RU1791782C - Полупроводниковый интегральный тензоаксельрометр - Google Patents

Abstract

Использование: приборостроение, повышение вибропрочности и точности измерени  механических величин, например линейных ускорений,и т. д. Сущность изобретени : полупроводниковый интегральный тензоакселерЬмётр содержит рамку 1, расположенную в корпусе 2. Корпус 2 выполнен в виде двух крышек 3. 4. Внутри рамки 1 расположен выполненный за одно целое с ней консольно-защемленный упругий элемент 5 с профилированной областью 7 и инерционной массой 6. На упругом элементе ё расположена тензочувствйтёльна  схема 8, расположенна  над профилированной областью 7. В крышках 3, 4 симметрично относительно друг друга выполнены ступени 10, 11 с определенными геометрическими размерами элементов конструкции . 3 ил.

Description

Изобретение относитс  к измеритель1 ной технике и может быть использовано в датчиках механических величин, например, вибрации, линейных ускорений и т. д.

Известен тензоакселерометр, содержащий корпус с расположенной в нем консоль- но-защемленной балкой с выполненной на ней тензочувствительной схемой.

Указанный тензпакселерометр обладает малой чувствительностью ввиду большой жесткости балки, кроме того, функционирование акселерометра обеспечиваетс  при использовании пассивных навесных рези- . сторов, что приводит к существенному его усложнению (увеличению габаритов, веса и т.д.), а следовательно, к резкому уменьшению точности измерени .

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому  вл етс  интеграль- ный тензоакселорометр, содержащий1 рамку, расположенную в корпусе, выполненном в виде двух крышек, внутри рамки

расположен консольно-защемленный, выполненный заодно с рамкой упругий элемент с расположенной над профилированной областью тензочувствительной схемой.

Преимуществом данного тензоакселё- рометра  вл етс  то, что он представл ет собой микроконструкцию из кремни  в интегральном исполнении, у которого профилированна  область выполн ет роль концентратора напр жени , благодар  чему чувствительность его больше по сравнению с аналогом. Роль груза в данном случае играет сама консоль, впполненна  из кремни  заодно с упругим элементом. Однако указанный акселерометр обладает низкой вйб- ропрочностью и точностью.

Это обусловлено главным образом тем, при воздействии вибро- и ударных ускорений , превышающих определенный уровень, процесс ограничени  носит ударный характер , при этом на профилированные переVJ

О

XI 00 Ю

мычки действуют две силы: сила инерции, .Рим, приложенна  к точке вблизи центра инерции груза, и противодействующа  ей сила ограничени  Рогран, приложенна  к концу консоли со стороны крышек, Ввиду несовпадени  точек приложени  этих сил возникает крут щий момент М, что приводит к разрушению балки в области профилированных перемычек, В этом случае эффективность ограничени  низка, а, следо- вательно, неёйсока ейбро- и ударопрочность т%нзоЖсеТт 1&оШтра. :

Кро мё того, данна  конструкци  не обеспечивает эффективного демпфировани , поэтому добротность системы велика, Это приводит к тому, что тензоакселерометр обладает большими неравномерностью амплитудно-частотной характеристики (АЧХ) и амплитудой паразитного сигнала, что обус- ла&лШ а ё т увеличение погрешности йзмере- ни , г; е. уменьшение точности.

Целью изобретени   вл етс  повышение вибропрочности и точност измерёнй  .

Цель доетиГа ётЪ Г тем1, что в йз вестном интегральном тёШбакСё/Гёрометре ; содер- жащем рамку, расположённую в корпусе, выполненном в виде двух крышек, бнутри которой расположён конебльнб-защёмленный , выполненный заодно с рамкой упругий элемент с инерционной массой и располр- женной над профилированной областью

тензочувствительной .схемой, в крышках симметрично относительно Друг друга выполнены ступени, ориентированные /перпендикул рно оси упругого элемента и расположенные соответственно над и под инерционной массой на рассто нии Li от профилированной области с тензосхемой и глубине п, причем L 2/3L;n 3/2Hi , где I

- рассто ние от профилированной области с тензосхемой до конца упругого элемента; Hi - ёелйчина зазора между упругим элементом и крышками вблизи профилированной области; или на инерционной массе со стороны нижней крышки выполнена сту- пень. Технических решений1, имеющих признаки , сходньге с отличительными, нами не обнаружено.

На фиг. 1 представлена конструкци  по- лупрбводнйкЬвого интегрального тензоак- селерометра; на фиг. 2 - часть конструкции интегрального тензоакселерометра в увеличенном масштабе дл  нагл дности; на фиг. 3 - конструкци  интегрального тензоакселерометра , в котором в крышках выполнены ступени, .

Полупроводниковый интегральный тензоакселерометр содержит рамку 1, расположенную в корпусе 2, выполненном в виде двух крышек 3 и 4. Внутри рамки 1 расположен консольно-защемленный, выполненный заодно с рамкой упругий элемент 5, на конце которого расположена инерционна  масса 6. На упругом элементе 5, над профилированной областью 7 расположена тензо- чувствительна  схема 8 с контактными площадками 9. В интегральном тензоаксе- лерометре в крышках 3 и 4 симметрично относительно друг друга выполнены ступени 10, 11, которые ориентированы перпен- дйкул рнЪ оси упругого элемента 5 и расположены над и под инерционной массой 6 на рассто нии Li от профилированной области 7 с тензосхемой 8 и глубине h, причем Li 2/3L; h 3/2hi, где L - рассто ние от профилированной области с тензосхемой 8до конца упругого элемента 5; hi - величина зазора между упругим элементом 5 и крышками 3 и 4 вблизи профилированной области 7 (см. фиг. 3).

Устройство по фиг. 1, 2 работает следующим образом. При воздействии измер в-. мого ускорени  на упругий элемент 5 действует сила инерции F .m п, где т - масса; п - измер емое ускорение, в результате чего он деформируетс . Максимальна  величина деформации достигаетс  в области минимальной жесткости упругого элемента 5, т; е. в зоне над профилированной .областью 7. Тензочувствительна  схема 8 преобразует деформацию, в электрический сигнал, при максимальном измер емом ус- корёний наступает ограничение перемещени  груза, т. е. консоль своим концом касаетс  дна нижней или верхней крышек.

В результате на профилированные перемычки 7 действует крут щий момент М пары сил: сила инерции Рин и силы ограничени  Рогран(см. фиг. 2), который приводит к разрушению балки в области 7. Вибропрочность в этом случае очень низка, а также велика погрешность измерени  ускорени  из-за Значительной неравномерности АЧХ, т. е. тем самым акселерометр-прототип обладает невысокой точностью..

В предлагаемом интегральном тензоак- селерометре, выполненном, как показано на фиг. 3, указанные недостатки отсутствуют , это достигаетс  тем, что в крышках 3 и 4 симметрично относительно друг друга выполнены ступени 10,11, которые ориентированы перпендикул рно оси упругого элемента 5 и расположены над и под инерционной массой б (грузом) на рассто нии Li от профилированной области 7 с тензосхемой 8 и глубине h, причем Li 2/3L; h. 3/2hi, где L - рассто ние от профилированной области до конца.упругого элемента 5; fn - величина зазора между упругим.элементом 5 и крышками 3 и 4 вблизи профилирЬва нной области 7 (см. фиг. 2). При указанной длине Li и глубине, h расположени  ступеней 10, 11 под действием ускорений, превышающих определенный уровень, ограничение перемещени  груза происходит при касании последним ступеней.

Дл  удобства сравнительного анализа за вл емого решени  и прототипа предположим , что они обладают равным диапазоном измерени  сигнала, т. е. что ограничение в обеих конструкци х достигаетс  при равном сигнале (а значит, при одной и той же деформации тёнзосхемы, т. е. при одном и том же угле поворота груза относительно профилированной области). Как видно из чертежей, при этом исходный зазор между грузом и крышками в прототипе будет равен h - зазору в за вл емой конструкции в области ступеней. Величина же hi в за вл емой конструкции будет мень- ше: hi 2/3h. Очевидно, что в результате демпфирование (трение о воз дух) в за вл - емой конструкции будет более эффективным , в свою очередь это означает меньшую величину добротности, а значит, меньшую неравномерность АЧХ в рабочей полосе частот и меньшие амплитуды высокочастотных сигналов по сравнению с прототипом. Таким образом, за вл ема  конструкци  при том же динамическом диапазоне обладает меньшей величиной динамической погрешности , т, е. обеспечивает более высокую точность измерений.

Рассмотрим теперь более детально процесс ограничени  перемещени  груза в за-  вл емом решении, например, под воздействием удара с амплитудой, превышающей номинальную, и его отличи  по сравнению с прототипом.

Во-первых, процесс ограничени  будет носить более плавный характер, а именно груз в момент ограничени  будет обладать меньшей скоростью (по сравнению с прототипом ), это вызвано тем, что, как показано выше, за вл емое решение обладает более эффективным демпфированием, т. е. в нем реализуетс  большее воздушное трение.

Во-вторых (и это, пожалуй, более важно сточки зрени  повышени  вибро- и удароп- рочности), точка приложени  силы (реакции) со стороны крышки мен етс  (по сравнению с прототипом), в за вл емой конструкции сила прикладываетс  не к концу груза, а к точке, расположенной над краем ступени, т. е. удаленной от профилированной области HaLi-2/3L-.

Как следует из уравнени  движени  груза , 8 этом случае дополнительные воздействи  ударного характера (перерезывающа  сила в частности) на профилированную область пренебрежимо малы. Поскольку именно эти воздействи  обуславливали разрушение упругого элемента в прототипе, то за вл емое решение обеспечивает значительное повышение вибро- и ударопрочно- сти.

За вл емое расположение ступеней и их глубина  вл ютс  оптимальными и обеспечивают максимальный полезный эффект. Изменение их расположени  или глубины снижает полезный эффект, естественно, необходимо сравнивать конструкции с одинаковым уровнем ограничени , тем же, что в прототипе (т. е. с тем же углом наклона консоли при ограничении). При пропорциональном увеличении Li и hi уровень ограничени  не изменитс ; но при ограничении возникнут те же отрицательные эффекты , что и в прототипе, хот  и е меньшей степени.

При уменьшении Li и hi (no отношению к оптимальному) также возникнут те же отрицательные эффекты (лишь перерезывающа  сила, действующа  на профилированную перемычку при ограничении , и заменит знак).

Наконец, при увеличении глубины ступеней , т. е. если h (L/Li) -hi, уровень ограничени  не изменитс , т. к. ограничение будет происходить.в конце консоли, но при этом будут иметь место те же отрицательные эффекты, что и в прототипе а эффективность демпфировани  по сравнению с оптимальным выполнением будет ниже.

Таким образом, за вл емое решение по сравнению с прототипом обеспечивает более высокую точность измерений и существенно повышает вибро- и ударопрочность акселерометра.

Испытани  лабораторных образцов интегральных тензоакселерометров показали, что повышение вибропрочности составило 3...10 раз (3 образца), ударопрочное™ - 5 ...17 раз (5 образцов). Кроме того, в силу более эффективного демпфировани  испытанные , тензоакселерометры обладали добротностью б 1,5... 3 и неравномерностью АЧХ 3% (у известного тензоакселерометра с тем же уровн ем ограничени  добротность системы составл ла 0 3... 10 и более; неравномерность АЧХ - 10%). Таким образом , за вл емо решение обеспечивает и повышение точности.- -,-:--.

Использование предлагаемого интегрального тензоакселерометра по сравнению с известным тензоакселерометром позволит обеспечить следующее:

- повысить вибро- и ударопрочность в 5 ... 10 раз;

- повысить точность измерений.

Claims (1)

1. Формула изобретени  Полупроводниковый интегральный тен- зоакселерометр,содержащий рамку, расположенную в корпусе, выполненном в виде двух крышек, внутри рамки расположены 5 выполненные за одно целое с ней консоль- но-защемленный упругий элемент с профилированной областью и инерционной массой, а также тензочувствительную схести , в крышках вблизи профилированной области симметрично относительно друг друга выполнены ступени, ориентированные перпендикул рно к оси упругого эле- мента, длиной I от профилированной области с тензосхемой и глубиной h, причем 21 ..;.-....... . : I TJ L; h -п Н, где L - рассто ние от

   профилированной области с тензосхемой

   му, расположенную над профилированной10 до конца упругого элемента: Н - рассто ние

   областью, от л И ч а ю щ и и с и тем, что, смежду упругим элементом и крышками пецёлью повышени  вибропрочнрстй и точно-ред ступен ми. .

   /-. :. -, в . . -: 1 г з ;

   ////

   сти, в крышках вблизи профилированной области симметрично относительно друг друга выполнены ступени, ориентированные перпендикул рно к оси упругого эле- мента, длиной I от профилированной области с тензосхемой и глубиной h, причем 21 ..;.-....... . : I TJ L; h -п Н, где L - рассто ние от

   профилированной области с тензосхемой

   FUH Фиг. г ю