RU2379694C1

RU2379694C1 - Micromechanical linear accelerometre

Info

Publication number: RU2379694C1
Application number: RU2008140877/28A
Authority: RU
Inventors: Сергей Петрович Тимошенков (RU); Сергей Петрович Тимошенков; Сергей Геннадьевич Миронов (RU); Сергей Геннадьевич Миронов; Виктор Владимирович Калугин (RU); Виктор Владимирович Калугин; Валерий Федорович Шилов (RU); Валерий Федорович Шилов
Original assignee: Московский государственный институт электронной техники (технический университет); Общество с ограниченной ответственностью "Лаборатория ИТМЭ"
Priority date: 2008-10-16
Filing date: 2008-10-16
Publication date: 2010-01-20

Abstract

FIELD: measurement equipment.

SUBSTANCE: invention is related to metering equipment and may be used to create micromechanical accelerometres and gyroscopes. Sensor comprises sensitive element (SE) of pendulum type, which is fixed to SE frame by means of elastic suspensions. With the help of supports, frame is fixed to device foundation, there are through slots provided in frame along its whole perimetre. It makes it possible to increase distance from areas of supports fixation to elastic suspension and to reduce impact of contact stresses at elastic suspension.

EFFECT: reduced instability of zero and increased accuracy of device.

1 dwg

Description

Изобретение относится к измерительной технике и может применяться для создания микромеханических датчиков линейных ускорений и гироскопов.The invention relates to measuring technique and can be used to create micromechanical linear acceleration sensors and gyroscopes.

Известно устройство для измерения линейных ускорений, которое имеет чувствительный элемент в виде монолитной конструкции, включающей подвешенный на двух параллельных упругих элементах маятник и внешнюю рамку, выполненную в форме кольца [1].A device for measuring linear accelerations is known, which has a sensitive element in the form of a monolithic structure, including a pendulum suspended on two parallel elastic elements and an external frame made in the shape of a ring [1].

Известен также микромеханический датчик линейных ускорений, который содержит чувствительный элемент маятникового типа, упругий подвес, соединяющий маятник с рамкой чувствительного элемента, выполняющей одновременно роль каркаса чувствительного элемента, на которой в зоне близкой к упругому подвесу выполнен внутренний изгиб, а также прямоугольные выступы с внешней стороны рамки для расположения упоров, которыми рамка крепится к основанию [2].A micromechanical linear acceleration sensor is also known, which contains a pendulum type sensitive element, an elastic suspension connecting the pendulum to the frame of the sensitive element, which simultaneously serves as the frame of the sensitive element, on which an internal bend is made in the area close to the elastic suspension, as well as rectangular protrusions on the outside frames for the location of the stops with which the frame is attached to the base [2].

Перемещение поверхности детали согласно формуле Буссинеска:Moving the surface of a part according to the Boussinesq formula:

где y - перемещение поверхности; E - модуль упругости; ν - коэффициент Пуассона; Р - давление на контакт; r - расстояние от точки приложения сосредоточенной силы до заданного сечения; S - площадь контакта упоров.where y is the displacement of the surface; E is the modulus of elasticity; ν is the Poisson's ratio; P is the pressure on the contact; r is the distance from the point of application of the concentrated force to a given section; S is the contact area of the stops.

Напряжение в j-месте стыка упругих подвесов и упоров:The voltage at the j-junction of the elastic suspensions and stops:

где y₀ - толщина упора.where y ₀ is the thickness of the stop.

Тогда чувствительность к контактным напряжениям будет:Then the sensitivity to contact voltages will be:

Таким образом, чувствительность конструкции к контактным напряжениям определяется площадью контакта и удаленностью места заделки упругого подвеса от силового контакта.Thus, the sensitivity of the structure to contact stresses is determined by the contact area and the remoteness of the place of incorporation of the elastic suspension from the force contact.

Недостатком известных устройств является нестабильность смещения нуля вследствие высокого уровня контактных напряжений, возникающих в местах крепления упоров, а следовательно, снижение точности прибора в целом.A disadvantage of the known devices is the instability of the zero offset due to the high level of contact stresses occurring in the attachment points of the stops, and consequently, a decrease in the accuracy of the device as a whole.

Задачей, на решение которой направлено изобретение, является повышение точности прибора за счет снижения нестабильности нуля путем уменьшения влияния контактных напряжений на упругий подвес чувствительного элемента.The problem to which the invention is directed, is to increase the accuracy of the device by reducing the instability of zero by reducing the influence of contact stresses on the elastic suspension of the sensing element.

Поставленная задача решается за счет того, что в микромеханическом датчике линейных ускорений, содержащем чувствительный элемент маятникового типа, упругий подвес, соединяющий маятник с рамкой чувствительного элемента с расположенными на ней упорами для крепления рамки к основанию, согласно изобретению в рамке чувствительного элемента сформированы сквозные щели, которые расположены по периметру рамки, симметрично вдоль продольной оси чувствительного элемента, причем упоры крепления расположены с ее внешней стороны, а упругий подвес - с внутренней.The problem is solved due to the fact that in the micromechanical linear acceleration sensor containing a pendulum-type sensitive element, an elastic suspension connecting the pendulum with the frame of the sensor with stops located on it for attaching the frame to the base, according to the invention, through slots are formed in the frame of the sensor, which are located around the perimeter of the frame, symmetrically along the longitudinal axis of the sensing element, and the mounting stops are located on its outer side, and the elastic suspension - from the inside.

Отличительным признаком заявленного изобретения является то, что в рамке чувствительного элемента по ее периметру сформированы сквозные щели, при неизменном расположении мест крепления рамки чувствительного элемента к основанию и его габаритных размерах. Сама щель выполнена одинаковой и строго симметрична относительно продольной оси симметрии чувствительного элемента, при этом упоры крепления расположены с ее внешней стороны, а место крепления упругого подвеса - с внутренней, следовательно, тем самым увеличивается расстояние от мест крепления упоров до упругого подвеса, при этом габаритные размеры чувствительного элемента остаются неизменными и, следовательно, исходя из условия (3) уменьшается влияние контактных напряжений на упругий подвес, за счет чего уменьшается нестабильность смещения нуля и, как следствие, повышается точность прибора в целом. Кроме того, выполнение в рамке щели с расположенными с ее внешней стороны упорами крепления к основанию позволяет последней равномерно деформироваться от воздействия внешних факторов, при этом деформация в зоне крепления упругих подвесов практически сведена к нулю, а симметричное расположение - компенсировать до минимума вредные воздействия, тем самым опять же повышая точность.A distinctive feature of the claimed invention is that through the perimeter of the sensor frame through holes are formed, with the location of the attachment points of the sensor frame to the base and its overall dimensions unchanged. The slot itself is made identical and strictly symmetrical with respect to the longitudinal axis of symmetry of the sensing element, while the mounting stops are located on its external side, and the place of mounting of the elastic suspension is on the inside, therefore, the distance from the places of mounting of the stops to the elastic suspension is increased, while the overall the dimensions of the sensitive element remain unchanged and, therefore, on the basis of condition (3), the effect of contact stresses on the elastic suspension decreases, thereby reducing the instability of the mixture zeros and, as a result, the accuracy of the device as a whole increases. In addition, the execution in the frame of the slot with the stops of fastening to the base located on its outer side allows the latter to be uniformly deformed from the influence of external factors, while the deformation in the fastening zone of the elastic suspensions is practically reduced to zero, and the symmetrical arrangement compensates for the harmful effects to a minimum, thereby again increasing accuracy.

Предлагаемое изобретение иллюстрируется чертежом, на котором изображена конструкция микромеханического датчика, где 1 - чувствительный элемент маятникового типа; 2 - упругие подвесы; 3 - рамка; 4 - площадка для электрического контакта; 5 - упоры; сквозные щели - 6.The present invention is illustrated in the drawing, which shows the design of the micromechanical sensor, where 1 is a sensitive element of the pendulum type; 2 - elastic suspensions; 3 - frame; 4 - platform for electrical contact; 5 - emphasis; through slots - 6.

Предложенный микромеханический датчик содержит чувствительный элемент 1 маятникового типа, упругие подвесы 2, рамку 3, площадку для электрического контакта 4 и упоры 5. Маятник 1 прикреплен к рамке 3 с помощью упругих подвесов 2. Рамка 3 с помощью упоров 5 крепится к основанию прибора (не показано). По периметру рамки 3 сформированы две сквозные щели 6 (как показано для данного варианта реализации). С внешней стороны щели 6 расположены упоры крепления 5, с внутренней - упругие подвесы 2. Длина сквозных щелей 6 такова, чтобы обеспечить максимальную отдаленность упругих подвесов 2 от упоров крепления 5. Как показано на чертеже стрелкой - путь распостранения контактных напряжений от упоров крепления 5 до упругих подесов 2 увеличен за счет формирования щели 6 по периметру рамки 3. Таким образом, согласно выражению (3) чувствительность к контактным напряжениям уменьшается, следовательно, увеличивается точность прибора в целом. В то же время максимальная длина щелей 6 не должна существенным образом влиять на прочность конструкции в целом.The proposed micromechanical sensor contains a pendulum-type sensor 1, elastic suspensions 2, frame 3, a platform for electrical contact 4 and stops 5. The pendulum 1 is attached to frame 3 by means of elastic suspensions 2. Frame 3 is attached to the base of the device with stops 5 (not shown). Along the perimeter of the frame 3 two through slots 6 are formed (as shown for this embodiment). The fastening stops 5 are located on the outside of the slot 6, and the elastic suspensions 2 are located on the inside. The length of the through slots 6 is such as to ensure the maximum distance of the elastic suspensions 2 from the fastening stops 5. As shown in the figure, the arrow shows the distribution of contact stresses from the fastening stops 5 to elastic suspensions 2 is increased due to the formation of a gap 6 around the perimeter of the frame 3. Thus, according to expression (3), the sensitivity to contact stresses decreases, therefore, the accuracy of the device as a whole increases. At the same time, the maximum length of the slots 6 should not significantly affect the strength of the structure as a whole.

Работа устройства основана на хорошо известном принципе перемещения чувствительного элемента 1 под действием ускорения и измерения этого перемещения известными способами.The operation of the device is based on the well-known principle of moving the sensing element 1 under the action of acceleration and measuring this movement by known methods.

Микромеханический датчик изготавливается из монокристаллического кремния с ориентацией пластины <100>÷<110> методом анизотропного травления и крепится к основанию, которое может выполняться, например, из стекла марки ЛК 105, методом анодной посадки.The micromechanical sensor is made of monocrystalline silicon with an orientation of the plate <100> ÷ <110> by anisotropic etching and is attached to the base, which can be made, for example, of glass grade LK 105, by the method of anode landing.

Источники информацииInformation sources

1. Патент США №4400970, МПК: G01P 15/13.1. US patent No. 4400970, IPC: G01P 15/13.

2. Мокров Е.А., Папко А.А. Акселерометры НИИ физических измерений - элементы микросистемотехники // Микросистемная техника. 2002. №1. С.3-9 (прототип).2. Mokrov EA, Papko A.A. Accelerometers of the Research Institute of Physical Measurements - Elements of Microsystems // Microsystem Technology. 2002. No. 1. C.3-9 (prototype).

Claims

Микромеханический датчик линейных ускорений, содержащий чувствительный элемент маятникового типа, упругий подвес, соединяющий маятник с рамкой чувствительного элемента с расположенными на ней упорами для крепления рамки к основанию, отличающийся тем, что в рамке чувствительного элемента сформированы сквозные щели, которые расположены по периметру рамки симметрично вдоль продольной оси чувствительного элемента, причем упоры крепления расположены с ее внешней стороны, а упругий подвес с внутренней. A micromechanical linear acceleration sensor containing a pendulum-type sensing element, an elastic suspension connecting the pendulum to the frame of the sensing element with stops located on it for attaching the frame to the base, characterized in that through slits are formed in the frame of the sensing element, which are located symmetrically along the perimeter of the frame along the frame the longitudinal axis of the sensing element, and the mounting stops are located on its outer side, and an elastic suspension on the inside.