Патент на изобретение №2173854

(54) КОМПЕНСАЦИОННЫЙ АКСЕЛЕРОМЕТР

(57) Реферат:

Изобретение относится к области измерительной техники, а именно к компенсационным преобразователям линейного ускорения с электростатическим обратным преобразователем. Техническим результатом изобретения является повышение устойчивости компенсационного акселерометра к воздействию ускорений, направление которых не совпадает с направлением измеряемого ускорения, а также повышение диапазона измеряемых ускорений. Акселерометр содержит первую пластину из монокристаллического материала, в которой образованы подвижный элемент, неподвижный элемент, вторую и третью пластины, дифференциальный емкостный преобразователь, двухфазный генератор напряжения переменного тока, источник опорного напряжения постоянного тока, усилитель с двумя противофазными выходами. Подвижный элемент выполнен единым элементом консольной конструкции с одинаковой толщиной по всей длине и ширине консоли, каждый из неподвижных электродов дифференциального емкостного преобразователя выполнен с расположением по длине консоли от границы между подвижным и неподвижным элементами до конца консоли. 2 з.п. ф-лы, 4 ил.

Изобретение относится к области измерительной техники, а именно к компенсационным преобразователям линейного ускорения с электростатическим обратным преобразователем.

Известен компенсационный акселерометр, содержащий первую пластину с подвижным элементом, неподвижным элементом и соединяющим их упругим шарниром, вторую и третью пластины, дифференциальный емкостной преобразователь положения подвижного элемента с неподвижными электродами на второй и третьей пластинах, электростатический обратный преобразователь с неподвижными электродами на второй и третьей пластинах, усилитель [1].

Такой компенсационный акселерометр имеет ограничение по верхнему пределу диапазона измеряемых ускорений вследствие того, что лимитируется компенсационная сила, так как на одних и тех же пластинах расположены неподвижные электроды дифференциального емкостного преобразователя и электростатического обратного преобразователя.

Наиболее близким по технической сущности является компенсационный акселерометр [2] , содержащий первую пластину из монокристаллического материала, неподвижный элемент, подвижный элемент в виде консоли с электропроводной поверхностью и соединяющий их упругий шарнир, вторую и третью пластины, дифференциальный емкостной преобразователь с неподвижными электродами на второй и третьей пластинах, генератор переменного тока, усилитель с двумя противофазными выходами, к которым подключены неподвижные электроды. Каждый неподвижный электрод выполнен из нескольких прямоугольных частей, подключаемых к выходам усилителя в зависимости от диапазона измерений без изменения основных конструктивных элементов акселерометра.

Недостатком такого компенсационного акселерометра является пониженная устойчивость к воздействию ускорений, направление которых перпендикулярно направлению измеряемого ускорения, вследствие недостаточной жесткости упругого шарнира в направлениях, отличных от направления измеряемого ускорения.

Техническим результатом данного изобретения является повышение устойчивости компенсационного акселерометра к воздействию ускорений, направление которых не совпадает с направлением измеряемого ускорения, а также повышение диапазона измеряемых ускорений.

Данный технический результат достигается в компенсационном акселерометре, содержащем первую пластину из монокристаллического материала, например кремния, в которой образованы подвижный элемент, неподвижный элемент, вторую и третью пластины, дифференциальный емкостный преобразователь, двухфазный генератор напряжения переменного тока, источник опорного напряжения постоянного тока, усилитель, состоящий из усилителя переменного тока, фазового детектора и усилителя постоянного тока с двумя противофазными выходами, причем на второй пластине расположен один из неподвижных электродов дифференциального емкостного преобразователя, на третьей пластине расположен второй неподвижный электрод дифференциального емкостного преобразователя, первая пластина между второй и третьей пластинами с зазором с каждой стороны между подвижным элементом и неподвижными электродами на соответствующей пластине, каждый неподвижный электрод дифференциального емкостного преобразователя на второй и третьей пластинах подсоединен к одному из выходов генератора напряжения переменного тока и одному из противофазных выходов усилителя постоянного тока, отличающимся тем, что подвижный элемент первой пластины выполнен как единый чувствительный элемент консольной конструкции, совмещающий подвижный элемент и упругий шарнир, роль которого выполняет сам подвижный элемент за счет собственной упругости, с одинаковой толщиной по всей длине и всей ширине консоли чувствительного элемента; подвижный электрод дифференциального емкостного преобразователя выполнен в виде электропроводной поверхности чувствительного элемента, подвижный электрод на чувствительном элементе подключен к источнику опорного напряжения постоянного тока и к входу усилителя переменного тока, каждый из неподвижных электродов дифференциального емкостного преобразователя выполнен с расположением по длине консоли чувствительного элемента от границы между чувствительным элементом и неподвижным элементом первой пластина до свободного конца консоли чувствительного элемента или далее, компенсационный акселерометр выполнен с верхним пределом a_м диапазона измеряемых ускорений, определяемым соотношением:

где k₁ – коэффициент;
– относительная диэлектрическая проницаемость среды между чувствительным элементом и неподвижными электродами на второй и третьей пластинах;
U_o – напряжение источника опорного напряжения;
U_м – максимальное выходное напряжение с каждого выхода усилителя постоянного тока;
d – зазор между каждым неподвижным электродом дифференциального емкостного преобразователя и чувствительным элементом;
– толщина чувствительного элемента;

где абсолютная диэлектрическая проницаемость;
– плотность материала чувствительного элемента;
длина l чувствительного элемента выполнена не менее величины, определяемой в соответствии с соотношением:

где k₂ – коэффициент;

где E – модуль упругости первого рода материала чувствительного элемента;
g – ускорение свободного падения.

В одном частном случае в компенсационном акселерометре неподвижный элемент первой пластины выполнен одинаковой толщины с чувствительным элементом.

В другом частном случае в компенсационном акселерометре чувствительный элемент выполнен с шириной консоли, равной или большей длины консоли.

Путем выполнения подвижного элемента первой пластины единым чувствительным элементом консольной конструкции, совмещающим подвижный элемент и упругий шарнир, с одинаковой толщиной по всей длине и ширине консоли чувствительного элемента, повышается жесткость консоли чувствительного элемента в направлении оси изгиба чувствительного элемента пропорционально третьей степени отношения ширины консоли чувствительного элемента к суммарной ширине упругих перемычек по сравнению с прототипом. Поэтому повышается устойчивость чувствительного элемента компенсационного акселерометра к воздействию ускорений, направленных вдоль оси чувствительного элемента.

Посредством выполнения подвижного элемента первой пластины единым чувствительным элементом консольной конструкции, совмещающим подвижный элемент и упругий шарнир, выполнения подвижного электрода дифференциального емкостного преобразователя в виде электропроводной поверхности чувствительного элемента, подключения подвижного электрода на чувствительном элементе к источнику опорного напряжения постоянного тока и к входу усилителя переменного тока, выполнения каждого из неподвижных электродов дифференциального емкостного преобразователя с расположением по длине консоли чувствительного элемента от границы между чувствительным элементом и неподвижным элементом первой пластины до свободного конца консоли чувствительного элемента в следящей системе компенсационного акселерометра, обеспечивается большая жесткость чувствительного элемента в направлении вдоль длины консоли по всей длине чувствительного элемента, так как наличие электростатических сил по всей площади чувствительного элемента, перпендикулярных поверхности чувствительного элемента, препятствует деформации чувствительного элемента вдоль длины консоли. В результате повышается устойчивость компенсационного акселерометра к ускорениям, направленным вдоль длины консоли.

Путем выполнения чувствительного элемента, совмещающего подвижный элемент и упругий шарнир, с одинаковой толщиной по всей длине и ширине, выполнения подвижного электрода как электропроводной поверхности чувствительного элемента, расположения неподвижных электродов по всей длине чувствительного элемента, обеспечивается повышенная жесткость чувствительного элемента в следящей системе компенсационного акселерометра вдоль измерительной оси компенсационного акселерометра.

При повышенной жесткости чувствительного элемента по всем трем осям появляется возможность выполнения чувствительного элемента толщиной в несколько микрометров. При выполнении толщины чувствительного элемента в несколько микрометров, зазора между чувствительным элементом и неподвижным электродом в несколько микрометров, напряжения опорного источника и выходного напряжения усилителя постоянного тока до 10 В в соответствии с выражением для верхнего предела а_м измеряемого ускорения достигается повышение верхнего предела до 10000 м/с² более независимо от длины и ширины консоли чувствительного элемента.

При выполнении длины l консоли чувствительного элемента в соответствии с расчетным соотношением повышается порог чувствительности компенсационного акселерометра, в результате чего увеличивается диапазон измеряемых ускорений.

На фиг. 1 представлен общий вид компенсационного акселерометра, на фиг. 2 – первая пластина, на фиг. 3 – третья пластина, на фиг. 4 – электрическая схема компенсационного акселерометра.

Компенсационный акселерометр (фиг. 1) содержит корпус 1, в котором установлены первая пластина 2 с единым чувствительным элементом 3 консольного типа, совмещающим подвижный элемент и упругий шарнир, и неподвижным элементом 4, вторая пластина 5 с неподвижным электродом 6 дифференциального емкостного преобразователя и третья пластина 7 с неподвижным электродом 8.

Первая пластина 2 выполнена из монокристаллического кремния и поверхности ее чувствительного элемента 3, обращенные к второй пластине 5 и третьей пластине 7, выполнены электропроводными путем, например применением легирования бором.

Между каждой поверхностью чувствительного элемента 3 и второй пластиной 5 и третьей пластиной 7 образован зазор d путем, например, напыления слоя 9 электроизоляционного материала на вторую пластину 5 и на третью пластину 7.

Консоль длиной l чувствительного элемента 3 образована от границы между неподвижным элементом 4 и чувствительным элементом 3 в месте защемления неподвижного элемента 4 между электроизоляционными слоями 9 на второй пластине 5 и третьей пластине 7 до свободного конца консоли чувствительного элемента 3.

Неподвижный электрод 6 и неподвижный электрод 8 дифференциального емкостного преобразователя расположены по всей длине консоли чувствительного элемента 3 от границы между неподвижным элементом 4 первой пластины 2 и чувствительным элементом 3 до свободного конца консоли чувствительного элемента 3.

Чувствительный элемент 3 выполнен с одинаковой толщиной d по всей его длине l и ширине b (фиг. 2).

Ось изгиба О-О чувствительного элемента 3 расположена на границе чувствительного элемента 3 и неподвижной части 4 первой пластины 2 параллельно плоскости первой пластины 2 и перпендикулярно направлению длины чувствительного элемента 3.

Чувствительный элемент 3 образован в первой пластине 2 путем анизотропного травления кремния до образования промежутков 11′, 11” между чувствительным элементом 3 и первой пластиной 2.

Неподвижные электроды 6 и 8 дифференциального емкостного преобразователя выполнены аналогично. Так неподвижный электрод 8 на третьей пластине 7 выполнен путем напыления электропроводного материала, например меди, на поверхность третьей пластины 7, имеет прямоугольную форму и размеры L l и B b (фиг. 3).

Компенсационный акселерометр (фиг. 4) содержит двухфазный генератор 12 напряжения переменного тока, источник 13 опорного напряжения постоянного тока, усилитель переменного тока 14, фазовый детектор 15, усилитель постоянного тока 16 с двумя противофазными выходами.

Дифференциальный емкостной преобразователь содержит конденсаторы C1 и C2, образованные электропроводной поверхностью чувствительного элемента 3 и неподвижным электродом 6 на второй пластине 5 и неподвижным электродом 8 на третьей пластине 7. Два выхода двухфазного генератора 12 переменного тока подсоединены через конденсаторы C3 и C4 к дифференциальному емкостному преобразователю.

Электропроводная поверхность чувствительного элемента 3 подключена к источнику 13 опорного напряжения постоянного тока с напряжением и через разделительный конденсатор C5 к входу усилителя переменного тока 14.

К одному из противофазных выходов усилителя постоянного тока 16 посредством резистора R1 подключен неподвижный электрод 6 на второй пластине 5. К другому противофазному выходу усилителя постоянного тока 16 посредством резистора R2 подключен неподвижный электрод 8 на третьей пластине 7.

Компенсационный акселерометр работает следующим образом. При наличии ускорения а по измерительной оси компенсационного акселерометра, перпендикулярной плоскости консоли чувствительного элемента 3, на чувствительный элемент действует инерционный момент М_и:

где b, l, – соответственно ширина, длина и толщина чувствительного элемента 3;
– плотность кремния – материала чувствительного элемента 3.

Под действием момента М_и чувствительный элемент 3 деформируется относительно оси изгиба О-О. При этом изменяются емкости конденсаторов C1 и C2 дифференциального емкостного преобразователя и с подвижного электрода, образованного электропроводной поверхностью чувствительного элемента 3, на вход усилителя переменного тока 14 поступит сигнал рассогласования следящей системы компенсационного акселерометра.

После усиления переменного сигнала рассогласования по току и амплитуде в усилителе переменного тока 14, преобразования его в сигнал постоянного тока в фазовом детекторе 15 и усиления по амплитуде в усилителе постоянного тока 16 на каждом его противофазном выходе появляется выходное напряжение U, которое подается на неподвижные электроды 6 и 8. При взаимодействии электростатических сил, вызванных напряжением U₀U, на чувствительный элемент 3 воздействует компенсационный момент М_к:

где – относительная диэлектрическая проницаемость среды между подвижным и неподвижным электродами дифференциального емкостного преобразователя;
_o – абсолютная диэлектрическая проницаемость;
d – зазор между каждым из неподвижных электродов 6, 8 и чувствительным элементом 3.

Компенсационный момент М_к уравновешивает инерционный момент М_и, и рассогласование следящей системы устраняется. При этом
М_и = М_к (3)
При подстановке в (3) выражений (1) и (2) получается:

Отсюда
U = Ka, (5)
где K – коэффициент преобразования компенсационного акселерометра.

Таким образом, выходное напряжение усилителя постоянного тока 16 пропорционально измеряемому ускорению.

На верхнем пределе а_м измеряемых ускорений
а = а_м (7)
При этом
U = U_м, (8)
где U_м – максимальное выходное напряжение усилителя постоянного тока 16.

При подстановке (7), (8) в выражение (4) получается:

Отсюда

где k₁ – коэффициент, равный:

Прогиб f свободного конца консоли чувствительного элемента

где g – распределенная нагрузка консоли;
E – модуль упругости первого рода.

В поле ускорения свободного падения распределенная нагрузка консоли чувствительного элемента 3:
g = bg (13)
Для обеспечения высокого порога чувствительного компенсационного акселерометра нужно по крайней мере, чтобы прогиб чувствительного элемента составлял:
f = d (14)
При подстановке в (12) выражений (13), (14) получается:

Отсюда длина консоли чувствительного элемента 3 должна быть не менее величины

где K₂ коэффициент, равный:

Для кремниевого чувствительного элемента E = 2 10¹¹ H/м².

Тогда K₂ = 48,78 м^1/4.

Выражениями (10), (16) устанавливается диапазон измеряемых ускорений посредством компенсационного акселерометра от нижнего предела до верхнего.

Так как весь чувствительный элемент 3 компенсационного акселерометра находится в поле действия электростатических сил, то следящей системой акселерометра парируются любые деформации чувствительного элемента, вызванные ускорениями по трем взаимно перпендикулярным осям.

Источники информации
1. Авторское свидетельство СССР N 1620944, кл. G 01 P 15/08 “Электростатический акселерометр”, 1991 г.

2. Патент RU N 2137141 C1, кл. G 01 P 15/13, “Компенсационный акселерометр”, 10.09.99.

Формула изобретения

1. Компенсационный акселерометр, содержащий первую пластину из монокристаллического материала, кремния, в которой образованы подвижный элемент, неподвижный элемент, вторую и третью пластины, дифференциальный емкостный преобразователь, двухфазный генератор переменного тока, источник опорного напряжения постоянного тока, усилитель, состоящий из усилителя переменного тока, фазового детектора и усилителя постоянного тока с двумя противофазными выходами, причем на второй пластине расположен один из неподвижных электродов дифференциального емкостного преобразователя, на третьей пластине расположен второй неподвижный электрод дифференциального емкостного преобразователя, первая пластина заключена между второй и третьей пластинами с зазором с каждой стороны между подвижным элементов и неподвижным элементом на соответствующей пластине, каждый неподвижный электрод дифференциального емкостного преобразователя на второй и третьей пластинах подсоединен к одному из противофазных выходов усилителя, отличающийся тем, что подвижный элемент первой пластины выполнен единым чувствительным элементом консольной конструкции, совмещающим подвижный элемент и упругий шарнир, с одинаковой толщиной по всей длине и всей толщине консоли чувствительного элемента, подвижный электрод дифференциального емкостного преобразователя выполнен в виде электропроводной поверхности чувствительного элемента, подвижный электрод на чувствительном элементе подключен к источнику опорного напряжения постоянного тока и к входу усилителя переменного тока, каждый из неподвижных электродов дифференциального емкостного преобразователя выполнен с расположением по длине консоли чувствительного элемента от границы между чувствительным элементом и неподвижным элементом первой пластины до свободного конца консоли чувствительного элемента или далее, компенсационный акселерометр выполнен с верхним пределом a_м диапазона измеряемых ускорений, определяемым соотношением

где К₁ – коэффициент,
– относительная диэлектрическая проницаемость среды между чувствительны элементом и неподвижными электродами на второй и третьей пластинах;
U_o – напряжение источника опорного напряжения;
U_м – максимальное выходное напряжение с каждого выхода усилителя постоянного тока;
d – зазор между каждым неподвижным электродом дифференциального емкостного преобразователя и чувствительным элементом;
– толщина чувствительного элемента,

где _o – абсолютная диэлектрическая проницаемость;
– плотность материала чувствительного элемента,
длина l консоли чувствительного элемента выполнена не менее величины, определяемой в соответствии с соотношением

где K₂ – коэффициент,

где Е – модуль упругости первого рода материала чувствительного элемента;
g – ускорение свободного падения.

2. Компенсационный акселерометр в соответствии с п.1, отличающийся тем, что неподвижный элемент первой пластины выполнен одинаковой толщиной с чувствительным элементом.

3. Компенсационный акселерометр в соответствии с п.1, отличающийся тем, что чувствительный элемент выполнен с шириной консоли, равной или большей длины консоли.

РИСУНКИ