RU22331U1 - MICROMECHANICAL ACCELEROMETER - Google Patents

MICROMECHANICAL ACCELEROMETER

Info

Publication number
RU22331U1
RU22331U1 RU2001121848/20U RU2001121848U RU22331U1 RU 22331 U1 RU22331 U1 RU 22331U1 RU 2001121848/20 U RU2001121848/20 U RU 2001121848/20U RU 2001121848 U RU2001121848 U RU 2001121848U RU 22331 U1 RU22331 U1 RU 22331U1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
inertial mass
sensor
electrostatic
elastic
angle sensor
Prior art date
Application number
RU2001121848/20U
Other languages
Russian (ru)
Inventor
В.А. Бурцев
П.Б. Дергачев
А.М. Лестев
И.В. Попова
А.А. Семенов
Original Assignee
Акционерное общество закрытого типа "ГИРООПТИКА"
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Акционерное общество закрытого типа "ГИРООПТИКА" filed Critical Акционерное общество закрытого типа "ГИРООПТИКА"
Priority to RU2001121848/20U priority Critical patent/RU22331U1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU22331U1 publication Critical patent/RU22331U1/en

Links

Landscapes

  • Pressure Sensors (AREA)

Abstract

1. Микромеханический акселерометр, содержащий корпус, выполненный в виде платы из диэлектрического материала с напыленными на ней неподвижными электродами емкостного датчика угла и электростатического датчика момента, инерционную массу, выполненную в виде кремниевой пластины, подвешенной с зазором на плате в виде маятника на упругих перемычках с опорными элементами, которые образуют упругий подвес с осью подвеса, лежащей в плоскости инерционной массы, электронную схему обработки сигналов, отличающийся тем, что неподвижные электроды емкостного датчика угла и электростатического датчика момента выполнены единым элементом.2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что инерционная масса, упругие перемычки и опорные элементы выполнены единым элементом методом анизотропного травления кремния.3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что кремниевая пластина выполнена в форме прямоугольника, на поверхности которого равномерно распределены сквозные отверстия, выполненные в форме прямоугольника, размеры диагонали которого не меньше удвоенной величины начального зазора между инерционной массой и неподвижными электродами емкостного датчика угла и электростатического датчика момента.1. A micromechanical accelerometer containing a housing made in the form of a board made of dielectric material with the stationary electrodes of a capacitive angle sensor and an electrostatic moment sensor deposited on it, an inertial mass made in the form of a silicon plate suspended with a gap on the board in the form of a pendulum on elastic jumpers with supporting elements that form an elastic suspension with a suspension axis lying in the plane of inertial mass, an electronic signal processing circuit, characterized in that the stationary electrodes e Bone angle sensor and the electrostatic torque sensor elementom.2 made uniform. The device according to claim 1, characterized in that the inertial mass, elastic jumpers and supporting elements are made as a single element by anisotropic etching of silicon. The device according to claim 1, characterized in that the silicon wafer is made in the form of a rectangle, on the surface of which through holes are evenly distributed, made in the form of a rectangle, the diagonal of which is not less than twice the initial gap between the inertial mass and the stationary electrodes of the capacitive angle sensor and electrostatic torque sensor.

Description

МИКРОМЕХАНИЧЕСКИЙ АКСЕЛЕРОМЕТРMICROMECHANICAL ACCELEROMETER

Изобретение относится к измерительной технике, в частности, к области приборостроения и может найти применение в инерциальных системах подвижных объектов, в автопилотах авиа и судомоделей, в системах безопасности транспортных средств.The invention relates to measuring equipment, in particular, to the field of instrumentation and may find application in inertial systems of moving objects, in autopilots of aircraft and ship models, in vehicle safety systems.

Особенностью микромеханических акселерометров является преимущественное изготовление чувствительных элементов этих устройств из материалов на основе кремниевой технологии, что определяет: малые габариты и вес акселерометра, возможность применения групповой технологии изготовления и, следовательно, дешевизну изготовления при массовом производстве, высокую надежность в эксплуатации.A feature of micromechanical accelerometers is the predominant manufacture of sensitive elements of these devices from materials based on silicon technology, which determines: small dimensions and weight of the accelerometer, the possibility of using group manufacturing technology and, therefore, the cheapness of manufacturing in mass production, high reliability in operation.

Известно техническое решение А.с. 1811612 А3,кл. GO1P 15/12, Бюл. №15, 23.04.93г. Электростатический акселерометр /Малкин Ю.М., Папко А.А., Калганов В.Н., Любезнов А.Н., Вяткин С.Н., в котором акселерометр содержит корпус, выполненный в виде двух плат из диэлектрического материала с напыленными на них неподвижными электродами емкостного датчика угла и электростатического датчика момента, инерционнзто массу, вьшолненную в виде прямоугольной кремниевой пластины и подвешенную с зазором между двух плат в виде маятника на упругих перемычках, которые образуют упругий подвес, электронную схему обработки сигналов.Known technical solution 1811612 A3, cl. GO1P 15/12, Bull. No. 15, 04/23/93. Electrostatic accelerometer / Malkin Yu.M., Papko A.A., Kalganov V.N., Lyubeznov A.N., Vyatkin S.N., in which the accelerometer contains a housing made in the form of two boards of dielectric material sprayed onto of them with fixed electrodes of a capacitive angle sensor and an electrostatic moment sensor, inertial mass made in the form of a rectangular silicon wafer and suspended with a gap between two boards in the form of a pendulum on elastic jumpers that form an elastic suspension, an electronic signal processing circuit.

Недостатком этого решения является сложность конструкции и сложная технология изготовления.The disadvantage of this solution is the complexity of the design and complex manufacturing technology.

Известно техническое решение Micro-electromechanical instrument and systems development at Draper Laboratory / Harbour N., Connely J., Gilmore J., Greiff P., Kourepenis A., Weinberg M. // 3-nd St. Petersburg International conf. on gyroscopic technology and navigation. May 1996, p. 3-10., наиболее сходное с предложенным изобретением, в котором маятниковый микромеханический акселерометр содержит корпус, вьшолненный в виде платы из диэлектрического материала с напыленным на ней неподвижными электродами емкостного датчика угла и электростатического датчика момента, инерционную массу, вьшолненную в виде кремниевой пластины, подвешенной с зазором на плате в виде маятника на упругих перемычках с опорными элементами, которые образуют упругий подвес с осью подвеса, лежащей в плоскости инерционной массы, электронную схему обработки сигналов.Known technical solution Micro-electromechanical instrument and systems development at Draper Laboratory / Harbor N., Connely J., Gilmore J., Greiff P., Kourepenis A., Weinberg M. // 3-nd St. Petersburg International conf. on gyroscopic technology and navigation. May 1996, p. 3-10., Most similar to the proposed invention, in which the pendulum micromechanical accelerometer contains a housing made in the form of a board made of a dielectric material with the fixed electrodes deposited on it by a capacitive angle sensor and an electrostatic moment sensor, an inertial mass filled in the form of a silicon plate suspended with a gap on the board in the form of a pendulum on elastic jumpers with supporting elements that form an elastic suspension with a suspension axis lying in the plane of inertial mass, electronic circuits signal processing.

5 i 15/08 5 i 15/08

Недостатком этого микромеханического акселерометра является сложная технология его изготовления, а также невысокая точность, обусловленная раздельным выполнением неподвижных электродов емкостного датчика угла и электростатического датчика момента. Кроме того, акселерометр имеет недостаточно широкий диапазон измерений.The disadvantage of this micromechanical accelerometer is its complicated manufacturing technology, as well as its low accuracy, due to the separate implementation of the fixed electrodes of the capacitive angle sensor and electrostatic torque sensor. In addition, the accelerometer has an insufficiently wide range of measurements.

Задачей настоящего изобретения является разработка микромеханического акселерометра, позволяющего упростить технологию изготовления, повысить точность и расширить диапазон измерений.The objective of the present invention is to develop a micromechanical accelerometer, which allows to simplify manufacturing technology, improve accuracy and expand the measurement range.

Технический результат получен за счет того, что в микромеханическом акселерометре, содержащем корпус, вьшолненный в виде платы из диэлектрического материала с напыленными на ней неподвижными электродами емкостного датчика угла и электростатического датчика момента, инерционную массу, выполненную в виде кремниевой пластины, подвешенной с зазором на плате в виде маятника на упругих перемычках с опорными элементами, которые образуют упругий подвес с осью подвеса, лежащей в плоскости инерционной массы, электронную схему обработки сигналов, неподвижные электроды емкостного датчика угла и электростатического датчика момента выполнены единым элементом. Инерционная масса, упругие перемычки и опорные элементы могут быть выполнены единым элементом методом анизотропного травления кремния. Кремниевая пластина может быть выполнена в форме прямоугольника, на поверхности которого равномерно распределены сквозные отверстия, выполненные в форме прямоугольника, размеры диагонали которого не меньше удвоенной величины начального зазора между инерционной массой и неподвижными электродами емкостного датчика угла и электростатического датчика момента.The technical result was obtained due to the fact that the inertial mass made in the form of a silicon wafer suspended with a gap on the board in a micromechanical accelerometer containing a housing made in the form of a board made of dielectric material with the fixed electrodes of a capacitive angle sensor and an electrostatic torque sensor sprayed on it in the form of a pendulum on elastic bridges with supporting elements that form an elastic suspension with a suspension axis lying in the plane of the inertial mass, an electronic signal processing circuit in, fixed electrodes of the capacitive sensor angle and torque sensor formed electrostatic single element. The inertial mass, elastic bridges and supporting elements can be performed as a single element by the method of anisotropic etching of silicon. The silicon wafer can be made in the form of a rectangle, on the surface of which through holes are evenly distributed, made in the form of a rectangle, the diagonal of which is not less than twice the initial gap between the inertial mass and the stationary electrodes of the capacitive angle sensor and electrostatic torque sensor.

При выполнении неподвижных электродов емкостного датчика момента единым элементом достигается упрощение технологии изготовления микромеханического акселерометра.When performing fixed electrodes of a capacitive moment sensor as a single element, a simplification of the manufacturing technology of a micromechanical accelerometer is achieved.

Выполнение инерционной массы, упругих перемычек и опорных элементов единым элементом методом анизотропного травления кремния также упрощают технологию изготовления микромеханического акселерометра.The implementation of the inertial mass, elastic jumpers and supporting elements as a single element by the method of anisotropic etching of silicon also simplify the manufacturing technology of the micromechanical accelerometer.

Сквозные отверстия, предусмотренные в прямоугольной кремниевой пластине, обеспечивают сокращение времени травления избыточного кремния, а также уменьшают расход травителя, что в конечном итоге упрощает технологию изготовления устройства.The through holes provided in the rectangular silicon wafer reduce the etching time of excess silicon and also reduce the consumption of the etchant, which ultimately simplifies the manufacturing technology of the device.

При исполнении микромеханического акселерометра, у которого неподвижные электроды емкостного датчика угла и электростатического датчика момента выполнены единым элементом, повышается точность измерения ускорения и расширяется диапазон измерений, т.к. увеличивается площадь неподвижных электродов. Неподвижные электроды емкостного датчика угла и электростатического датчика момента напыляются на плату из диэлектрического материала и образуют металлизированные поверхности, которые одновременно вьшолняют роль неподвижных электродов и емкостного датчика угла и электростатического датчика момента.When performing a micromechanical accelerometer, in which the fixed electrodes of the capacitive angle sensor and the electrostatic moment sensor are made by a single element, the accuracy of acceleration measurement is increased and the measurement range is expanded, because the area of fixed electrodes increases. The fixed electrodes of a capacitive angle sensor and an electrostatic moment sensor are sprayed onto a board of dielectric material and form metallized surfaces that simultaneously play the role of stationary electrodes and a capacitive angle sensor and an electrostatic moment sensor.

Перечень фигур чертежей:The list of drawings:

фиг. 1 - конструктивная схема микромеханического акселерометра;FIG. 1 is a structural diagram of a micromechanical accelerometer;

фиг. 2 - инерционная масса с упругими перемычками и опорными элементами;FIG. 2 - inertial mass with elastic jumpers and supporting elements;

фиг. 3 - электронная схема обработки сигналов.FIG. 3 is an electronic signal processing circuit.

На фиг. 1 представлена конструктивная схема акселерометра;In FIG. 1 shows a structural diagram of an accelerometer;

на фиг. 2 - инерционная масса с упругими перемычками и опорными элементами;in FIG. 2 - inertial mass with elastic jumpers and supporting elements;

на фиг. 3 - электронная схема обработки сигналов.in FIG. 3 is an electronic signal processing circuit.

Микромеханический акселерометр (фиг. 1) содержит корпус 1, выполненный в виде платы из диэлектрического материала. В корпусе 1 размещена инерционная масса 2, выполненная в виде прямоугольной кремниевой пластины, которая подвешена в виде маятника на упругих перемычках 3 с зазором 4 относительно корпуса 1. На корпусе 1 напылены неподвижные электроды 5 емкостного датчика угла и электростатического датчика момента. Упругие перемычки 3 одними концами жестко прикреплены к опорным элементам 6, закрепленным на корпусе 1, а вторыми - к инерционной массе 2 (фиг. 2). Инерционная масса 2 выполнена в виде прямоугольной кремниевой пластины, на поверхности которой равномерно распределены сквозные отверстия 7 прямоугольной формы (фиг. 2).The micromechanical accelerometer (Fig. 1) comprises a housing 1 made in the form of a board made of dielectric material. The inertial mass 2 is placed in the housing 1, made in the form of a rectangular silicon wafer, which is suspended in the form of a pendulum on the elastic jumpers 3 with a gap 4 relative to the housing 1. The stationary electrodes 5 of the capacitive angle sensor and the electrostatic torque sensor are sprayed on the housing 1. Elastic jumpers 3 at one end are rigidly attached to supporting elements 6, mounted on the housing 1, and the second to the inertial mass 2 (Fig. 2). The inertial mass 2 is made in the form of a rectangular silicon wafer, on the surface of which through holes 7 of a rectangular shape are evenly distributed (Fig. 2).

Плоскость инерционной массы 2 (плоскость, содержащая оси Y-Y, Z-Z) является базовой, а упругие перемычки 3 образуют ось подвеса Z-Z инерционной массы 2. Упругие перемычки 3 обеспечивают возможность угловых перемещений инерционной массы 2 вокрзт оси подвеса Z-Z. Маятниковый эффект достигается за счет того, что центр масс инерционной массы 2 не совпадает с осью подвеса Z-Z. Ось чувствительности Х-Х располагается перпендикулярно базовой плоскости инерционной массы.The plane of inertial mass 2 (the plane containing the Y-Y, Z-Z axes) is basic, and the elastic bridges 3 form the axis of suspension Z-Z of the inertial mass 2. The elastic bridges 3 provide the possibility of angular movements of the inertial mass 2 of the axis of the suspension Z-Z. The pendulum effect is achieved due to the fact that the center of mass of the inertial mass 2 does not coincide with the suspension axis Z-Z. The sensitivity axis XX is located perpendicular to the base plane of the inertial mass.

Электронная схема обработки сигналов (фиг. 3) содержит задающий генератор 8, неподвижные электроды 5 емкостного датчика угла и электростатического датчика момента, усилитель 9, демодулятор 10, инвертор 11. Роль подвижных электродов емкостного датчика угла и электростатического датчика момента вьшолняет инерционная масса 2 из кремния.The electronic signal processing circuit (Fig. 3) contains a master oscillator 8, fixed electrodes 5 of a capacitive angle sensor and an electrostatic torque sensor, an amplifier 9, a demodulator 10, an inverter 11. The role of the movable electrodes of a capacitive angle sensor and an electrostatic torque sensor is played by an inertial mass 2 of silicon .

Предложенное устройство работает следующим образом. Напряжение от задающего генератора подается в противофазе на неподвижные электроды 5. При действии ускорения в направлении оси чувствительности Х-Х инерционная масса 2 отклоняется от своего исходного состояния. При этом изменяются емкости С1 и С2 дифференциального конденсатора, образованного неподвижными электродами 5 и инерционным элементом 2. Сигнал отклонения снимается с инерционного элемента 2 и подается через конденсатор СЗ на усилитель 9, а затем на демодулятор 10. Па инерционный элемент 2 подается постоянное смещение UQ для обеспечения работы электростатического датчика момента. Напряжение выхода демодулятора 10 подается через резистор R на один неподвижный электрод 5 непосредственно, а на другой через инвертор 11. Взаимодействие этого напряжения с постоянным напряжением смещения UQ приводит к возникновению электростатического момента, стремящегося возвратить инерционную массу 2 в исходное состояние. В установившемся состоянии сила инерции, действующая на инерционную массу 2, уравновешивается электростатическими силами датчика момента. Напряжение на выходе демодулятора 10 является выходным сигналом акселерометра.The proposed device operates as follows. The voltage from the master oscillator is supplied in antiphase to the stationary electrodes 5. Under the action of acceleration in the direction of the sensitivity axis X-X, the inertial mass 2 deviates from its initial state. In this case, the capacitances C1 and C2 of the differential capacitor formed by the stationary electrodes 5 and the inertial element 2 change. The deviation signal is removed from the inertial element 2 and fed through the capacitor C3 to the amplifier 9, and then to the demodulator 10. The inertial element 2 is supplied with a constant bias UQ for ensure the operation of the electrostatic torque sensor. The output voltage of the demodulator 10 is supplied through the resistor R directly to one stationary electrode 5, and to the other through the inverter 11. The interaction of this voltage with a constant bias voltage UQ leads to the appearance of an electrostatic moment, which tends to return the inertial mass 2 to its original state. In the steady state, the inertia force acting on the inertial mass 2 is balanced by the electrostatic forces of the torque sensor. The voltage at the output of the demodulator 10 is the output signal of the accelerometer.

Таким образом, заявленный микромеханический акселерометр позволяет упростить технологию изготовления, повысить точность и расширить диапазон измерений.Thus, the claimed micromechanical accelerometer allows to simplify manufacturing technology, increase accuracy and expand the measurement range.

Claims (3)

1. Микромеханический акселерометр, содержащий корпус, выполненный в виде платы из диэлектрического материала с напыленными на ней неподвижными электродами емкостного датчика угла и электростатического датчика момента, инерционную массу, выполненную в виде кремниевой пластины, подвешенной с зазором на плате в виде маятника на упругих перемычках с опорными элементами, которые образуют упругий подвес с осью подвеса, лежащей в плоскости инерционной массы, электронную схему обработки сигналов, отличающийся тем, что неподвижные электроды емкостного датчика угла и электростатического датчика момента выполнены единым элементом.1. A micromechanical accelerometer containing a housing made in the form of a board made of dielectric material with the stationary electrodes of a capacitive angle sensor and an electrostatic moment sensor deposited on it, an inertial mass made in the form of a silicon plate suspended with a gap on the board in the form of a pendulum on elastic jumpers with supporting elements that form an elastic suspension with a suspension axis lying in the plane of inertial mass, an electronic signal processing circuit, characterized in that the stationary electrodes e Bone sensor angle and torque sensor formed electrostatic single element. 2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что инерционная масса, упругие перемычки и опорные элементы выполнены единым элементом методом анизотропного травления кремния. 2. The device according to claim 1, characterized in that the inertial mass, elastic jumpers and supporting elements are made as a single element by anisotropic etching of silicon. 3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что кремниевая пластина выполнена в форме прямоугольника, на поверхности которого равномерно распределены сквозные отверстия, выполненные в форме прямоугольника, размеры диагонали которого не меньше удвоенной величины начального зазора между инерционной массой и неподвижными электродами емкостного датчика угла и электростатического датчика момента.
Figure 00000001
3. The device according to claim 1, characterized in that the silicon wafer is made in the form of a rectangle, on the surface of which through holes are evenly distributed, made in the form of a rectangle, the diagonal of which is not less than twice the initial gap between the inertial mass and the fixed electrodes of the capacitive angle sensor and electrostatic torque sensor.
Figure 00000001
RU2001121848/20U 2001-07-30 2001-07-30 MICROMECHANICAL ACCELEROMETER RU22331U1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2001121848/20U RU22331U1 (en) 2001-07-30 2001-07-30 MICROMECHANICAL ACCELEROMETER

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2001121848/20U RU22331U1 (en) 2001-07-30 2001-07-30 MICROMECHANICAL ACCELEROMETER

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU22331U1 true RU22331U1 (en) 2002-03-20

Family

ID=48283531

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2001121848/20U RU22331U1 (en) 2001-07-30 2001-07-30 MICROMECHANICAL ACCELEROMETER

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU22331U1 (en)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2489722C1 (en) * 2011-12-27 2013-08-10 Открытое акционерное общество Арзамасское научно-производственное предприятие "ТЕМП-АВИА" (ОАО АНПП "ТЕМП-АВИА") Sensitive element of angular accelerometre
RU2515378C1 (en) * 2012-11-20 2014-05-10 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Национальный исследовательский университет "МИЭТ" (МИЭТ) Micromechanical accelerometer

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2489722C1 (en) * 2011-12-27 2013-08-10 Открытое акционерное общество Арзамасское научно-производственное предприятие "ТЕМП-АВИА" (ОАО АНПП "ТЕМП-АВИА") Sensitive element of angular accelerometre
RU2515378C1 (en) * 2012-11-20 2014-05-10 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Национальный исследовательский университет "МИЭТ" (МИЭТ) Micromechanical accelerometer

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN108020687B (en) MEMS accelerometer
US6910379B2 (en) Out-of-plane compensation suspension for an accelerometer
US6089088A (en) Vibrating microgyrometer
WO2004097431A2 (en) Six degree-of-freedom micro-machined multi-sensor
ITTO20080981A1 (en) MICROELETTROMECHANICAL GYROSCOPE WITH IMPROVED REJECTION OF ACCELERATION DISORDERS
JPH04252961A (en) Angular acceleration sensor
KR20050086918A (en) Methods and systems for decelarating proof mass movements within mems structures
KR20010077832A (en) vibrating micromachined gyroscope
CN208314017U (en) A kind of mems accelerometer
RU22331U1 (en) MICROMECHANICAL ACCELEROMETER
Mayer et al. Modeling and experimental analysis of low-cost MEMS gyroscopes under PCB bending stress
Han et al. A triaxial accelerometer based on differential resonant beams and force-balanced capacitive plates
US6769304B2 (en) Reduced start time for MEMS gyroscope
JP2003248016A (en) Capacitance-type accelerometer
JP2005519296A (en) Noise source for starting MEMS gyroscope
KR100464309B1 (en) Micro-accelerometer for detecting acceleration and manufacturing method thereof
RU55148U1 (en) MICROMECHANICAL AXIAL ACCELEROMETER
Kourepenis et al. Low cost MEMS inertial measurement unit
RU187949U1 (en) SENSITIVE ELEMENT OF MEMS-ACCELEROMETER WITH MEASURABLE RANGE OF ACCELERATION OF LARGE AMPLITUDE
RU56645U1 (en) MICROMECHANICAL ACCELEROMETER
RU30999U1 (en) Micromechanical accelerometer
KR100408507B1 (en) An electrostatically tuning fork microgygroscope
Tocchio et al. Electro-mechanical chopping & modulation of acceleration: The geometry-modulated accelerometer
CN110998232A (en) Single-shaft and double-shaft rotating speed sensor
RU2251702C1 (en) Micromechanical accelerometer