Патент на изобретение №2186400

(54) ЧУВСТВИТЕЛЬНЫЙ ЭЛЕМЕНТ АКСЕЛЕРОМЕТРА

(57) Реферат:

Изобретение предназначено для использования в измерительной технике для преобразования линейного ускорения. Техническим результатом является повышение надежности. Чувствительный элемент содержит первую пластину, в которой образованы соединенные упругим шарниром неподвижная часть и подвижная часть с электропроводными поверхностями, дифференциальный емкостный преобразователь положения с неподвижными электродами на второй и третьей пластинах. На второй пластине выполнены первый и второй неподвижные электроды. На третьей пластине выполнены третий и четвертый неподвижные электроды. Одна часть дифференциального емкостного преобразователя положения образована первым и вторым неподвижными электродами и одной электропроводной поверхностью подвижной части, другая часть образована третьим и четвертым неподвижными электродами и второй электропроводной поверхностью подвижной части. 2 з.п. ф-лы, 6 ил.

Изобретение относится к области измерительной техники, а именно к преобразователям линейного ускорения.

Известен чувствительный элемент акселерометра, содержащий пластину с образованными в ней неподвижной и подвижной частями и датчики положения [1].

Наиболее близким по технической сущности является чувствительный элемент акселерометра [2] , содержащий первую пластину, в которой образованы соединенные упругим шарниром неподвижная часть и подвижная часть с электропроводными поверхностями, дифференциальный емкостный преобразователь положения с неподвижными электродами на второй и третьей пластинах.

Недостатком такого чувствительного элемента акселерометра является необходимость электрического соединения подвижной части с другими элементами акселерометра.

Техническим результатом изобретения является повышение надежности чувствительного элемента акселерометра.

Данный технический результат достигается в чувствительном элементе акселерометра, содержащем первую пластину, в которой образованы соединенные упругим шарниром неподвижная часть и подвижная часть с электропроводными поверхностями, дифференциальный емкостный преобразователь положения с неподвижными электродами на второй и третьей пластинах, тем, что на второй пластине выполнены первый и второй неподвижные электроды, на третьей пластине выполнены третий и четвертый неподвижные электроды, одна часть дифференциального емкостного преобразователя положения образована первым и вторым неподвижными электродами и одной электропроводной поверхностью подвижной части, другая часть дифференциального емкостного преобразователя положения образована третьим и четвертым неподвижными электродами и второй электропроводной поверхностью подвижной части, один из неподвижных электродов второй пластины и один из неподвижных электродов третьей пластины предназначены для подвода электрического сигнала от источника переменного тока, а остальные два неподвижных электрода предназначены для снятия выходного сигнала, являющегося мерой ускорения.

В одном частном случае исполнения чувствительного элемента акселерометра первая пластина выполнена из монокристаллического материала, например, кремния.

В другом частном случае исполнения чувствительного элемента акселерометра первый, второй, третий и четвертый неподвижные электроды выполнены равными по площади.

Путем выполнения первого и второго неподвижных электродов дифференциального емкостного преобразователя положения на второй пластине, третьего и четвертого неподвижных электродов на третьей пластине, образования одной части дифференциального преобразователя положения в составе первого и второго неподвижных электродов и одной электропроводной поверхности подвижной части, второй части дифференциального емкостного преобразователя положения в составе третьего и четвертого неподвижных электродов и второй электропроводной поверхности подвижной части обеспечивается выполнение дифференциального емкостного преобразователя положения без электрического соединения подвижной части с элементами акселерометра. В результате повышается надежность чувствительного элемента акселерометра, так как не нарушается его функционирование при потере электрического контакта подвижной части с элементами акселерометра.

На фиг. 1 представлен общий вид чувствительного элемента акселерометра, на фиг. 2 – вид первой пластины, на фиг.3 – вид второй пластины, на фиг.4 – вид третьей пластины, на фиг.5 – вариант выполнения третьей пластины, на фиг.6 – электрическая схема чувствительного элемента.

В чувствительном элементе акселерометра (фиг.1) в первой пластине 1 выполнены неподвижная часть 2, подвижная часть 3 и соединяющий их упругий шарнир 4. Посредством служащей для образования зазора d прокладки 5 на первую пластину 1 установлена вторая пластина 6 с первым неподвижным электродом 7 и вторым неподвижным электродом 8 дифференциального емкостного преобразователя положения. Посредством служащей для образования зазора d прокладки 9 на первую пластину 1 установлена третья пластина 10 с третьим неподвижным электродом 11 и четвертым неподвижным электродом 12 дифференциального емкостного преобразователя положения.

В случае выполнения первой пластины 1 из электропроводного материала ее поверхности 13, 14 являются электропроводными.

В случае выполнения первой пластины 1 из монокристаллического кремния поверхности 13, 14 выполняются электропроводными путем легирования кремния бором.

Упругий шарнир 4 в первой пластине 1 (фиг.2) образован упругими перемычками 15′, 15″, соединяющими неподвижную часть 2 с подвижной частью 3 и расположенными симметрично относительно оси 16-16 чувствительного элемента акселерометра. Ось 17-17 упругого шарнира расположена перпендикулярно оси 16-16.

На второй пластине 6 (фиг.3) первый 7 и второй 8 неподвижные электроды дифференциального емкостного преобразователя положения расположены симметрично относительно оси 18-18, параллельной оси 17-17 упругого шарнира.

На третьей пластине 10 (фиг.4) третий 11 и четвертый 12 неподвижные электроды дифференциального емкостного преобразователя положения расположены симметрично относительно оси 18-18, параллельной оси 17-17 упругого шарнира.

Первый 7, второй 8, третий 11 и четвертый 12 неподвижные электроды могут быть выполнены в виде напыленного слоя металла, например, меди, на поверхности второй пластины 6 и третьей пластины 10 из электроизоляционного материала.

Неподвижные электроды дифференциального емкостного преобразователи могут быть выполнены, например, так, что первый 11 и второй 12 неподвижные электроды на второй пластине 6 расположены симметрично относительно оси 16-16, перпендикулярной оси 17-17 упругого шарнира (фиг.5).

Первый 7, второй 8, третий 11 и четвертый 12 неподвижные электроды могут быть выполнены равными по площади.

В чувствительном элементе акселерометра (фиг.6) конденсатор С1 дифференциального емкостного преобразователя образован первым неподвижным электродом 7, вторым неподвижным электродом 8 и одной из электропроводных поверхностей 13, 14 подвижной части 3 между первым неподвижным электродом 7 и вторым неподвижным электродом 8. Конденсатор С2 образован третьим неподвижным электродом 11, четвертым неподвижным электродом 12 и одной из электропроводных поверхностей 13, 14 подвижной части 3 между третьим неподвижным электродом 11 и четвертым неподвижным электродом 12.

При включении дифференциального емкостного преобразователя в мостовую схему с резисторами R1, R2, например, первый неподвижный электрод 7 подключен к одному выводу источника переменного тока U_n, третий неподвижный электрод 11 подключен к второму выводу источника питания переменного тока, а второй неподвижный электрод 8 и четвертый неподвижный электрод 12 соединены вместе, и с них снимается выходной сигнал U_а.

Чувствительный элемент акселерометра работает следующим образом. При наличии ускорения под действием инерционной силы происходит угловое перемещение подвижной части 3 (фиг.1). Пусть ускорение направлено так, что при угловом перемещении подвижной части 3 электропроводная поверхность 13 подвижной части 3 приближается к второй пластине 6, а электропроводная поверхность 14 отдаляется от третьей пластины 10. Тогда емкость конденсатора С1 (фиг.6) увеличивается, а емкость конденсатора С2 уменьшается. При величине емкости конденсатора С1, большей емкости конденсатора С2, между точкой соединения резистора R1 с резистором R2 и точкой соединения второго неподвижного электрода 8 с четвертым неподвижным электродом 12 появляется выходной сигнал мостовой схемы U_a0, являющийся мерой ускорения. Выходной сигнал мостовой схемы U_а может использоваться также в схеме обработки сигнала акселерометра для компенсации инерционной силы.

Источники информации
1. Патент ФРГ 3740688, кл. G 01 Р 15/12. Микромеханический датчик ускорения с высокой избирательностью по осям. 1987 г.

2. Патент РФ 2147751, МПК⁷ G 01 P 15/125. Чувствительный элемент устройства для измерения ускорения. 2000 г.

Формула изобретения

1. Чувствительный элемент акселерометра, содержащий первую пластину, в которой образованы соединенные упругим шарниром неподвижная часть и подвижная часть с электропроводными поверхностями, дифференциальный емкостный преобразователь с неподвижными электродами на второй и третьей пластинах, отличающийся тем, что на второй пластине выполнены первый и второй неподвижные электроды, на третьей пластине выполнены третий и четвертый неподвижные электроды, одна часть дифференциального емкостного преобразователя положения образована первым и вторым неподвижными электродами и одной электропроводной поверхностью подвижной части, другая часть дифференциального емкостного преобразователя положения образована третьим и четвертым неподвижными электродами и второй электропроводной поверхностью подвижной части, один из неподвижных электродов второй пластины и один из неподвижных электродов третьей пластины предназначены для подвода электрического сигнала от источника переменного тока, а остальные два неподвижных электрода предназначены для снятия выходного сигнала, являющегося мерой ускорения.

2. Чувствительный элемент акселерометра по п. 1, отличающийся тем, что первая пластина выполнена из монокристаллического материала, например кремния.

3. Чувствительный элемент акселерометра по п. 1, отличающийся тем, что первый, второй, третий и четвертый неподвижные электроды выполнены равными по площади.

РИСУНКИ