RU2693030C1 - Двухосевой микромеханический акселерометр - Google Patents
Двухосевой микромеханический акселерометр Download PDFInfo
- Publication number
- RU2693030C1 RU2693030C1 RU2018143293A RU2018143293A RU2693030C1 RU 2693030 C1 RU2693030 C1 RU 2693030C1 RU 2018143293 A RU2018143293 A RU 2018143293A RU 2018143293 A RU2018143293 A RU 2018143293A RU 2693030 C1 RU2693030 C1 RU 2693030C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- fixed
- inertial mass
- substrate
- frame
- elastic elements
- Prior art date
Links
- 239000000758 substrate Substances 0.000 claims abstract description 18
- 239000000725 suspension Substances 0.000 claims abstract description 8
- 230000001133 acceleration Effects 0.000 abstract description 24
- 238000005259 measurement Methods 0.000 abstract description 5
- 239000003989 dielectric material Substances 0.000 abstract description 2
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract description 2
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract 1
- 238000006073 displacement reaction Methods 0.000 description 6
- 239000003990 capacitor Substances 0.000 description 5
- 230000035945 sensitivity Effects 0.000 description 5
- 230000007423 decrease Effects 0.000 description 1
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 1
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 1
- 238000005554 pickling Methods 0.000 description 1
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
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Pressure Sensors (AREA)
Abstract
Изобретение относится к области микросистемной техники, в частности к приборам для измерения линейного ускорения. Акселерометр содержит подложку из диэлектрического материала, анкерные блоки, неподвижно закрепленные на подложке, инерционную массу, Ω-образные упругие элементы, образующие подвес для осуществления развязки в двух ортогональных направлениях, наружную раму, внутри которой на Ω-образных упругих элементах подвеса закреплена промежуточная рамка, имеющая упругую связь с инерционной массой. Наружная рамка и инерционная масса снабжены гребенчатыми электродами, неподвижные части которых связаны с подложкой, подвижные электроды образуют единое целое с наружной рамкой и инерционной массой. Технический результат – повышение быстродействия и точности измерения ускорения, расширение арсенала технических средств, позволяющих измерять ускорение объекта в двух взаимно перпендикулярных направлениях. 1 ил.
Description
Изобретение относится к области микросистемной техники, в частности, к приборам для измерения линейного ускорения.
Известен двухосевой микромеханический акселерометр [ООО «Сотест АТЕ», https://sovtest-ate.com/equipment/dvukhosevoy-vysokotochnyy-mems-_-akselerometr-_-30g/], выполненный по технологии глубокого реактивного травления. Измерение двух составляющих ускорения осуществляется за счёт установки в корпусе двух одинаковых одноосных акселерометров с ортогональными измерительными осями. Каждый акселерометр содержит гребенчатую инерционную массу, установленную в корпусе на упругом подвесе с возможностью её перемещения внутри другой неподвижной гребёнки. Изменение ёмкости между «пальцами» гребёнок пропорционально линейному ускорению.
Недостатком данного акселерометра является выполнение устройства состоящим из двух однокомпонентных акселерометров, что увеличивает габариты акселерометра и требует обеспечения ортогональности их измерительных осей в корпусе с целью уменьшения чувствительности к перекрёстным ускорениям по ортогональным осям.
Из патента на изобретение CN №100567993 [МПК G01 P15/097, приоритет от 2006-10-11] известен двухосевой микромеханический резонанcный акселерометр, который содержит подложку, инерционную массу, упругие элементы, образующие подвес для осуществления развязки в двух ортогональных направлениях для улучшения чувствительности и разрешения в указанных двух направлениях, а также рычажное усилительное устройство, звуковую вилку, приводной электрод, детектирующий электрод.
Из патентной заявки CN №106597011 [МПК G01P15/02, приоритет от 2017-04-26] известен двухосевой микромеханический резонанcный акселерометр (прототип).
Конструкция двухосевого микромеханического резонаторного акселерометра состоит из анкерных блоков, размещенных с четырех сторон от расположенного с зазором над подложкой квадрата центральной инерционной массы и связанных с ней через Ω-образные упругие элементы, образующие подвес для осуществления развязки в двух ортогональных направлениях с целью улучшения чувствительности устройства и увеличения разрешения в указанных двух направлениях.
Общими недостатками конструкции этих акселерометров являются невысокие чувствительность и быстродействие, что является следствием использования частотно-резонансного принципа определения измеряемого ускорения, так как для измерения малых линейных ускорений требуется длительное время измерения изменения резонансной частоты. Для повышения точности необходимо увеличивать время измерения, что снижает быстродействие, при повышении быстродействия уменьшается точность измерения.
Технической проблемой, которую решает данное изобретение, является повышение быстродействия и точности двухосевого измерения ускорения, а также расширение арсенала технических средств, позволяющих измерять ускорение объекта в двух взаимно перпендикулярных направлениях.
Технический результат достигается тем что, в двухосевом микромеханическом акселерометре, содержащем анкерные блоки, неподвижно закрепленные на подложке, инерционную массу, расположенную с зазором относительно подложки, Ω-образные упругие элементы, образующие подвес, инерционная масса выполнена в виде рамки, к четырем вешним сторонам которой одним концом закреплены восемь Ω-образных упругих элементов, по два с каждой стороны, четыре из которых , закрепленные к концам двух противоположных сторон рамки, своими вторыми концами закреплены к анкерным блокам, а четыре других Ω-образных упругих элемента, закрепленные к концам двух других противоположных сторон рамки, своими вторыми концами закреплены изнутри к двум противоположным сторонам промежуточной рамки, которая в свою очередь посредством четырёх Ω-образных упругих элементов закреплена в наружной рамке, также закреплённой с её внешней стороны с помощью Ω-образных упругих элементов на анкерных блоках, при этом наружная рамка и внутренняя рамка инерционной массы снабжены гребенчатыми электродами, образующими плоские конденсаторы в паре с неподвижными гребенчатыми электродами, расположенными на подложке снаружи и внутри этих рамок соответственно.
Изобретение поясняется чертежом, на котором изображена принципиальная схема двухосевого микромеханического акселерометра.
Двухосевой микромеханический акселерометр содержит подложку 1, выполненную из диэлектрического материала, анкерные блоки 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, неподвижно закрепленные на подложке, инерционную массу 14, расположенную с зазором относительно подложки и выполненную в виде рамки, четыре Ω-образных упругих элемента 15, закрепленные с одной стороны к инерционной массе, с другой стороны к анкерным блокам 6, 7, 10, 11. Инерционная масса 14 соединена Ω-образными упругими элементами 16 с промежуточной рамкой 17, которая посредством четырёх Ω-образных упругих элементов 18 установлена с зазором в наружной рамке 19, закреплённой с зазором относительно подложки.
Четыре Ω-образных упругих элемента 20, с одной стороны закрепленные к наружной рамке 19, с другой стороны к анкерным блокам 2, 3, 5, 7, обеспечивают возможность перемещения наружной рамки вдоль оси Y. Ω-образные упругие элементы 15 размещены в микромеханическом акселерометре с возможностью перемещения инерционной массы 14 вдоль оси Х. Ω-образные упругие элементы 16 размещены в микромеханическом акселерометре с возможностью совершения линейных перемещений промежуточной рамки 14 вдоль оси Y, Ω-образные упругие элементы 18 обеспечивают возможность совершения линейных перемещений промежуточной рамки 14 вдоль оси Х.
На анкерных блоках 4 и 9 с противоположных сторон закреплены неподвижные электроды 21, 22, образующие с подвижными гребенчатыми электродами 23, 24, закреплёнными на наружной рамке 19, плоские конденсаторы, которые являются емкостными датчиками, измеряющими ускорение вдоль оси Y. На опорных элементах 12, 13 закреплены неподвижные электроды 25, 26, образующие с подвижными гребенчатыми электродами 27, 28, закреплёнными на инерционной массе 14, плоские конденсаторы, которые являются емкостными датчиками, измеряющими ускорение вдоль оси Х.
Устройство работает следующим образом.
При наличии линейного ускорения вдоль оси Y, вследствие действия инерционных сил, возникающих под действием ускорения, наружная рамка 19 совместно с промежуточной рамкой 17 перемещается вдоль оси Y, так как жёсткость упругих элементов 18 вдоль осей Z, Y намного больше их жёсткости вдоль оси X и жёсткость упругих элементов 16 вдоль оси Y намного меньше их жёсткости вдоль осей Z и X. Инерционная масса 14 при этом остаётся неподвижной.
Съем сигнала о действующем ускорении вдоль оси Y осуществляется с использованием ёмкостных гребенчатых электродов 21-22 и 22-24, так как перемещение наружной рамки вызывает изменение емкостей плоских конденсаторов, образованных этими электродами.
При наличии линейного ускорения вдоль оси Х инерционная масса 14 вместе с промежуточной рамкой 17 совершает движение относительно подложки только вдоль оси Х, так как жёсткость упругих элементов 15 по оси Х много меньше их жёсткости по другим осям, в то время как жёсткость упругих элементов 16 вдоль оси X намного больше их жёсткости вдоль осей Z и Y. Наружная рамка при этом остаётся неподвижной.
Съем сигнала о действующем ускорении вдоль оси Х осуществляется с использованием ёмкостных гребенчатых электродов 26-28 и 25-27, так как перемещение инерционного тела вызывает изменение емкостей плоских конденсаторов, образованных этими электродами.
Промежуточная рамка 17 выполняет функции развязывающей рамки, которая устраняет перекрёстное влияние ускорений по ортогональным осям Х и Y на съём информации датчиками, измеряющими перемещения инерционного тела 14 вдоль оси Х и наружной рамки 19 вдоль оси Y. В результате наличия промежуточной рамки акселерометр разделяет измеряемое ускорение на два независимых ортогональных направления. При наличии ускорения вдоль оси Y, перемещение инерционной массы 14 по этой оси относительно мало с учетом промежуточной рамки. Подобным образом, при ускорении вдоль оси Х, смещение наружной рамки по этой оси относительно мало. Конструкция подвеса промежуточной рамки уменьшает помехи между ортогональными направлениями X, Y.
Таким образом, предлагаемое устройство представляет собой двухосевой микромеханический акселерометр, позволяющий одновременно измерять величины линейных ускорений вдоль осей X и Y, расположенных ортогонально в плоскости диэлектрической подложки и расширяет арсенал технических средств, позволяющих измерять ускорение объекта в двух взаимно перпендикулярных направлениях. Ортогональность измерительных осей обеспечивается технологически при изготовлении. Использование гребенчатых электродов для съёма информации о перемещениях увеличивает чувствительность и быстродействие акселерометра, так как изменение емкостей между гребенчатыми электродами, которые несут в себе информацию об измеряемых ускорениях, происходит безынерционно по отношению к перемещениям наружной рамки и инерционного тела под действием ускорений.
Claims (1)
- Двухосевой микромеханический акселерометр, содержащий подложку, анкерные блоки, неподвижно закрепленные на подложке, инерционную массу, расположенную с зазором относительно подложки, Ω-образные упругие элементы, образующие подвес, отличающийся тем, что инерционная масса выполнена в виде рамки, к четырем внешним сторонам которой одним концом закреплены восемь Ω-образных упругих элемента, по два с каждой стороны, четыре из которых, закрепленные к концам двух противоположных сторон рамки, своими вторыми концами закреплены к анкерным блокам, а четыре других Ω-образных упругих элемента, закрепленные к концам двух других противоположных сторон рамки, своими вторыми концами закреплены изнутри к двум противоположным сторонам промежуточной рамки, которая, в свою очередь, посредством четырёх Ω-образных упругих элементов закреплена в наружной рамке, также закреплённой с её внешней стороны с помощью Ω-образных упругих элементов на анкерных блоках, при этом наружная рамка и внутренняя рамка инерционной массы снабжены гребенчатыми электродами, образующими плоские конденсаторы в паре с неподвижными гребенчатыми электродами, расположенными на подложке снаружи и внутри этих рамок соответственно.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2018143293A RU2693030C1 (ru) | 2018-12-06 | 2018-12-06 | Двухосевой микромеханический акселерометр |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2018143293A RU2693030C1 (ru) | 2018-12-06 | 2018-12-06 | Двухосевой микромеханический акселерометр |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2693030C1 true RU2693030C1 (ru) | 2019-07-01 |
Family
ID=67251972
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2018143293A RU2693030C1 (ru) | 2018-12-06 | 2018-12-06 | Двухосевой микромеханический акселерометр |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2693030C1 (ru) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2810694C1 (ru) * | 2023-10-17 | 2023-12-28 | Акционерное Общество "Государственное Машиностроительное Конструкторское Бюро "Радуга" Имени А.Я. Березняка" | Двухосевой микромеханический акселерометр с емкостным преобразователем перемещений |
Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU133617U1 (ru) * | 2013-02-20 | 2013-10-20 | Открытое акционерное общество "ГИРООПТИКА" (ОАО "ГИРООПТИКА") | Микромеханический осевой акселерометр |
RU2543686C1 (ru) * | 2013-10-16 | 2015-03-10 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Национальный исследовательский Томский политехнический университет" | Микромеханический акселерометр |
CN106597011A (zh) * | 2016-12-23 | 2017-04-26 | 中北大学 | 双轴mems谐振式加速度传感器结构 |
CN106597016A (zh) * | 2016-12-22 | 2017-04-26 | 四川纳杰微电子技术有限公司 | 一种电容式mems双轴加速度计 |
-
2018
- 2018-12-06 RU RU2018143293A patent/RU2693030C1/ru active
Patent Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU133617U1 (ru) * | 2013-02-20 | 2013-10-20 | Открытое акционерное общество "ГИРООПТИКА" (ОАО "ГИРООПТИКА") | Микромеханический осевой акселерометр |
RU2543686C1 (ru) * | 2013-10-16 | 2015-03-10 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Национальный исследовательский Томский политехнический университет" | Микромеханический акселерометр |
CN106597016A (zh) * | 2016-12-22 | 2017-04-26 | 四川纳杰微电子技术有限公司 | 一种电容式mems双轴加速度计 |
CN106597011A (zh) * | 2016-12-23 | 2017-04-26 | 中北大学 | 双轴mems谐振式加速度传感器结构 |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2810694C1 (ru) * | 2023-10-17 | 2023-12-28 | Акционерное Общество "Государственное Машиностроительное Конструкторское Бюро "Радуга" Имени А.Я. Березняка" | Двухосевой микромеханический акселерометр с емкостным преобразователем перемещений |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
CN107643423B (zh) | 一种基于模态局部化效应的三自由度弱耦合谐振式加速度计 | |
EP2893362B1 (en) | Dual and triple axis inertial sensors and methods of inertial sensing | |
FI126071B (en) | Improved gyroscope structure and gyroscope | |
CN108375371B (zh) | 一种基于模态局部化效应的四自由度弱耦合谐振式加速度计 | |
EP3353557B1 (en) | Improved microelectromechanical accelerometer device | |
EP3598146B1 (en) | Microelectromechanical device for out-of-plane motion detection | |
CN207908539U (zh) | 一种梳齿电容式三轴mems加速度传感器 | |
ITTO20130237A1 (it) | Struttura microelettromeccanica di rilevamento ad asse z ad elevata sensibilita', in particolare per un accelerometro mems | |
CN207832823U (zh) | 一种大质量块梳齿电容式三轴加速度传感器 | |
JP2018531377A6 (ja) | 改良型微小電気機械加速度測定装置 | |
RU2632264C1 (ru) | Датчик с подвижным чувствительным элементом, работающим в смешанном вибрирующем и маятниковом режиме, и способы управления таким датчиком | |
US20140238132A1 (en) | Mems resonant accelerometer | |
RU2693030C1 (ru) | Двухосевой микромеханический акселерометр | |
CN210572371U (zh) | 三轴电容式微加速度计 | |
KR20000075419A (ko) | 마이크로 자이로스코프 | |
Tavakoli et al. | Designing a new high performance 3-axis MEMS capacitive accelerometer | |
RU2543686C1 (ru) | Микромеханический акселерометр | |
Edalatfar et al. | Dual mode resonant capacitive MEMS accelerometer | |
RU55148U1 (ru) | Микромеханический осевой акселерометр | |
RU2573616C1 (ru) | Инерциальный элемент | |
CN107850430B (zh) | 具有组合的驱动和探测的mems转速传感器 | |
RU2693010C1 (ru) | Трёхосевой микромеханический акселерометр | |
Zhang et al. | Structure design and fabrication of silicon resonant micro-accelerometer based on electrostatic rigidity | |
Zhou et al. | Consideration of the fringe effects of capacitors in micro accelerometer design | |
RU131875U1 (ru) | Виброчастотный микромеханический акселерометр |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
QB4A | Licence on use of patent |
Free format text: LICENCE FORMERLY AGREED ON 20201126 Effective date: 20201126 |