RU2431850C1 - Accelerometre integral sensitive element - Google Patents
Accelerometre integral sensitive element Download PDFInfo
- Publication number
- RU2431850C1 RU2431850C1 RU2010101200/28A RU2010101200A RU2431850C1 RU 2431850 C1 RU2431850 C1 RU 2431850C1 RU 2010101200/28 A RU2010101200/28 A RU 2010101200/28A RU 2010101200 A RU2010101200 A RU 2010101200A RU 2431850 C1 RU2431850 C1 RU 2431850C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- winding
- pendulum
- movable
- turns
- stationary
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Pressure Sensors (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к измерительной технике и может применяться в интегральных акселерометрах и микрогироскопах с силовой компенсацией.The invention relates to measuring equipment and can be used in integrated accelerometers and microgyroscopes with power compensation.
Известен чувствительный элемент акселерометра [1] и датчик момента. Недостатком его является сложность изготовления, поскольку датчик момента требует применения сердечника из магнитомягкой стали. Кроме того, устройство имеет большие массогабаритные размеры, в основном на порядок превышающие размеры интегральных акселерометров.A known sensitive element of the accelerometer [1] and a torque sensor. Its disadvantage is the complexity of manufacturing, since the torque sensor requires the use of a core made of soft magnetic steel. In addition, the device has large overall dimensions, mainly an order of magnitude greater than the dimensions of integrated accelerometers.
Известен также интегральный чувствительный элемент акселерометра [2], содержащий чувствительный к ускорениям маятник, выполненный в кремниевой пластине и соединенный с ней упругими подвесами, и электромагнитную систему силовой отработки. Устройство является сложным и неточным, поскольку в микроисполнении совмещает датчик момента и датчик угла.Also known is the integral sensitive element of the accelerometer [2], containing an acceleration-sensitive pendulum made in a silicon wafer and connected to it by elastic suspensions, and an electromagnetic power-working system. The device is complex and inaccurate, because in micro-execution it combines a torque sensor and an angle sensor.
Наиболее близким к заявляемому изобретению является интегральный чувствительный элемент компенсационного акселерометра [3], содержащий чувствительный к ускорениям маятник, выполненный в кремниевой пластине и соединенный с ней упругими подвесами, электромагнитную систему отработки воздействия ускорений.Closest to the claimed invention is an integrated sensing element of a compensation accelerometer [3], containing an acceleration-sensitive pendulum made in a silicon wafer and connected to it by elastic suspensions, an electromagnetic system for practicing the effects of accelerations.
Известный микросистемный компенсационный акселерометр имеет следующие недостатки:Known microsystem compensation accelerometer has the following disadvantages:
1 - сложность конструкции, обусловленная применением двух различных материалов: для моментного датчика алюминиевые дорожки силовой обмотки и для датчика угла пермалоевые дорожки, расположенные в непосредственной близости от витков силовой обмотки;1 - design complexity due to the use of two different materials: for the moment sensor aluminum tracks of the power winding and for the angle sensor permaloy tracks located in the immediate vicinity of the turns of the power winding;
2 - влияние поля силовой обмотки на проводники датчика угла;2 - the effect of the field of the power winding on the conductors of the angle sensor;
3 - в прототипе применено два источника опорных напряжений: положительный и отрицательный;3 - in the prototype used two sources of reference voltages: positive and negative;
4 - нелинейность силовой характеристики, т.к. по напряжению питания силовой обмотки характеристика является квадратичной.4 - nonlinearity of the power characteristic, because according to the supply voltage of the power winding, the characteristic is quadratic.
Задачей, на решение которой направлено изобретение, является упрощение конструкции датчиков с силовой компенсацией за счет применения принципа притяжения (отталкивания) двух близко расположенных параллельных проводников и устранение квадратичной нелинейности по питанию электромагнитного датчика момента. Этот технический результат достигается тем, что в интегральный чувствительный элемент акселерометра, содержащий инерционную массу, выполненную в виде несимметричного маятника в кремниевой пластине и соединенную с ней упругими подвесами, электромагнитную систему обратной связи с интегральной возвращающей обмоткой, отличающийся тем, что согласно изобретению в устройство введен емкостный датчик перемещений, проводящий подвижный электрод которого совмещен с грузом разбаланса чувствительной массы и заземлен, неподвижные электроды емкостного датчика выполнены на стеклянных обкладках и посредством контактных площадок соединены со схемой, возвращающая обмотка выполнена из двух частей: подвижной и неподвижной, подвижная обмотка размещена на маятнике с обеих его сторон в виде витков меандра, причем витки на каждой из сторон маятника соединены так, что относительно оси качания ток течет по части обмотки в одну сторону, а с другой стороны - в обратном направлении, причем подвижная обмотка питается опорным напряжением, а неподвижная - выполнена на двух одинаковых стеклянных обкладках, жестко соединенных с кремниевой пластиной маятника, витки которой расположены строго против витков подвижной обмотки и соединены последовательно, на неподвижную обмотку заведена обратная связь с выхода акселерометра, величина шага между витками обмотки и величина зазора между подвижными и неподвижными обмотками должны отвечать следующему соотношению:The problem to which the invention is directed is to simplify the design of sensors with power compensation by applying the principle of attraction (repulsion) of two closely spaced parallel conductors and eliminating quadratic non-linearity in the power of the electromagnetic torque sensor. This technical result is achieved in that an electromagnetic feedback system with an integral return winding, characterized in that, according to the invention, is introduced into the device into an integral sensitive element of an accelerometer containing an inertial mass made in the form of an asymmetric pendulum in a silicon wafer and connected to it by elastic suspensions. capacitive displacement sensor, the conductive moving electrode of which is combined with the load of the unbalance of the sensitive mass and is grounded, fixed electrodes The sensor is made on glass plates and is connected via a contact pad to the circuit, the return winding is made of two parts: movable and stationary, the movable winding is placed on the pendulum on both sides in the form of meander coils, and the coils on each side of the pendulum are connected so that relative to the axis of swing, the current flows along one part of the winding in one direction, and on the other hand in the opposite direction, moreover, the movable winding is powered by a reference voltage, and the stationary winding is made on two identical glass bkladkah rigidly connected with the pendulum silicon wafer, which coils are arranged strictly against the windings and movable windings connected in series, the coil wound on the stationary feedback accelerometer output value of the step between the windings and the magnitude of the gap between the movable and stationary windings must meet the following relationship:
h/Δ≤10,h / Δ≤10,
где h - зазор между подвижными и неподвижными обмотками, Δ - шаг между витками обмотки.where h is the gap between the movable and fixed windings, Δ is the step between the turns of the winding.
На фигуре 1 приведена кремниевая пластина 1, в которой методом микроэлектронной технологии инерционная масса в виде несимметричного маятника 2. Несимметрию маятнику придают грузы разбаланса 3, которые также выполнены как единое целое с маятником и одновременно служат подвижными электродами датчика перемещений. Маятник 2 соединен с корпусной пластиной 1 упругими подвесами-торсионами 4, работающими на кручение. В поперечном сечении подвесы-торсионы 4 представляют симметричный крест. После размерного травления маятника его окисляют с целью изоляции внешней поверхности от проводящего тела.The figure 1 shows a silicon wafer 1, in which the inertial mass in the form of an asymmetric pendulum 2 is used by microelectronic technology. Asymmetry is given to the pendulum by unbalance weights 3, which are also made as a unit with the pendulum and simultaneously serve as moving electrodes of the displacement sensor. The pendulum 2 is connected to the body plate 1 by elastic torsion suspensions 4 working on torsion. In cross section, torsion bar suspensions 4 represent a symmetrical cross. After dimensional etching of the pendulum, it is oxidized in order to isolate the external surface from the conducting body.
Проводники 5 электромагнитного преобразователя момента расположены на поверхности маятника 2 в виде меандра, и относительно оси качания (оси x) направление витков противоположное. Число зигзагов меандра определяется из расчета создания необходимого усилия силового преобразователя. Одни из концов проводников на маятнике соединены с проводящим телом маятника, а вторые - подключены к контактным площадкам для соединения с источником опорного напряжения. В связи с тем, что относительно оси качания в проводниках имеет место разное направление токов в предлагаемом изобретении применен всего один источник опорного напряжения. На обеих сторонах маятника проводники расположены идентично.The conductors 5 of the electromagnetic torque transducer are located on the surface of the pendulum 2 in the form of a meander, and with respect to the swing axis (x axis), the direction of the turns is opposite. The number of zigzags of the meander is determined from the calculation of the creation of the necessary efforts of the power converter. Some of the ends of the conductors on the pendulum are connected to the conductive body of the pendulum, and the second are connected to the contact pads for connection with a reference voltage source. Due to the fact that relative to the axis of swing in the conductors, there is a different direction of currents in the present invention, only one reference voltage source is used. On both sides of the pendulum, the conductors are located identically.
На фигуре 2 приведена одна из стеклянных обкладок 6, на которой выполнены неподвижные проводники электромагнитного преобразователя момента. Форма неподвижных силовых проводников на стеклянной обкладке 6 должна в точности повторять форму подвижных проводников 5 маятника 2, а после сборки подвижный и неподвижный электроды должны быть расположены друг против друга с зазором h. С целью снижения влияний поля силовых электродов на поле электродов преобразователя перемещений должно быть выполнено следующее соотношение:The figure 2 shows one of the
где h - зазор между подвижными и неподвижными обмотками, Δ - шаг между витками обмотки.where h is the gap between the movable and fixed windings, Δ is the step between the turns of the winding.
Реализация демпфирования подвижного узла в компенсационном акселерометре с электромагнитной силовой отработкой возможна как с заполнением ЧЭ газом, например азотом, так и в электрическом контуре для случая вакуумирования чувствительного элемента.Implementation of the damping of the movable assembly in a compensation accelerometer with electromagnetic power mining is possible both with filling the SE with gas, for example nitrogen, and in the electrical circuit for the case of evacuation of the sensing element.
Неподвижные электроды 7 датчика угла выполнены на стеклянной обкладке 6 посредством металлизации и соединены с помощью контактных площадок с электрической схемой акселерометра.The
Работа заявляемого устройства осуществляется следующим образом. В нейтральном состоянии маятник 2 находится в среднем положении между неподвижными электродами 7 емкостного датчика перемещений. На выходе устройства сигнал равен нулю. Поскольку обмотка отработки, состоящая из подвижных 5 и неподвижных проводников, питается выходным напряжением, сила электромагнитного преобразователя равна нулю, и никакого влияния на маятник 2 не происходит.The operation of the claimed device is as follows. In the neutral state, the pendulum 2 is in the middle position between the
При действии ускорения возникает сила инерции, отклоняющая маятник. Эта сила определяется произведением массы небаланса 3 на действующее ускорениеUnder the action of acceleration, an inertia force arises, deflecting the pendulum. This force is determined by the product of the mass of unbalance 3 by the effective acceleration
mнеб - массы небаланса 3 (на фигуре 1 показана затененной); j - действующее ускорение.m sky is the mass of unbalance 3 (shaded in figure 1); j is the effective acceleration.
Угол отклонения маятника является пропорциональным действующему ускорению. Соответственно выходной сигнал является пропорциональным углу отклонения маятника и поступает на проводники отработки 5. Возникающая электромагнитная сила Fэл имеет противоположное направление по сравнению с направлением силы инерции.The deflection angle of the pendulum is proportional to the current acceleration. Accordingly, the output signal is proportional to the angle of deviation of the pendulum and is fed to the conductors of mining 5. The resulting electromagnetic force F el has the opposite direction compared with the direction of the inertia force.
µ0=1,257·10-5 Гн/м - магнитная постоянная; µ - относительная магнитная проницаемость для материала, находящегося между проводниками; I1 - сила тока в первом проводнике (в проводнике на маятнике); I2 - сила тока во втором проводнике (в проводнике на стеклянной обкладке); a 0 - длина проводника по одной стороне меандра, n - число волн меандра.µ 0 = 1.257 · 10 -5 GN / m is the magnetic constant; µ is the relative magnetic permeability for the material located between the conductors; I 1 - current strength in the first conductor (in the conductor on the pendulum); I 2 - current strength in the second conductor (in the conductor on a glass lining); a 0 is the length of the conductor on one side of the meander, n is the number of meander waves.
Сила тока в первом проводнике задается нагрузочным резистором и напряжением источника опорного напряжения, которое в основном влияет на точность задаваемого тока. Поскольку сила тока в первом проводнике является величиной постоянной, то этим осуществлена линеаризация характеристики. Сила тока во втором проводнике задается нагрузочным резистором и выходным напряжением. Величина ускорения, которое может отработать заявляемое устройство с электромагнитным датчиком момента, определяется следующим соотношением:The current strength in the first conductor is set by the load resistor and the voltage of the reference voltage source, which mainly affects the accuracy of the specified current. Since the current strength in the first conductor is a constant value, this linearizes the characteristic. The current strength in the second conductor is set by the load resistor and the output voltage. The magnitude of the acceleration, which can work out the inventive device with an electromagnetic torque sensor, is determined by the following ratio:
Источники информацииInformation sources
1. Патент на изобретение США №4483194, кл. 73/517, 1982.1. US patent for invention No. 4483194, CL. 73/517, 1982.
2. Патент на изобретение РФ №2231795, М. кл. G01B15/08, от 10.12.10.2. Patent for the invention of the Russian Federation No. 2231795, M. cl. G01B15 / 08, dated 10.12.10.
3. Вавилов В.Д. Интегральные датчики. Изд-во НГТУ, 2003, с.500.3. Vavilov V.D. Integrated Sensors. Publishing House of NSTU, 2003, p. 500.
Claims (1)
Δ/h≥10,
где Δ - шаг между витками обмотки, h - зазор между подвижными и неподвижными обмотками. An integrated sensor element of the accelerometer containing an inertial mass made in the form of an asymmetric pendulum in a silicon wafer and connected to it by elastic suspensions, a capacitive displacement sensor and an electromagnetic feedback system with an integral return winding, characterized in that the capacitive displacement sensor is combined with a conductive movable electrode the load of the unbalance of the sensitive mass and is grounded, the stationary electrodes of the capacitive sensor are made on glass plates and by The contact areas are connected to the circuit, the return winding is made of two parts: movable and stationary, the movable winding is placed on the pendulum on both sides in the form of meander turns, and the turns on each side of the pendulum are connected so that current flows along the axis of rotation along the part of the winding in one direction, and on the other hand in the opposite direction, and the movable winding is powered by a reference voltage, and the stationary winding is made on two identical glass plates, rigidly connected to the silicon plate of the pendulum, a turn and which are located strictly opposite the windings of the movable winding and connected in series, feedback from the accelerometer output is established on the stationary winding, the step size between the winding turns and the gap between the movable and fixed windings must correspond to the following relation
Δ / h≥10,
where Δ is the step between the turns of the winding, h is the gap between the movable and fixed windings.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2010101200/28A RU2431850C1 (en) | 2010-01-15 | 2010-01-15 | Accelerometre integral sensitive element |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2010101200/28A RU2431850C1 (en) | 2010-01-15 | 2010-01-15 | Accelerometre integral sensitive element |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2010101200A RU2010101200A (en) | 2011-07-20 |
| RU2431850C1 true RU2431850C1 (en) | 2011-10-20 |
Family
ID=44752233
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2010101200/28A RU2431850C1 (en) | 2010-01-15 | 2010-01-15 | Accelerometre integral sensitive element |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2431850C1 (en) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2573616C1 (en) * | 2014-11-20 | 2016-01-20 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Нижегородский государственный технический университет им. Р.Е. Алексеева", НГТУ | Inertial element |
-
2010
- 2010-01-15 RU RU2010101200/28A patent/RU2431850C1/en not_active IP Right Cessation
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| ВАВИЛОВ В.Д. Интегральные датчики. - Нижний Новгород: изд-во НГТУ, 2003, с.248-251. * |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2573616C1 (en) * | 2014-11-20 | 2016-01-20 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Нижегородский государственный технический университет им. Р.Е. Алексеева", НГТУ | Inertial element |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| RU2010101200A (en) | 2011-07-20 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| EP2972417B1 (en) | Magnetometer using magnetic materials on accelerometer | |
| US8278919B2 (en) | MEMS oscillating magnetic sensor and method of making | |
| CN101685119B (en) | Resonance miniature electric field sensor | |
| US20160154020A1 (en) | Mems gyroscope | |
| US20140125325A1 (en) | Sensor and method of controlling the same | |
| CN102047126A (en) | Capacitive sensor having cyclic and absolute electrode sets | |
| US10436812B2 (en) | Micro-electro-mechanical acceleration sensor device | |
| ITTO20120290A1 (en) | INERTIAL MAGNETIC SENSOR, AND METHOD FOR OPERATING THE INERTIAL SENSOR | |
| US7155976B2 (en) | Rotation sensing apparatus and method for manufacturing the same | |
| CN104280571B (en) | Electromagnetic balance formula acceleration transducer | |
| CN101283285A (en) | Microelectromechanical magnetometer | |
| RU2431850C1 (en) | Accelerometre integral sensitive element | |
| US20180372774A1 (en) | Acceleration sensor | |
| CN106771360B (en) | A kind of single shaft mems accelerometer | |
| JP5694684B2 (en) | Using pole pieces to induce magnetic flux by MEMS devices, and fabrication methods | |
| RU2410703C1 (en) | Linear microaccelerometre | |
| RU2490754C1 (en) | Microelectromechanical magnetic field sensor | |
| US3396328A (en) | Magnetoresistive transducer | |
| Andò et al. | A friction less accelerometer exploiting a magnetic levitating mechanism and an inductive readout strategy | |
| RU2450278C2 (en) | Microsystem accelerometre | |
| RU2506546C1 (en) | Microelectromechanical sensor of micro motions with magnetic field | |
| CN106771354B (en) | A kind of single shaft mems accelerometer | |
| Langfelder et al. | Comparison of Lorentz-force MEMS magnetometers based on different capacitive sensing topologies | |
| JP3818399B2 (en) | Ultra-small acceleration sensor | |
| RU2514150C1 (en) | Accelerometer |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20130116 |
|
| NF4A | Reinstatement of patent |
Effective date: 20140410 |
|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20160116 |