RU2251702C1 - Micromechanical accelerometer - Google Patents

Abstract

FIELD: measuring engineering.

SUBSTANCE: accelerometer comprises housing, sensor made of monocrystalline silicon in the form of conducting inertia mass made of a pendulum having two arms and suspended with the use of cross-shaped torsion bars with X-shaped cross-section, and printed circuit board made of a dielectric plate with two pairs of electrodes arranged symmetrically with respect to the axis of the suspension of the electrodes of the capacitive system for measuring displacements and electrodes of the pickup for measuring electrostatic momentum, respectively. The symmetry axis of the inertia mass is in coincidence with the axis that passes through the torsion bars of the suspension. The pendulum suspension is made by removing a part of one arm of the inertia mass on the outer surface of the arm of the inertia mass with respect to the printed circuit board. The surface is provided with T-shaped stiffeners. The sloping sides of the cross-shaped torsions are oriented in the direction of the crystallographic grid of the monocrystalline silicon.

EFFECT: enhanced precision and sensitivity of the accelerometer.

3 dwg

Description

Изобретение относится к инерциальным приборам и может быть использовано в системах управления подвижных объектов различного назначения, а также в качестве индикаторов движения объектов.The invention relates to inertial devices and can be used in control systems of moving objects for various purposes, as well as indicators of movement of objects.

Известны микромеханические акселерометры (ММА) [1, 2].Known micromechanical accelerometers (MMA) [1, 2].

Особенностью ММА является преимущественное изготовление чувствительных элементов этих приборов из материалов на основе кремния по кремниевой технологии, что предопределяет: малые габариты и массу приборов; возможность применения групповой технологии изготовления и, следовательно, невысокую стоимость изготовления при массовом производстве; высокую надежность в эксплуатации.A feature of MMA is the predominant manufacture of sensitive elements of these devices from materials based on silicon using silicon technology, which determines: small dimensions and mass of devices; the possibility of using group manufacturing technology and, consequently, the low cost of manufacturing in mass production; high reliability in operation.

Наиболее близким по своей технической сущности к заявляемому изобретению является микромеханический акселерометр, содержащий корпус, чувствительный элемент, выполненный из монокристаллического кремния в виде электропроводящей инерционной массы, представляющей собой маятник, имеющий два плеча и подвешенный с помощью торсионов, и электрическую плату, представляющую собой диэлектрическую пластину с электродами [3].Closest in technical essence to the claimed invention is a micromechanical accelerometer containing a housing, a sensing element made of monocrystalline silicon in the form of an electrically conductive inertial mass, which is a pendulum having two arms and suspended by torsion bars, and an electric board, which is a dielectric plate with electrodes [3].

Известный ММА [3] обладает следующими существенными недостатками.Known MMA [3] has the following significant disadvantages.

Ось симметрии фигуры инерционной массы не совпадает с осью, проходящей через торсионы подвеса, что не обеспечивает симметричность элементов емкостной системы съема перемещений и элементов электростатического датчика момента по отношению к поверхности инерционной массы, обращенной к электрической плате. При этом не симметрируются так называемые "паразитные" электрические емкости. Это оказывает влияние на изменение уровня нулевого сигнала емкостной системы съема перемещений, а также на изменение ее масштабного коэффициента.The axis of symmetry of the figure of the inertial mass does not coincide with the axis passing through the torsion bars of the suspension, which does not ensure the symmetry of the elements of the capacitive displacement system and the elements of the electrostatic moment sensor with respect to the surface of the inertial mass facing the electric circuit board. In this case, the so-called "parasitic" electric capacitances are not balanced. This has an effect on the change in the level of the zero signal of the capacitive system of movement removal, as well as on the change in its scale factor.

Маятниковый подвес обеспечен путем смещения оси симметрии фигуры инерционной массы относительно оси подвеса, проходящей через его торсионы, при этом на внешней, по отношению к электрической плате, стороне большего плеча инерционной массы размещается дополнительный груз, увеличивающий общую массу, увеличивая тем самым изгибные деформации торсионов подвеса по "паразитным" степеням свободы при линейных перегрузках. В результате снижается устойчивость и прочность ММА к линейным перегрузкам и механическим ударам.The pendulum suspension is provided by shifting the axis of symmetry of the figure of the inertial mass relative to the axis of the suspension passing through its torsions, while an additional load is placed on the outer side of the inertial mass with respect to the electric circuit board, increasing the total mass, thereby increasing the bending deformations of the suspension torsion by "spurious" degrees of freedom with linear overloads. As a result, the stability and strength of MMA to linear overloads and mechanical shocks is reduced.

Техническим результатом предлагаемого изобретения является повышение точности микромеханического акселерометра, повышение его чувствительности при повышении устойчивости и прочности по отношению к линейным перегрузкам и механическим ударам.The technical result of the invention is to increase the accuracy of the micromechanical accelerometer, increase its sensitivity while increasing stability and strength with respect to linear overloads and mechanical shocks.

Для достижения поставленной цели в ММА, содержащем корпус, чувствительный элемент, выполненный из монокристаллического кремния в виде электропроводящей инерционной массы, представляющей собой маятник, имеющий два плеча и подвешенный с помощью торсионов, электрическую плату, представляющую собой диэлектрическую пластину с электродами, торсионы выполнены крестообразными с поперечньм сечением в виде Х-образного профиля, электроды симметрично размещены относительно оси подвеса и расположены двумя парами - соответственно электроды емкостной системы съема перемещений и электроды электростатического датчика момента, ось симметрии фигуры инерционной массы совмещена с осью, проходящей через торсионы подвеса, а маятниковый подвес обеспечен удалением части одного плеча инерционной массы на внешней по отношению к электрической плате поверхности плеча инерционной массы, при этом указанная поверхность выполнена с ребрами жесткости, причем профиль поперечного сечения ребер жесткости имеет Т-образную форму, а наклонные грани крестообразных торсионов с профилем поперечного сечения в виде X-образной формы ориентированы по направлению (111) кристаллографической решетки монокристаллического кремния.To achieve this goal in an MMA containing a housing, a sensitive element made of monocrystalline silicon in the form of an electrically conductive inertial mass, which is a pendulum having two arms and suspended using torsion bars, an electric board, which is a dielectric plate with electrodes, torsion bars are made crosswise with cross-section in the form of an X-shaped profile, the electrodes are symmetrically placed relative to the axis of the suspension and are arranged in two pairs - respectively, the electrodes are capacitive of the displacement motion system and electrodes of the electrostatic moment sensor, the axis of symmetry of the inertial mass figure is aligned with the axis passing through the torsion bars of the suspension, and the pendulum suspension is provided by removing part of one arm of the inertial mass on the surface of the inertial mass arm external to the electric circuit board, while this surface made with stiffeners, and the cross-sectional profile of the stiffeners has a T-shape, and the inclined faces of the cross-shaped torsion bars with the transverse profile X-shaped sections are oriented in the (111) direction of the crystallographic lattice of single-crystal silicon.

Изобретение иллюстрируется графическими материалами, где изображено:The invention is illustrated by graphic materials, which depict:

Фиг.1 - конструктивная схема ММА;Figure 1 - structural diagram of MMA;

Фиг.2 - профиль сечения ребра жесткости;Figure 2 is a sectional profile of a stiffener;

Фиг.3 - ориентация граней крестообразных торсионов по отношению к кристаллографическим осям монокристаллического кремния.Figure 3 - orientation of the faces of the cruciform torsion with respect to the crystallographic axes of single-crystal silicon.

ММА согласно изобретению содержит (фиг.1) проводящую инерционную массу 1, подвешенную с помощью крестообразных торсионов 2 в корпусе 3. Корпус вместе с подвесом инерционной массы закреплен на электрической плате, представляющей собой диэлектрическую пластину 4 с двумя парами электродов, симметрично расположенных относительно оси подвеса, - соответственно электродов 5 емкостной системы съема перемещений и электродов 6 электростатического датчика момента. Ось симметрии фигуры инерционной массы совпадает с осью Хт, проходящей через торсионы подвеса. Маятниковый подвес обеспечивается удалением массы на внешней стороне одного плеча инерционной массы - на ней сделаны углубления 7, при этом для обеспечения высокой жесткости на изгиб и кручение указанного плеча его поверхность выполнена с ребрами жесткости 8.MMA according to the invention contains (Fig. 1) a conductive inertial mass 1 suspended using crosswise torsion bars 2 in the housing 3. The housing together with the suspension of the inertial mass is mounted on an electric board, which is a dielectric plate 4 with two pairs of electrodes symmetrically located relative to the axis of the suspension , respectively, the electrodes 5 of the capacitive system of removal of displacements and the electrodes 6 of the electrostatic torque sensor. The axis of symmetry of the figure of the inertial mass coincides with the axis Xm passing through the torsion bars of the suspension. The pendulum suspension is provided by removing the mass on the outside of one shoulder of the inertial mass - recesses 7 are made on it, while to ensure high rigidity for bending and torsion of the specified shoulder, its surface is made with stiffeners 8.

Совмещение оси симметрии фигуры инерционной массы с осью, проходящей через торсионы подвеса, обеспечивает симметричность элементов емкостной системы съема перемещений и элементов электростатического датчика момента по отношению к поверхности инерционной массы, обращенной к электрической плате. При этом симметрируются так называемые "паразитные" электрические емкости, что позволяет снизить их влияние на изменение уровня нулевого сигнала емкостной системы съема перемещений, а также на изменение ее масштабного коэффициента.The combination of the axis of symmetry of the figure of the inertial mass with the axis passing through the torsion bars of the suspension ensures the symmetry of the elements of the capacitive displacement system and the elements of the electrostatic moment sensor with respect to the surface of the inertial mass facing the electric circuit board. At the same time, the so-called "parasitic" electric capacitances are balanced, which helps to reduce their influence on the change in the level of the zero signal of the capacitive system of displacement movement, as well as on the change in its scale factor.

Выполнение маятникового подвеса удалением части массы с внешней, по отношению к электрической плате, стороны одного плеча инерционной массы снижает ее массу, уменьшая тем самым изгибные деформации торсионов подвеса по "паразитным" степеням свободы при линейных перегрузках. В результате повышается устойчивость и прочность ММА к линейным перегрузкам и механическим ударам. Выполнение указанного выше плеча инерционной массы с ребрами жесткости также снижает ее изгибные и крутильные деформации при перегрузках, при этом наибольшую жесткость обеспечивает профиль поперечного сечения ребер жесткости в виде Т-образной формы (фиг.2).Performing a pendulum suspension by removing part of the mass from the external, with respect to the circuit board, side of one arm of the inertial mass reduces its mass, thereby reducing the bending deformation of the torsion bars of the suspension by “spurious” degrees of freedom with linear overloads. As a result, the stability and strength of MMA to linear overloads and mechanical shocks is increased. The implementation of the above shoulder inertial mass with stiffeners also reduces its bending and torsional deformations during overloads, while the greatest rigidity provides the cross-sectional profile of the stiffeners in the form of a T-shape (figure 2).

При ориентации наклонных граней крестообразных торсионов с профилем поперечного сечения Х-образной формы по направлению (111) кристаллографической решетки монокристаллического кремния оси торсиона - Xт, Yт развернуты по отношению к осям Хк, Yк кристаллической решетки кремния в плоскости (100) вокруг оси Zт (Zк) на угол π/4 (фиг.3). Такая ориентация осей торсиона по отношению к осям кристаллографической решетки кремния обеспечивает наибольшее отношение Ет/Gт, где Eт - модуль Юнга для изгибных деформаций торсиона в направлениях, перпендикулярных к оси Хт торсиона; Gт - модуль сдвига для крутильных деформаций вокруг этой оси. Для указанной ориентации осей торсиона соотношение Ет/Gт таково [3]:When the inclined faces of the cross-shaped torsions are oriented with the X-shaped cross-sectional profile in the (111) direction of the crystallographic lattice of single-crystal silicon, the torsion axes - Xt, Yt are rotated with respect to the axes Xk, Yk of the silicon crystal lattice in the (100) plane around the Zt axis (Zк ) at an angle π / 4 (Fig. 3). This orientation of the axes of the torsion with respect to the axes of the crystallographic lattice of silicon provides the largest ratio Et / Gt, where Et is the Young's modulus for bending deformations of the torsion in directions perpendicular to the Xt axis of the torsion; GT is the shear modulus for torsional strains around this axis. For the indicated orientation of the torsion axes, the ratio Et / GT is as follows [3]:

(Ет/Gт)≈(1,3Ек)/(0,64Gк),(Et / Gt) ≈ (1.3Ek) / (0.64Gk),

где Gк, Eк - соответственно модуль сдвига и модуль Юнга для осей кристаллической решетки кремния.where Gк, Ek - respectively, the shear modulus and Young's modulus for the axes of the silicon lattice.

Таким образом, поскольку крутильная и изгибные жесткости торсиона прямо пропорциональны соответственно модулям Gт и Ет, крутильная жесткость вокруг оси Хт торсиона будет минимальной, а его изгибная жесткость - максимальной. В результате подвес инерционной массы ММА обеспечивает высокую чувствительность к измеряемому ускорению и высокие устойчивость и прочность к линейным перегрузкам и механическим ударам.Thus, since the torsion torsion and bending stiffnesses are directly proportional to the modules Gm and Et, respectively, the torsion stiffness around the torsion axis Xt will be minimal, and its bending stiffness will be maximum. As a result, the suspension of the inertial mass of the MMA provides high sensitivity to measured acceleration and high stability and durability to linear overloads and mechanical shocks.

Испытания опытных образцов ММА подтвердили высокую эффективность предложенных технических решений.Tests of MMA prototypes confirmed the high efficiency of the proposed technical solutions.

Источники информации:Sources of information:

1. RU 2064682 С1 (Ачильдиев В.М. и др.), 27.07.1996.1. RU 2064682 C1 (Achildiev V.M. et al.), 07.27.1996.

2. US 5594170 (Peters Rex В.), Jan. 14, 1997.2. US 5594170 (Peters Rex B.), Jan. 14, 1997.

3. Захаров Н.П., Багдасарян А.В. Механические явления в интегральных структурах. - М.: Радио и связь, 1992. - С.72-75.3. Zakharov N.P., Bagdasaryan A.V. Mechanical phenomena in integral structures. - M .: Radio and communications, 1992. - S.72-75.

Claims (1)

Микромеханический акселерометр, содержащий корпус, чувствительный элемент, выполненный из монокристаллического кремния в виде электропроводящей инерционной массы, представляющей собой маятник, имеющий два плеча и подвешенный с помощью торсионов, и электрическую плату, представляющую собой диэлектрическую пластину с электродами, отличающийся тем, что торсионы выполнены крестообразными с поперечным сечением в виде Х-образного профиля, электроды симметрично размещены относительно оси подвеса и расположены двумя парами - соответственно электродов емкостной системы съема перемещений и электродов электростатического датчика момента, ось симметрии инерционной массы совмещена с осью, проходящей через торсионы подвеса, а маятниковый подвес образован удалением части одного плеча инерционной массы на внешней по отношению к электрической плате поверхности плеча инерционной массы, при этом указанная поверхность выполнена с ребрами жесткости, причем профиль поперечного сечения ребер жесткости имеет Т-образную форму, а наклонные грани крестообразных торсионов ориентированы по направлению (111) кристаллографической решетки монокристаллического кремния.A micromechanical accelerometer comprising a housing, a sensing element made of monocrystalline silicon in the form of an electrically conductive inertial mass, which is a pendulum having two arms and suspended by torsion bars, and an electric board, which is a dielectric plate with electrodes, characterized in that the torsion bars are made crosswise with a cross-section in the form of an X-shaped profile, the electrodes are symmetrically placed relative to the axis of the suspension and are arranged in two pairs - respectively about the electrodes of the capacitive motion displacement system and electrodes of the electrostatic moment sensor, the axis of symmetry of the inertial mass is aligned with the axis passing through the torsion bars of the suspension, and the pendulum suspension is formed by removing part of one arm of the inertial mass on the surface of the shoulder of the inertial mass external to the electric circuit board, while the surface is made with stiffeners, and the cross-sectional profile of the stiffeners is T-shaped, and the inclined faces of the cross-shaped torsion bars of landmarks us in the direction of (111) crystallographic lattice of the monocrystalline silicon.

Images