RU2490650C1 - Microaccelerometer - Google Patents
Microaccelerometer Download PDFInfo
- Publication number
- RU2490650C1 RU2490650C1 RU2012107203/28A RU2012107203A RU2490650C1 RU 2490650 C1 RU2490650 C1 RU 2490650C1 RU 2012107203/28 A RU2012107203/28 A RU 2012107203/28A RU 2012107203 A RU2012107203 A RU 2012107203A RU 2490650 C1 RU2490650 C1 RU 2490650C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- pendulum
- plate
- frame
- conductive
- voltage source
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Pressure Sensors (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к измерительной технике и может применяться в навигационно-пилотажных системах летательных аппаратов.The invention relates to measuring equipment and can be used in navigation and aerobatic systems of aircraft.
Известен чувствительный элемент микросистемного акселерометра, содержащий монокремниевую несущую пластину, маятник, выполненный в несущей пластине и две обкладки с проводящими электродами, неразъемно соединенные с несущей пластиной [1]. На проводящие электроды подается управляющее напряжение, в результате чего маятник возвращается в исходное положение.A known element of a microsystem accelerometer containing a monosilicon carrier plate, a pendulum made in the carrier plate and two plates with conductive electrodes, one-piece connected to the carrier plate [1]. A control voltage is applied to the conductive electrodes, as a result of which the pendulum returns to its original position.
Недостатками такого чувствительного элемента является недостаточность развиваемой электростатической силы для компенсации силы инерции и высокочастотность его характеристик.The disadvantages of such a sensitive element is the insufficiency of the developed electrostatic force to compensate for the inertia force and the high frequency of its characteristics.
Известен микроакселерометр, содержащий монокремниевую несущую пластину, маятник, выполненный в несущей пластине и две обкладки, неразъемно соединенные с несущей пластиной. [2]. Недостатками известного микроакселерометра являются малая сила отработки и высокочастотность его характеристик.Known microaccelerometer containing monosilicon carrier plate, a pendulum made in the carrier plate and two plates, one-piece connected to the carrier plate. [2]. The disadvantages of the known microaccelerometer are the low working force and the high frequency of its characteristics.
Наиболее близким к заявляемому изобретению может служить микроакселерометр [3], содержащий кремниевую каркасную рамку, в которой методом анизотропного травления выполнен кремниевый проводящий маятник, соединенный упругими подвесами с каркасной рамкой, согласно изобретения маятник включает две жестко соединенные первую и вторую пластины разных размеров с достаточной электростатической силой отработки.Closest to the claimed invention can serve as a microaccelerometer [3], containing a silicon frame, in which an anisotropic etching is made of a silicon conductive pendulum connected by elastic suspensions to the frame, according to the invention, the pendulum includes two rigidly connected first and second plates of different sizes with sufficient electrostatic mining force.
Недостатком данного устройства является высокочастотность микроакселерометра и невозможность его использования для летательных аппаратов с низкочастотной областью эволюции.The disadvantage of this device is the high frequency of the microaccelerometer and the impossibility of its use for aircraft with a low-frequency region of evolution.
Задачей, на решение которой направлено данное изобретение, является повышения точности за счет достижения возможности выбора собственной частоты микроакселерометра, соответствующей рабочей полосе частот объекта на котором установлен микроакселерометр.The problem to which this invention is directed is to increase accuracy by achieving the ability to select the natural frequency of the microaccelerometer corresponding to the operating frequency band of the object on which the microaccelerometer is mounted.
Поставленная цель достигается следующим образом:The goal is achieved as follows:
1. Микроакселерометр, содержащий кремниевую проводящую каркасную рамку, в которой методом анизотропного травления выполнен несимметричный маятник, представляющий прямоугольную пластину соединенную двумя упругими торсионами с каркасной рамкой, электронный блок состоящий из емкостного преобразователя перемещений и силового электростатического преобразователя, имеющие первую и вторую непроводящие обкладки, жестко соединенные с каркасной рамкой, на каждой обкладке нанесены проводящие прямоугольные электроды против подвижной пластины, в котором в соответствии с изобретением несимметричность маятнику придана смещением оси качания относительно оси, проходящей через средину пластины, ось качания маятника разделяет пластину на две не равные части: первую и вторую, а маятниковость (произведение массы на плечо) определяется в виде1. A microaccelerometer containing a silicon conductive frame frame, in which an asymmetric etch pendulum is made by anisotropic etching, which represents a rectangular plate connected by two elastic torsion bars with a frame frame, an electronic unit consisting of a capacitive displacement transducer and a power electrostatic transducer, having the first and second non-conducting plates connected to the frame frame, conductive rectangular electrodes are placed on each plate against the movable plate s, in which according to the invention the asymmetry imparted to the pendulum swing axis offset relative to an axis passing through the middle of the plate, the pendulum swing axis divides the plate into two unequal parts: first and second, and the pendulum (product of mass and shoulder) is defined as
где m - масса маятника; Xc - плечо маятника; ρ - плотность материала маятника; a m1 - длина первой части пластины; a m2 - длина второй части пластины; bm - ширина пластины; cm - толщина пластины.where m is the mass of the pendulum; X c is the arm of the pendulum; ρ is the density of the material of the pendulum; a m1 is the length of the first part of the plate; a m2 is the length of the second part of the plate; b m is the width of the plate; c m is the plate thickness.
2. Микроакселерометр по пункту 1, в котором введено устройство отрицательной жесткости, состоящее из двух резисторов и источника напряжения, одними концами резисторы соединены вместе и к ним подключен источник напряжения, вторыми концами резисторы соединены - один с проводящим электродом первой обкладки, а второй с проводящим электродом второй обкладки, необходимая величина источника напряжения выбирается исходя из требуемой полосы пропускания по выражению2. The microaccelerometer according to paragraph 1, in which a device of negative rigidity is introduced, consisting of two resistors and a voltage source, the resistors are connected at one end and a voltage source is connected to them, the resistors are connected at the other ends - one to the conductive electrode of the first lining, and the second to the conductive the electrode of the second plate, the required value of the voltage source is selected based on the required bandwidth in the expression
U - необходимая величина источника напряжения; Gкр - жесткость упругих торсионов; ω - полоса пропускания; J - момент инерции маятника; h - зазор между пластиной маятника и обкладкой; ε0 - диэлектрическая постоянная; ε - относительная диэлектрическая проницаемость для среды, находящейся между маятником и электродами; F - площадь проводящего электрода; Xc - плечо маятника.U is the required value of the voltage source; G cr - the stiffness of the elastic torsion bars; ω is the passband; J is the moment of inertia of the pendulum; h is the gap between the pendulum plate and the lining; ε 0 is the dielectric constant; ε is the relative dielectric constant for the medium located between the pendulum and the electrodes; F is the area of the conductive electrode; X c is the arm of the pendulum.
Существенным отличием заявленного устройства по сравнению с известным является то, что на пределах измерения ускорения от 0 до 500 g может быть установлена заданная полоса пропускания от 5 до 100 Гц, что требуется для навигационных акселерометром.A significant difference of the claimed device compared to the known one is that within the acceleration measurement range from 0 to 500 g, a predetermined bandwidth of 5 to 100 Hz can be set, which is required for navigation accelerometers.
Заявляемое изобретение иллюстрируется чертежами, показанными на фигурах 1, 2, 3.The invention is illustrated by the drawings shown in figures 1, 2, 3.
На фигуре 1 показан чувствительный элемент, включающий: кремниевую каркасную рамку 1, сквозную щель 2, полученную с помощью анизотропного травления и отделяющую каркасную рамку 1 от маятника, состоящего из первой пластины 3 маятника, упругий подвес 4, второй пластины 5 маятника и чувствительной массы 6, выполненных за одно целое. Упругий подвес 4 может быть выполненным для работы как на изгиб, так и на кручение. С каркасной рамкой 1 с обеих сторон неразъемно соединены неподвижные пластины-обкладки силовых электродов (на фиг.1 не показаны). Зазор между силовыми электродами и проводящим маятником образуется разностью в размерах между толщинами каркасной рамки 1 и проводящими пластинами 3, 5 маятника.The figure 1 shows a sensitive element, including: a silicon frame 1, a through
На фигуре 2 показан контур создания отрицательной "электрической жесткости". В контуре задействованы те же самые подвижный и неподвижные электроды, что и в силовом преобразователе. На изоляционных обкладках каркасной рамки 1 выполнены проводящие электроды 7 попарно соединенные вместе с разных сторон пластин 3,5 проводящего маятника и к ним подключено напряжение U0, необходимое для создания отрицательной "электрической жесткости" достаточной для обеспечения заданной собственной частоты ω0 акселерометра. Величина напряжения определяется следующей зависимостью (2).The figure 2 shows the contour of creating a negative "electrical rigidity". The same movable and fixed electrodes are involved in the circuit as in the power converter. Conducting electrodes 7 are made on insulating plates of the frame frame 1 and are connected in pairs together from different sides of the plates 3.5 of the conductive pendulum and connected to them is voltage U 0 , which is necessary to create a negative "electric stiffness" sufficient to provide a given natural frequency ω 0 of the accelerometer. The voltage value is determined by the following dependence (2).
На фигуре 3 приведена функциональная схема микроакселерометра. В состав микроакселерометра входят следующие блоки: неподвижные 7 и подвижные 3 электроды чувствительного элемента. Неподвижные электроды 7 расположены симметрично относительно подвижного 3 (проводящего маятника). Подвижный электрод заземлен. Электроды 8 емкостного преобразователя перемещений соединены со входом ШИМ 9, содержащегося в составе микроконтроллера 10. Выход ШИМ подключен ко входу корректирующего устройства 11, реализованного схемно из навесных к микроконтроллеру элементах. Корректирующее устройство 11, представляющее собой ПИД-регулятор, настроенный на получение оптимального переходного процесса микроакселерометра. С выхода ПИД-регулятора приборный сигнал поступает по команде микроконтроллера на линеаризатор 12 электростатического преобразователя и одновременно на вход приема информации микроконтроллера для преобразования в цифровой сигнал и далее в аналоговый. Аналоговый сигнал идет на вход компаратора микроконтроллера для сравнения с приборным сигналом. При равенстве этих сигналов цифровой код переписывается на выход микроакселерометра.The figure 3 shows the functional diagram of the microaccelerometer. The composition of the microaccelerometer includes the following blocks: fixed 7 and moving 3 electrodes of the sensing element. The fixed electrodes 7 are located symmetrically relative to the movable 3 (conductive pendulum). The movable electrode is grounded. The electrodes 8 of the capacitive displacement transducer are connected to the input of the PWM 9 contained in the microcontroller 10. The output of the PWM is connected to the input of the correcting device 11, which is implemented schematically from elements attached to the microcontroller. Corrective device 11, which is a PID controller, configured to obtain the optimal transient micro-accelerometer. From the output of the PID controller, the instrument signal is transmitted by the command of the microcontroller to the linearizer 12 of the electrostatic converter and simultaneously to the input of the information of the microcontroller for conversion to a digital signal and then to an analog one. The analog signal goes to the input of the microcontroller comparator for comparison with the instrument signal. If these signals are equal, the digital code is copied to the output of the microaccelerometer.
Линеаризатор 12 включен в цепи обратной связи контура регулирования и управляется выходным аналоговым сигналом, вырабатываемым микроконтроллером 10, в свою очередь включенным в прямой цепи контура. За исключением источников опорных напряжений 13 микроконтроллером 10 управляет всеми блоками микроакселерометра.The linearizer 12 is included in the feedback loop of the control loop and is controlled by the analog output signal generated by the microcontroller 10, which in turn is included in the direct loop circuit. With the exception of reference voltage sources 13, the microcontroller 10 controls all units of the microaccelerometer.
Устройство 14 контура создания отрицательной "электрической жесткости" работает следующим образом. В исходном состоянии, когда маятник находится в нейтральном положении, площади неподвижных электродов с разных сторон маятника одинаковы и расположены от него с одинаковыми зазорами. При этом электростатическая сила, действующая на маятник, равна нулю. При отклонении маятника относительно оси качания 4 на угол α возникает электростатическая сила притяжения в сторону меньшего зазора. Момент от электростатической силы всегда совпадает по направлению с возмущающим моментом. Создается эффект отрицательной жесткости. Варьируя напряжением на электродах, можно достичь любой разности между механической жесткостью упругого подвеса и "электрической жесткостью". Контур "электрической жесткости" не связан электрически с контуром регулирования измерительного канала. Но при его наличии все характеристики микроакселерометра зависят от разности жесткостей упругого подвеса и отрицательной "электрической жесткости".The device 14 of the circuit to create a negative "electrical rigidity" works as follows. In the initial state, when the pendulum is in the neutral position, the areas of the stationary electrodes on the opposite sides of the pendulum are the same and are spaced from it with the same gaps. In this case, the electrostatic force acting on the pendulum is equal to zero. When the pendulum is deflected relative to the axis of swing 4 by an angle α, an electrostatic attraction force arises towards a smaller gap. The moment of electrostatic force always coincides in direction with the disturbing moment. The effect of negative rigidity is created. By varying the voltage across the electrodes, any difference between the mechanical stiffness of the elastic suspension and the "electrical stiffness" can be achieved. The "electrical stiffness" circuit is not electrically connected to the control loop of the measuring channel. But if it is available, all the characteristics of the microaccelerometer depend on the difference in the stiffness of the elastic suspension and the negative "electrical rigidity".
Важной характеристикой микроакселерометров является отношение "электрической жесткости" к механической жесткости упругих подвесов. В заявляемом устройстве это отношение достигает 105, а установление полосы пропускания, задаваемое собственной частотой акселерометра, возможно от 5 до 100 Гц. Этим задача изобретения достигнута.An important characteristic of microaccelerometers is the ratio of "electrical stiffness" to the mechanical stiffness of elastic suspensions. In the inventive device, this ratio reaches 10 5 , and the establishment of the passband specified by the natural frequency of the accelerometer is possible from 5 to 100 Hz. This object of the invention is achieved.
Источники информацииInformation sources
1. Вавилов В.Д., Поздяев В.И. Конструирование интегральных датчиков. - М.: Изд-во МАИ, 1993, - 68 с.1. Vavilov V.D., Pozdyaev V.I. Design of integrated sensors. - M .: Publishing House of the Moscow Aviation Institute, 1993, - 68 p.
2. Вавилов В.Д. Интегральные датчики. Изд-во НГТУ, 2003, С, 500.2. Vavilov V.D. Integrated Sensors. Publishing house of NSTU, 2003, S, 500.
3. Вавилов В.Д., Вавилов И.В. Патент России №2426134, М.кл. G01P 15/08, Опубликовано: 10.08.2011 г.3. Vavilov V.D., Vavilov I.V. Patent of Russia No. 2426134, M.cl. G01P 15/08, Published: Aug 10, 2011
Claims (2)
где m - масса маятника; Xc - плечо маятника; ρ - плотность материала маятника; am1 - длина первой части пластины; am2 - длина второй части пластины; bm - ширина пластины; cm - толщина пластины;1. A microaccelerometer containing a silicon conductive frame frame, in which an asymmetric etching pendulum is made by anisotropic etching, which represents a rectangular plate connected by two elastic torsions with a frame frame, an electronic unit consisting of a capacitive displacement transducer and a power electrostatic transducer having first and second non-conductive plates rigidly connected to the frame frame, conductive rectangular electrodes are applied to each plate against moving plates n of the pendulum and alternately switched with a clock frequency with displacement and power working out devices, characterized in that the pendulum is asymmetrical by the displacement of the swing axis relative to the axis passing through the middle of the plate, the swing axis of the pendulum divides the plate into two unequal parts: the first and second, and the pendulum (product of mass on the shoulder) is defined as
where m is the mass of the pendulum; X c is the arm of the pendulum; ρ is the density of the material of the pendulum; a m1 is the length of the first part of the plate; a m2 is the length of the second part of the plate; b m is the width of the plate; c m is the plate thickness;
где U - необходимая величина источника напряжения; Gкр - жесткость упругих торсионов; ω - полоса пропускания; J - момент инерции маятника; h - зазор между пластиной маятника и обкладкой; ε0 - диэлектрическая постоянная; ε - относительная диэлектрическая проницаемость для среды, находящейся между маятником и электродами; F - площадь проводящего электрода; Xc - плечо маятника. 2. The microaccelerometer according to claim 1, characterized in that a negative stiffness device is introduced into it, consisting of two resistors and a voltage source, resistors are connected at one end and a voltage source is connected to them, resistors are connected at the other ends: one with a conductive electrode of the first lining and the second with the conductive electrode of the second plate, the required value of the voltage source is selected based on the required bandwidth according to the expression
where U is the required value of the voltage source; G cr - the stiffness of the elastic torsion bars; ω is the passband; J is the moment of inertia of the pendulum; h is the gap between the pendulum plate and the lining; ε 0 is the dielectric constant; ε is the relative dielectric constant for the medium located between the pendulum and the electrodes; F is the area of the conductive electrode; X c is the arm of the pendulum.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2012107203/28A RU2490650C1 (en) | 2012-02-27 | 2012-02-27 | Microaccelerometer |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2012107203/28A RU2490650C1 (en) | 2012-02-27 | 2012-02-27 | Microaccelerometer |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2490650C1 true RU2490650C1 (en) | 2013-08-20 |
Family
ID=49162953
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2012107203/28A RU2490650C1 (en) | 2012-02-27 | 2012-02-27 | Microaccelerometer |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2490650C1 (en) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2561303C1 (en) * | 2014-06-11 | 2015-08-27 | Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Санкт-Петербургский государственный университет аэрокосмического приборостроения" (ГУАП) | Linear microaccelerometer |
-
2012
- 2012-02-27 RU RU2012107203/28A patent/RU2490650C1/en not_active IP Right Cessation
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2561303C1 (en) * | 2014-06-11 | 2015-08-27 | Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Санкт-Петербургский государственный университет аэрокосмического приборостроения" (ГУАП) | Linear microaccelerometer |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
KR20070109922A (en) | Use of electrodes to cancel lift effects in inertial sensor | |
KR100379206B1 (en) | Capacitance-type external-force detecting device with improved sensitivity | |
EP3268305B1 (en) | A microelectromechanical capacitive sensor structure and device | |
EP2351982A1 (en) | Angular velocity sensor | |
US10436812B2 (en) | Micro-electro-mechanical acceleration sensor device | |
US20160084871A1 (en) | Dual-functional resonant magnetic field sensor | |
JPS5952365B2 (en) | Measuring device that can be used for angle measurement or acceleration measurement | |
GB2377494A (en) | An improved offset elimination system for a vibrating gyroscope | |
RU2490650C1 (en) | Microaccelerometer | |
US11662361B2 (en) | Methods for closed loop operation of capacitive accelerometers | |
EP3816636B1 (en) | Methods for closed loop operation of capacitive accelerometers | |
US20160362291A1 (en) | Micromechanical component having a split, galvanically isolated active structure, and method for operating such a component | |
RU2566655C1 (en) | Measurement of apparent acceleration and piezoelectric accelerometer to this end | |
RU2568147C1 (en) | Gyro accelerometer with rotor electrostatic suspension and complete primary info | |
RU2410703C1 (en) | Linear microaccelerometre | |
RU2158903C1 (en) | Gyroscope-accelerometer with electrostatic suspension of rotor | |
JP2760628B2 (en) | PWM electrostatic servo accelerometer | |
US9086302B2 (en) | Measuring element | |
JP2021060280A (en) | Voltage sensor | |
JPH0341366A (en) | Accelerometer | |
RU2410701C1 (en) | Micromechanical sensor of angular speed | |
RU2426134C1 (en) | Sensitive element of micro system accelerometre | |
US8893563B1 (en) | Differential capacitance torque sensor | |
RU2490592C1 (en) | Prof vavilov's microgyro | |
RU2758892C1 (en) | Compensation pendulum accelerometer |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20160228 |