одном частном случае исполнения чувствительного элемента акселерометра первая пластина выполнена из монокристаллического материала, например, кремния. In one particular case of the execution of the sensitive element of the accelerometer, the first plate is made of a single-crystal material, for example, silicon.

В другом частном случае исполнения чувствительного элемента акселерометра первый, второй, третий и четвертый неподвижные электроды выполнены равными по площади. In another particular case of the execution of the sensitive element of the accelerometer, the first, second, third and fourth stationary electrodes are made equal in area.

Путем выполнения первого и второго неподвижных электродов дифференциального емкостного преобразователя положения на второй пластине, третьего и четвертого неподвижных электродов на третьей пластине, образования одной части дифференциального преобразователя положения в составе первого и второго неподвижных электродов и одной электропроводной поверхности подвижной части, второй части дифференциального емкостного преобразователя положения в составе третьего и четвертого неподвижных электродов и второй электропроводной поверхности подвижной части обеспечивается выполнение дифференциального емкостного преобразователя положения без электрического соединения подвижной части с элементами акселерометра. В результате повышается надежность чувствительного элемента акселерометра, так как не нарушается его функционирование при потере электрического контакта подвижной части с элементами акселерометра. By making the first and second fixed electrodes of the differential capacitive position transmitter on the second plate, the third and fourth stationary electrodes on the third plate, forming one part of the differential position transmitter as part of the first and second fixed electrodes and one electrically conductive surface of the moving part, the second part of the differential capacitive position transmitter consisting of the third and fourth stationary electrodes and the second conductive surface These moving parts ensure the implementation of a differential capacitive position transducer without electrical connection of the moving part with the elements of the accelerometer. As a result, the reliability of the sensitive element of the accelerometer is increased, since its functioning is not disturbed when the electrical contact of the moving part with the elements of the accelerometer is lost.

На фиг. 1 представлен общий вид чувствительного элемента акселерометра, на фиг. 2 - вид первой пластины, на фиг.3 - вид второй пластины, на фиг.4 - вид третьей пластины, на фиг.5 - вариант выполнения третьей пластины, на фиг.6 - электрическая схема чувствительного элемента. In FIG. 1 is a perspective view of a sensor element of an accelerometer; FIG. 2 is a view of a first plate, FIG. 3 is a view of a second plate, FIG. 4 is a view of a third plate, FIG. 5 is an embodiment of a third plate, and FIG. 6 is an electrical diagram of a sensing element.

В чувствительном элементе акселерометра (фиг.1) в первой пластине 1 выполнены неподвижная часть 2, подвижная часть 3 и соединяющий их упругий шарнир 4. Посредством служащей для образования зазора d прокладки 5 на первую пластину 1 установлена вторая пластина 6 с первым неподвижным электродом 7 и вторым неподвижным электродом 8 дифференциального емкостного преобразователя положения. Посредством служащей для образования зазора d прокладки 9 на первую пластину 1 установлена третья пластина 10 с третьим неподвижным электродом 11 и четвертым неподвижным электродом 12 дифференциального емкостного преобразователя положения. In the sensing element of the accelerometer (Fig. 1), in the first plate 1, a fixed part 2, a movable part 3, and an elastic joint 4 connecting them are formed. By means of the spacer 5, which serves to form a gap d, a second plate 6 is installed on the first plate 1 with the first stationary electrode 7 and the second fixed electrode 8 of the differential capacitive position transducer. By serving to create a clearance d of the gasket 9, a third plate 10 is installed on the first plate 1 with a third fixed electrode 11 and a fourth fixed electrode 12 of the differential capacitive position transducer.

В случае выполнения первой пластины 1 из электропроводного материала ее поверхности 13, 14 являются электропроводными. If the first plate 1 is made of an electrically conductive material, its surfaces 13, 14 are electrically conductive.

В случае выполнения первой пластины 1 из монокристаллического кремния поверхности 13, 14 выполняются электропроводными путем легирования кремния бором. In the case of the first plate 1 made of single-crystal silicon, the surfaces 13, 14 are electrically conductive by doping silicon with boron.

Упругий шарнир 4 в первой пластине 1 (фиг.2) образован упругими перемычками 15', 15", соединяющими неподвижную часть 2 с подвижной частью 3 и расположенными симметрично относительно оси 16-16 чувствительного элемента акселерометра. Ось 17-17 упругого шарнира расположена перпендикулярно оси 16-16. The elastic hinge 4 in the first plate 1 (figure 2) is formed by elastic bridges 15 ', 15 "connecting the fixed part 2 with the movable part 3 and located symmetrically with respect to the axis 16-16 of the accelerometer sensing element. The axis 17-17 of the elastic hinge is perpendicular to the axis 16-16.

На второй пластине 6 (фиг.3) первый 7 и второй 8 неподвижные электроды дифференциального емкостного преобразователя положения расположены симметрично относительно оси 18-18, параллельной оси 17-17 упругого шарнира. On the second plate 6 (FIG. 3), the first 7 and second 8 fixed electrodes of the differential capacitive position transducer are located symmetrically with respect to the axis 18-18 parallel to the axis 17-17 of the elastic joint.

На третьей пластине 10 (фиг.4) третий 11 и четвертый 12 неподвижные электроды дифференциального емкостного преобразователя положения расположены симметрично относительно оси 18-18, параллельной оси 17-17 упругого шарнира. On the third plate 10 (Fig. 4), the third 11 and fourth 12 fixed electrodes of the differential capacitive position transducer are located symmetrically with respect to the axis 18-18 parallel to the axis 17-17 of the elastic joint.

Первый 7, второй 8, третий 11 и четвертый 12 неподвижные электроды могут быть выполнены в виде напыленного слоя металла, например, меди, на поверхности второй пластины 6 и третьей пластины 10 из электроизоляционного материала. The first 7, second 8, third 11 and fourth 12 fixed electrodes can be made in the form of a sprayed layer of metal, for example, copper, on the surface of the second plate 6 and the third plate 10 of electrical insulating material.

Неподвижные электроды дифференциального емкостного преобразователи могут быть выполнены, например, так, что первый 11 и второй 12 неподвижные электроды на второй пластине 6 расположены симметрично относительно оси 16-16, перпендикулярной оси 17-17 упругого шарнира (фиг.5). The fixed electrodes of the differential capacitive transducers can be made, for example, so that the first 11 and second 12 fixed electrodes on the second plate 6 are symmetrical about the axis 16-16, perpendicular to the axis 17-17 of the elastic joint (figure 5).

Первый 7, второй 8, третий 11 и четвертый 12 неподвижные электроды могут быть выполнены равными по площади. The first 7, second 8, third 11 and fourth 12 stationary electrodes can be made equal in area.

В чувствительном элементе акселерометра (фиг.6) конденсатор С1 дифференциального емкостного преобразователя образован первым неподвижным электродом 7, вторым неподвижным электродом 8 и одной из электропроводных поверхностей 13, 14 подвижной части 3 между первым неподвижным электродом 7 и вторым неподвижным электродом 8. Конденсатор С2 образован третьим неподвижным электродом 11, четвертым неподвижным электродом 12 и одной из электропроводных поверхностей 13, 14 подвижной части 3 между третьим неподвижным электродом 11 и четвертым неподвижным электродом 12. In the accelerometer sensing element (Fig. 6), the capacitor C1 of the differential capacitive transducer is formed by the first fixed electrode 7, the second fixed electrode 8 and one of the electrically conductive surfaces 13, 14 of the movable part 3 between the first fixed electrode 7 and the second fixed electrode 8. The capacitor C2 is formed by the third the stationary electrode 11, the fourth stationary electrode 12 and one of the electrically conductive surfaces 13, 14 of the movable part 3 between the third stationary electrode 11 and the fourth stationary e ektrodom 12.

При включении дифференциального емкостного преобразователя в мостовую схему с резисторами R1, R2, например, первый неподвижный электрод 7 подключен к одному выводу источника переменного тока U_n, третий неподвижный электрод 11 подключен к второму выводу источника питания переменного тока, а второй неподвижный электрод 8 и четвертый неподвижный электрод 12 соединены вместе, и с них снимается выходной сигнал U_а.When a differential capacitive converter is connected to a bridge circuit with resistors R1, R2, for example, the first stationary electrode 7 is connected to one terminal of the AC power source U _n , the third stationary electrode 11 is connected to the second terminal of the AC power source, and the second stationary electrode 8 and the fourth fixed electrode 12 are connected together and are removed from the output signal U _a.

Чувствительный элемент акселерометра работает следующим образом. При наличии ускорения под действием инерционной силы происходит угловое перемещение подвижной части 3 (фиг.1). Пусть ускорение направлено так, что при угловом перемещении подвижной части 3 электропроводная поверхность 13 подвижной части 3 приближается к второй пластине 6, а электропроводная поверхность 14 отдаляется от третьей пластины 10. Тогда емкость конденсатора С1 (фиг.6) увеличивается, а емкость конденсатора С2 уменьшается. При величине емкости конденсатора С1, большей емкости конденсатора С2, между точкой соединения резистора R1 с резистором R2 и точкой соединения второго неподвижного электрода 8 с четвертым неподвижным электродом 12 появляется выходной сигнал мостовой схемы U_a≠0, являющийся мерой ускорения. Выходной сигнал мостовой схемы U_а может использоваться также в схеме обработки сигнала акселерометра для компенсации инерционной силы.The sensitive element of the accelerometer works as follows. In the presence of acceleration under the influence of inertial forces, the angular displacement of the movable part 3 occurs (Fig. 1). Let the acceleration be directed so that when the movable part 3 is angled, the electrically conductive surface 13 of the movable part 3 approaches the second plate 6, and the electrically conductive surface 14 moves away from the third plate 10. Then the capacitor C1 (Fig. 6) increases and the capacitor C2 decreases . When the capacitance of capacitor C1 is larger than the capacitance of C2, between the connection point of resistor R1 with resistor R2 and the connection point of the second fixed electrode 8 and the fourth fixed electrode 12, the output signal of the bridge circuit U _a ≠ 0 appears, which is a measure of acceleration. The output signal of the bridge circuit U _a can also be used in the signal processing circuit of the accelerometer to compensate for the inertial force.

Источники информации
1. Патент ФРГ 3740688, кл. G 01 Р 15/12. Микромеханический датчик ускорения с высокой избирательностью по осям. 1987 г.Sources of information
1. The patent of Germany 3740688, cl. G 01 P 15/12. Micromechanical acceleration sensor with high axial selectivity. 1987 year

2. Патент РФ 2147751, МПК⁷ G 01 P 15/125. Чувствительный элемент устройства для измерения ускорения. 2000 г.2. RF patent 2147751, IPC ⁷ G 01 P 15/125. The sensitive element of the device for measuring acceleration. 2000 year

Claims

1. The sensitive element of the accelerometer, containing the first plate, which is formed by a fixed part connected by an elastic hinge and a moving part with electrically conductive surfaces, a differential capacitive transducer with fixed electrodes on the second and third plates, characterized in that the first and second fixed electrodes are made on the second plate , the third and fourth fixed electrodes are made on the third plate, one part of the differential capacitive position transducer is formed by the first m and the second fixed electrodes and one conductive surface of the moving part, the other part of the differential capacitive position transducer is formed by the third and fourth fixed electrodes and the second conductive surface of the moving part, one of the fixed electrodes of the second plate and one of the fixed electrodes of the third plate are used to supply an electrical signal from AC source, and the remaining two stationary electrodes are designed to remove the output signal, measuring acceleration.

2. The sensitive element of the accelerometer according to claim 1, characterized in that the first plate is made of a single crystal material, for example silicon.

3. The sensitive element of the accelerometer according to claim 1, characterized in that the first, second, third and fourth stationary electrodes are made equal in area.