RU2657351C1 - Микроэлектромеханический первичный преобразователь ускорения - Google Patents
Микроэлектромеханический первичный преобразователь ускорения Download PDFInfo
- Publication number
- RU2657351C1 RU2657351C1 RU2017129543A RU2017129543A RU2657351C1 RU 2657351 C1 RU2657351 C1 RU 2657351C1 RU 2017129543 A RU2017129543 A RU 2017129543A RU 2017129543 A RU2017129543 A RU 2017129543A RU 2657351 C1 RU2657351 C1 RU 2657351C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- resonator
- rods
- inertial mass
- rod
- microelectromechanical
- Prior art date
Links
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01P—MEASURING LINEAR OR ANGULAR SPEED, ACCELERATION, DECELERATION, OR SHOCK; INDICATING PRESENCE, ABSENCE, OR DIRECTION, OF MOVEMENT
- G01P15/00—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration
- G01P15/02—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration by making use of inertia forces using solid seismic masses
- G01P15/08—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration by making use of inertia forces using solid seismic masses with conversion into electric or magnetic values
- G01P15/097—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration by making use of inertia forces using solid seismic masses with conversion into electric or magnetic values by vibratory elements
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Piezo-Electric Or Mechanical Vibrators, Or Delay Or Filter Circuits (AREA)
Abstract
Изобретение относится к измерительной технике, в частности к области измерений механической силы и связанных с ней величин: момента силы, давления, массы, деформаций, линейных и угловых ускорений. Микроэлектромеханический первичный преобразователь ускорения содержит систему возбуждения и съема частотного сигнала, пластину из монокристалла, в которой выполнены прорези с образованием не менее одного чувствительного элемента, включающего в себя подвижную инерционную массу и резонатор, который является стержневым и выполнен в виде сдвоенного камертона, одни концы стержней которого жестко соединены между собой, а другие соединены через упругие шарниры с инерционной массой, в пластине дополнительно выполнены прорези с образованием участков для размещения на них контактных площадок, одна из которых расположена на любой неподвижной части чувствительного элемента, а две другие расположены напротив каждого стержня соответственно для возбуждения противофазных колебаний стержней резонатора, при этом стержни имеют постоянную или переменную ширину. Технический результат – повышение чувствительности. 4 ил.
Description
Изобретение относится к измерительной технике, в частности к области измерений механической силы и связанных с ней величин: момента силы, давления, массы, деформаций, линейных и угловых ускорений.
С начала 90-х годов интенсивно развивается направление микромеханических сенсоров навигационных систем, в том числе акселерометров. В качестве базовых технологий создания микроэлектромеханических систем (МЭМС-технологий) используются технологические приемы микроэлектроники, с помощью которых на подложке из кремния или его соединений формируют полупроводниковые слои, на которые наносят слои диэлектриков и электроды. После чего формируют механическую сенсорную структуру (упругие элементы, подвижную инерционную массу, преобразователи и пр.).
С помощью МЭМС-технологий размеры чувствительных элементов акселерометров удалось довести до долей миллиметра. Соответственно уменьшились и размеры систем съема параметров с чувствительного элемента, габариты и вес акселерометра.
Микромеханические акселерометры могут быть выполнены как с аналоговым, так и с частотным выходом. Последние - на порядок более точны, так как не требуют амплитудо-цифрового преобразования. Кроме того, частотный сигнал просто и без потери точности интегрируется, вычитается и т.п.
Известен частотный микромеханический акселерометр (см. патент RU №2377575 от 04.09.2007 «Частотный микромеханический акселерометр» Кристьянинов А.А., Смирнов Г.Г., опубликован 27.12.2009 г), МПК G01P 15/097 (2006.01), который содержит чувствительный элемент, состоящий из подвижной инерционной массы, упругого подвеса, резонатора и основания, а также систему возбуждения и съема частотного сигнала. Чувствительный элемент выполнен из единой пластины, разделенной сквозными пазами на основание, инерционную массу с упругим подвесом и резонатор, состоящий из двух или трех ветвей, которые соединены свободными концами, а основаниями закреплены на инерционной массе и основании чувствительного элемента с возможностью изменения изгибной жидкости резонатора при перемещении инерционной массы под действием измеряемого ускорения.
Вышеуказанное устройство является наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству и поэтому выбрано в качестве прототипа.
Недостатком прототипа является низкая точность из-за высокой нелинейности характеристики преобразования, сложность технологии изготовления и габаритные размеры.
Технической проблемой, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является создание микроэлектромеханического первичного преобразователя ускорения с повышенной точностью измерений, имеющего двухмерную пространственную структуру и чувствительный элемент плоской формы.
Достигаемым техническим результатом является повышение чувствительности.
Для достижения технического результата в микроэлектромеханическом первичном преобразователе ускорения, содержащем систему возбуждения и съема частотного сигнала, пластину из монокристалла, в которой выполнены прорези с образованием не менее одного чувствительного элемента, включающего в себя подвижную инерционную массу и резонатор, новым является то, что резонатор является стержневым и выполнен в виде сдвоенного камертона, одни концы стержней которого жестко соединены между собой, а другие соединены через упругие шарниры с инерционной массой, в пластине дополнительно выполнены прорези с образованием участков, для размещения на них контактных площадок, одна из которых расположена на любой неподвижной части чувствительного элемента, а две другие расположены напротив каждого стержня, соответственно, для возбуждения противофазных колебаний стержней резонатора, при этом стержни имеют постоянную или переменную ширину.
Новая совокупность существенных признаков позволяет:
- повысить точность измерений за счет выполнения стержневого резонатора в виде сдвоенного камертона, что позволяет получить симметрию колебаний его стержней, минимизируя напряжения, возникающие в местах соединения резонатора и инерционной массы и кратковременную нестабильность частоты выходного сигнала (дрейф «0»),
- уменьшить погрешность от действия внешних воздействующих факторов, за счет увеличения коэффициента преобразования и относительной девиации кинематической схемой первичного преобразователя,
- увеличить чувствительность за счет переменной ширины стержней, позволяющей увеличить значение критической силы.
Изобретение реализуется схемой, представленной на фиг. 1. Резонатор представлен на фиг. 2. Форма деформации стержней при изгибных колебаниях резонатора (упругая линия) представлена на фиг. 3, где L - длина стержня резонатора, мм, Н - амплитуда колебаний стержня, мм. На фиг. 4 показан вариант преобразователя с четырьмя чувствительными элементами.
Микроэлектромеханический первичный преобразователь ускорения содержит систему возбуждения и съема частотного сигнала 1, пластину 2 из монокристалла, в которой выполнены прорези с образованием чувствительного элемента 3, включающего в себя инерционную массу 4 и резонатор 5, выполненный в виде сдвоенного камертона, одни концы стержней 11 которого жестко соединены между собой, а другие соединены через упругие шарниры 6 с инерционной массой 4. В пластине 2 выполнены прорези с образованием участков 7, 10 для размещения на них контактных площадок 8, 9, одна из которых расположена на любой неподвижной части чувствительного элемента 3, а две другие расположены напротив каждого стержня 11 соответственно, при этом стержни 11 резонатора 5 имеют постоянную или переменную ширину.
Система возбуждения и съема частотного сигнала 1 представляет собой конденсатор, одними обкладками которого служат неподвижные участки пластины 2 монокристалла, расположенные напротив каждого стержня 11 соответственно, на которые нанесены контактные площадки 8, а другими обкладками служат стержни 11 резонатора 5.
Резонатор 5 состоит из двух идентичных стержней 11, концы которых объединены элементами 12, соединенными через концентраторы 13 с участками 10, 14, к которым прилагается измеряемая сила Р.
Устройство работает следующим образом.
Микроэлектромеханический первичный преобразователь ускорения подключен в цепь обратной связи автогенератора. После подачи напряжения питания на автогенератор в системе "генератор - микроэлектромеханический первичный преобразователь ускорения" при соблюдении условий "баланса амплитуд" и "баланса фаз" (смотри, например, книгу П.В. Новицкий и др. "Цифровые приборы с частотными датчиками", "Энергия" 1970 г.) устанавливаются колебания резонатора 5 и, соответственно, выходные электрические сигналы с частотой, равной резонансной частоте резонатора 5. Выходные электрические сигналы генератора используются после соответствующего преобразования для регистрации результатов измерения силы, действующей на резонатор 5. В исходном положении, соответствующем нулевому значению измеряемой силы Р, значение резонансной частоты резонатора 5 определяется конструктивными размерами элементов резонатора 5 и физическими свойствами материала, из которого он изготовлен (модуль упругости - Е, плотность - ρ). При действии ускорения в продольном направлении резонатора 5 (вдоль стержней 11) инерционная масса 4 совершает поступательное движение и через упругие шарниры 6 передает силу на резонатор 5.
При значении измеряемой силы, приложенной к концам резонатора 5 (в продольном направлении, вдоль стержней 11), отличном от нуля, изменяется его эквивалентная упругость и, соответственно, значение резонансной частоты (растягивающая продольная сила вызывает увеличение частоты, а сжимающая - уменьшение). Функциональная зависимость частоты механического резонанса от значения продольной измеряемой силы Р определяется следующим выражением:
где ƒ0 - значение резонансной частоты резонатора 5 при Р=0;
В - постоянный коэффициент, равный величине обратной критической силы Ркр стержней 11 резонатора 5 (определяется формой, геометрическими размерами, условиями крепления концов, модулем упругости материала стержней).
где b, Lp - ширина и длина стержней резонатора соответственно.
Е, ρ - модуль упругости и плотность материала резонатора соответственно;
а0, a1 - постоянные коэффициенты определяющие условия крепления концов стержней резонатора;
hрез - толщина резонатора;
При разложении в степенной рад функция (1) для случая 
принимает вид:
Значение измеряемой силы, действующей на резонатор, преобразуется в выходной параметр в виде изменения резонансной частоты Δƒ(р) относительно начального значения ƒ0 (девиация):
Относительная девиация представляется выражением:
Для случаев, при которых максимальное значение произведения не превышает 0,1, вклад нелинейных членов выражения (4) (со степенью больше 1) не превышает 0,03 (3%). В связи с этим функции преобразования силочувствительного резонатора из соотношений (3), (4) в первом приближении могут быть представлены линейными зависимостями:
в которых коэффициент преобразования определяется параметром - (равен обратной величине критической силы - Ркр, при которой стержни резонатора теряют устойчивость).
Распределение деформации по длине стержней 11 изменяется от нулевых значений на концах (в месте объединения) до максимальных значений в центральной части, а значения механических напряжений при изгибах стержней максимальны у их концов и уменьшаются по мере приближения к их центральной части; становятся равными нулю в некоторых точках А, В и в дальнейшем снова увеличиваются со сменой знака.
Другой важной характеристикой заявляемого устройства является его силочувствительность (коэффициент преобразования), которая, также определяется размерами и формой стержней силочувствительного резонатора. Коэффициент преобразования силочувствительного резонатора увеличивается при уменьшении ширины и толщины его стержней.
Оптимальные размеры микроэлектромеханического первичного преобразователя ускорения определены моделированием на ПЭВМ с использованием метода конечных элементов.
По результатам расчетов разработаны экспериментальные образцы. Проведенные исследования подтвердили эффективность предлагаемого технического решения.
Claims (1)
- Микроэлектромеханический первичный преобразователь ускорения, содержащий систему возбуждения и съема частотного сигнала, пластину из монокристалла, в которой выполнены прорези с образованием не менее одного чувствительного элемента, включающего в себя подвижную инерционную массу и резонатор, отличающийся тем, что резонатор является стержневым и выполнен в виде сдвоенного камертона, одни концы стержней которого жестко соединены между собой, а другие соединены через упругие шарниры с инерционной массой, в пластине дополнительно выполнены прорези с образованием участков для размещения на них контактных площадок, одна из которых расположена на любой неподвижной части чувствительного элемента, а две другие расположены напротив каждого стержня соответственно для возбуждения противофазных колебаний стержней резонатора, при этом стержни имеют постоянную или переменную ширину.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2017129543A RU2657351C1 (ru) | 2017-08-18 | 2017-08-18 | Микроэлектромеханический первичный преобразователь ускорения |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2017129543A RU2657351C1 (ru) | 2017-08-18 | 2017-08-18 | Микроэлектромеханический первичный преобразователь ускорения |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2657351C1 true RU2657351C1 (ru) | 2018-06-13 |
Family
ID=62620011
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2017129543A RU2657351C1 (ru) | 2017-08-18 | 2017-08-18 | Микроэлектромеханический первичный преобразователь ускорения |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2657351C1 (ru) |
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2377575C2 (ru) * | 2007-09-04 | 2009-12-27 | Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом" (Госкорпорация "Росатом") | Частотный микромеханический акселерометр |
| RU2390030C2 (ru) * | 2005-04-14 | 2010-05-20 | Дженерал Электрик Компани | Трехосевой акселерометр с переменной осевой чувствительностью |
| RU2580879C2 (ru) * | 2010-04-16 | 2016-04-10 | Сенсонор Ас | Микроэлектромеханическая система для датчика угловой скорости |
| EP2762893B1 (en) * | 2011-09-30 | 2016-06-15 | Microinfinity, Inc. | Mems resonant accelerometer |
-
2017
- 2017-08-18 RU RU2017129543A patent/RU2657351C1/ru active
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2390030C2 (ru) * | 2005-04-14 | 2010-05-20 | Дженерал Электрик Компани | Трехосевой акселерометр с переменной осевой чувствительностью |
| RU2377575C2 (ru) * | 2007-09-04 | 2009-12-27 | Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом" (Госкорпорация "Росатом") | Частотный микромеханический акселерометр |
| RU2580879C2 (ru) * | 2010-04-16 | 2016-04-10 | Сенсонор Ас | Микроэлектромеханическая система для датчика угловой скорости |
| EP2762893B1 (en) * | 2011-09-30 | 2016-06-15 | Microinfinity, Inc. | Mems resonant accelerometer |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US3238789A (en) | Vibrating bar transducer | |
| US20140361843A1 (en) | Monolithic body mems devices | |
| Pandit et al. | An ultra-high resolution resonant MEMS accelerometer | |
| JP6196144B2 (ja) | センサ素子および圧力センサ | |
| US20200174035A1 (en) | Mems accelerometric sensor having high accuracy and low sensitivity to temperature and aging | |
| Chao et al. | An aluminum nitride on silicon resonant MEMS accelerometer operating in ambient pressure | |
| Christensen et al. | Hermetically encapsulated differential resonant accelerometer | |
| US11162972B2 (en) | Resonant MEMS piezoelectric sensor | |
| Mansoorzare et al. | A piezo-capacitive high-frequency resonant accelerometer | |
| RU2580871C1 (ru) | Камертонный микрогироскоп | |
| Moreira et al. | Small size and highly sensitive differential MEMS accelerometer based on double-ended tuning fork resonators | |
| RU2657351C1 (ru) | Микроэлектромеханический первичный преобразователь ускорения | |
| RU2377575C2 (ru) | Частотный микромеханический акселерометр | |
| Daruwalla et al. | A piezo-capacitive BAW accelerometer with extended dynamic range using a gap-changing moving electrode | |
| US20220416150A1 (en) | Clock device | |
| RU2692122C1 (ru) | Твердотельный датчик линейных ускорений | |
| RU170862U1 (ru) | Чувствительный элемент датчика удара | |
| RU137619U1 (ru) | Частотный микромеханический акселерометр | |
| Ghosh et al. | Resonant tuning fork strain gauge operating in air with decoupled piezoelectric transducers | |
| JP2009092396A (ja) | 振動式センサ | |
| JP2008304409A (ja) | 加速度検知ユニット及び加速度センサ | |
| Cheng et al. | Feasibility study of a pressure sensor based on double-ended tuning fork quartz resonator | |
| Guo et al. | An ultra high-Q micromechanical in-plane tuning fork | |
| RU2302007C1 (ru) | Резонатор электромеханический | |
| Nazdrowicz et al. | Estimation of Comb Structure Capacitance for MEMS Inertial Sensors |