RU2795114C2 - Pendulum compensation accelerometer - Google Patents
Pendulum compensation accelerometer Download PDFInfo
- Publication number
- RU2795114C2 RU2795114C2 RU2020134456A RU2020134456A RU2795114C2 RU 2795114 C2 RU2795114 C2 RU 2795114C2 RU 2020134456 A RU2020134456 A RU 2020134456A RU 2020134456 A RU2020134456 A RU 2020134456A RU 2795114 C2 RU2795114 C2 RU 2795114C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- pendulum
- beams
- sacrificial layer
- current leads
- elastic suspension
- Prior art date
Links
Images
Abstract
Description
Изобретение относится к области приборостроения, а именно к конструкциям маятниковых компенсационных акселерометров.The invention relates to the field of instrumentation, and in particular to designs pendulum compensation accelerometers.
Известны конструкции маятниковых компенсационных акселерометров, содержащие маятниковый узел, выполненный из плавленого кварца. Маятниковый узел содержит неподвижную рамку со сформированными на ее противоположных поверхностях установочными платиками и лопасть, укрепленную в рамке посредством упругих балок подвеса. На поверхности лопасти напылены электроды емкостного датчика угла и укреплены катушки компенсационного датчика момента. Токоподводы от размещенных на рамке контактных площадок к размещенным на лопасти электродам емкостного датчика угла и катушкам компенсационного датчика момента выполнены путем напыления металлических проводников на поверхность балок подвеса. Маятниковый узел укреплен между магнитными системами компенсационного датчика, одновременно выполняющими функцию неподвижных электродов емкостного датчика угла. Установочные платики, выполненные на рамке, формируют рабочие зазоры емкостного датчика угла и плоскости газового демпфера (см., например, патент США по М. Кл G01p 15/08 №3,680,393 за 1972 г.)Known designs of pendulum compensating accelerometers containing a pendulum assembly made of fused quartz. The pendulum assembly comprises a fixed frame with mounting plates formed on its opposite surfaces and a blade fixed in the frame by means of elastic suspension beams. The electrodes of the capacitive angle sensor are sputtered on the surface of the blade and the coils of the compensation moment sensor are fixed. The current leads from the pads placed on the frame to the electrodes of the capacitive angle sensor placed on the blade and the coils of the compensation torque sensor are made by spraying metal conductors onto the surface of the suspension beams. The pendulum unit is fixed between the magnetic systems of the compensation sensor, which simultaneously perform the function of fixed electrodes of the capacitive angle sensor. Mounting plates made on the frame form the working gaps of the capacitive sensor of the angle and plane of the gas damper (see, for example, US patent according to
Недостатком известной конструкции маятникового компенсационного акселерометра является наличие погрешностей, связанных с деформацией упругих балок подвеса напыленными на их поверхность, обычно золотыми, токоподводами из-за большой разности температурных коэффициентов линейного расширения (ТКЛР) (для кварца ТКЛР ~0,5 ppm/°С, для токоподводов ~14 ppm/°С) материалов балок подвеса и токоподводов.A disadvantage of the well-known design of the pendulum compensation accelerometer is the presence of errors associated with the deformation of the elastic suspension beams deposited on their surface, usually gold, current leads due to the large difference in the temperature coefficients of linear expansion (TCLE) (for quartz, TCLE ~ 0.5 ppm / ° C, for current leads ~14 ppm/°С) materials of suspension beams and current leads.
Известна конструкция маятникового компенсационного акселерометра, аналогичная описанной выше, в которой упругие балки подвеса имеют продольные канавки, глубина которых равна половине толщины балок плюс половина толщины токоподводов. Токоподводы напылены на дно канавок и их среднее сечение находится в нейтральном слое упругих балок подвеса (см., например, патенты США №4,399,700 G01P 15/13 за 1981 г. и №4,400,979 G01P 15/13 за 1981 г.). Благодаря этому существенно снижено влияние разности температурных коэффициентов линейного расширения материалов балок подвеса и токоподводов.Known design pendulum compensation accelerometer, similar to that described above, in which the elastic suspension beams have longitudinal grooves, the depth of which is equal to half the thickness of the beams plus half the thickness of the current leads. The current leads are sprayed onto the bottom of the grooves and their average section is in the neutral layer of the elastic suspension beams (see, for example, US patents No. 4,399,700 G01P 15/13 for 1981 and No. 4,400,979 G01P 15/13 for 1981). Due to this, the influence of the difference in the temperature coefficients of linear expansion of the materials of suspension beams and current leads is significantly reduced.
Недостатком конструкции является наличие погрешностей, связанных с рассмотренными выше деформациями балок из-за разницы температурных коэффициентов материалов балок подвеса и токоподводов. Эти погрешности в конструкции по патенту США №6,422,076 В1 от 2002 г. существенно меньше, чем в конструкции по патенту США №3,680,393, но все еще остаются заметными. Указанные конструкции по патентам США являются аналогами данного изобретения.The disadvantage of the design is the presence of errors associated with the deformations of the beams discussed above due to the difference in the temperature coefficients of the materials of the suspension beams and current leads. These design errors in US Pat. No. 6,422,076 B1 of 2002 are substantially less than in the design of US Pat. No. 3,680,393, but are still noticeable. These designs according to US patents are analogues of this invention.
В конструкции маятникового компенсационного акселерометра (например, по патенту США М. Кл G01p 15/08 №6,422,076 за 2002 г.), в которой используется свободные токоподводы от контактных площадок на рамке к элементам, укрепленным на лопасти, отсутствует погрешность из-за деформаций упругих балок подвеса металлом напыленных токоподводов, однако монтаж токоподводов осуществляется вручную квалифицированным сборщиком, что усложняет изготовление маятникового узла и увеличивает его стоимость.In the design of a pendulum compensation accelerometer (for example, according to US patent M. Kl
Известна конструкция маятникового компенсационного акселерометра, в которой используются свободные плоские балки токоподводов от контактных площадок на рамке к элементам, укрепленным на лопасти. Нейтральные плоскости балок токоподводов при этом совпадают с нейтральной плоскостью упругих балок подвеса. Балко токоподводов выполняются путем напыления металла на поверхности впоследствии удаляемого жертвенного слоя, расположенного между упругими балками подвеса лопасти (например, по Заявке на изобретение «Маятниковый компенсационный акселерометр» от 15.03.2019 г., регистрационнный №2019107343/28-014065). Эта конструкция выбрана в качестве прототипа изобретения. В указанной конструкции маятникового компенсационного акселерометра из-за разницы температуры металла в процессе его напыления (обычно от +120°С до +200°С) на поверхность впоследствии удаляемого жертвенного слоя и температуры эксплуатации прибора (от минус 60°С до +80°С), а также из-за различия температурных коэффициентов напыляемого металла (меди или золота) свободные токоподводы после удаления жертвенного слоя оказываются растянутыми. Это, с одной стороны, хорошо, так как исключается провисание свободного токоподвода. Однако, с другой стороны, усилие растяжения токоподводов оказывается приложенным к лопасти и может вызвать погрешность акселерометра (например, создавая изменяющуюся при изменении температуры прибора отрицательную жесткость, уменьшающую жесткость упругих балок подвеса). Кроме того, в ряде случаев свободные токоподводы могут получать остаточные пластические деформации и даже разрушаться.Known design pendulum compensation accelerometer, which uses a free flat beam current leads from pads on the frame to the elements mounted on the blade. In this case, the neutral planes of the current lead beams coincide with the neutral plane of the elastic suspension beams. Beams of current leads are made by spraying metal on the surface of a subsequently removed sacrificial layer located between the elastic beams of the blade suspension (for example, according to the Application for the invention "Pendulum compensation accelerometer" dated March 15, 2019, registration No. 2019107343 / 28-014065). This design is chosen as a prototype of the invention. In this design of the pendulum compensation accelerometer, due to the difference in the temperature of the metal during its deposition (usually from +120°С to +200°С) on the surface of the subsequently removed sacrificial layer and the operating temperature of the device (from minus 60°С to +80°С ), and also due to the difference in the temperature coefficients of the deposited metal (copper or gold), free current leads after the removal of the sacrificial layer are stretched. On the one hand, this is good, since sagging of the free current lead is excluded. However, on the other hand, the tensile force of the current leads is applied to the blade and can cause an accelerometer error (for example, creating a negative stiffness that changes with the temperature of the device, which reduces the stiffness of the elastic suspension beams). In addition, in some cases, free current leads can receive residual plastic deformations and even fail.
Целью изобретения является устранение указанных недостатков известных конструкций. Поставленная цель достигается выполнением токоподводов маятникового узла в виде ступенчатых свободных балок, размещенных параллельно балкам упругого подвеса и прикрепленных к плоскому неподвижному элементу крепления, выполненному, например, в виде рамки, и к лопасти маятника. Сущность изобретения поясняется чертежами маятникового узла акселерометра, изображенного на фиг. 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 14, 15 и акселерометра, показанного на фиг. 12 и 13.The aim of the invention is to eliminate these shortcomings of known designs. This goal is achieved by making the current leads of the pendulum assembly in the form of stepped free beams placed parallel to the elastic suspension beams and attached to a flat fixed fastening element, made, for example, in the form of a frame, and to the pendulum blade. The essence of the invention is illustrated by the drawings of the pendulum assembly of the accelerometer shown in FIG. 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 14, 15 and the accelerometer shown in FIG. 12 and 13.
На фиг. 1 а, б изображен вариант конструкции маятникового узла, в котором балки подвеса лопасти маятника свободны от напыленных на их поверхность металлических токоподводов, благодаря чему не возникает деформация балок подвеса из-за разницы температурных коэффициентов линейного расширения материала балок подвеса и металла токоподводов. Это в свою очередь способствует повышению точности акселерометра. При этом на представленной конструкции маятникового узла токоподводы от контактных площадок, выполненных на поверхности неподвижного элемента, к катушкам компенсационного датчика силы и подвижным электродам емкостного датчика угла выполнены в виде ступенчатых балок с плоскими вершинами выступов и плоскими донными участками ступеней.In FIG. 1 a, b shows a variant of the design of the pendulum assembly, in which the suspension beams of the pendulum blade are free from metal current leads deposited on their surface, due to which there is no deformation of the suspension beams due to the difference in temperature coefficients of linear expansion of the material of the suspension beams and the metal of the current leads. This, in turn, improves the accuracy of the accelerometer. At the same time, on the presented design of the pendulum assembly, the current leads from the contact pads made on the surface of the fixed element to the coils of the compensation force sensor and the movable electrodes of the capacitive angle sensor are made in the form of stepped beams with flat tops of the protrusions and flat bottom sections of the steps.
В конструкции маятникового узла, изображенной на фиг. 1 а, б, выводы от балок свободных ступенчатых токоподводов выходят на одну (в примере - верхнюю) сторону маятникового узла. При необходимости электрические соединения с элементами на задней поверхности маятника (вторым подвижным электродом емкостного датчика угла и со второй катушкой датчика момента) могут осуществляться, например, через отверстие в лопасти маятника, или с помощью свободных ступенчатых балок токоподводов, выведенных на вторую (заднюю) поверхность маятникового узла. На Фигурах обозначено: 1 - плоский неподвижный элемент крепления маятника, для примера, выполненный в виде рамки, с установочными платиками (2, 3, 4); 5 - лопасть маятника; 6 - катушка моментного датчика; 7 - подвижный электрод емкостного датчика угла; 8, 9, 10, 11 - контактные площадки; 12, 13 - упругие балки подвеса; 14, 15, 16, 17 - свободные ступенчатые балки токоподводов; 18 - нейтральная плоскость упругих балок подвеса; 19 - отверстие в лопасти маятника. На фиг. 1 б, сечение А-А, показан вид описываемого ступенчатого свободного токоподвода.In the design of the pendulum assembly shown in Fig. 1 a, b, the conclusions from the beams of free stepped current leads go to one (in the example - the upper) side of the pendulum assembly. If necessary, electrical connections with the elements on the rear surface of the pendulum (the second movable electrode of the capacitive angle sensor and with the second coil of the torque sensor) can be made, for example, through a hole in the pendulum blade, or using free stepped current supply beams brought to the second (rear) surface pendulum knot. The Figures indicate: 1 - a flat fixed element of the pendulum fastening, for example, made in the form of a frame, with mounting plates (2, 3, 4); 5 - pendulum blade; 6 - torque sensor coil; 7 - movable electrode of the capacitive angle sensor; 8, 9, 10, 11 - pads; 12, 13 - elastic suspension beams; 14, 15, 16, 17 - free stepped beams of current leads; 18 - neutral plane of elastic suspension beams; 19 - hole in the blade of the pendulum. In FIG. 1 b, section A-A, shows the view of the described stepped free current lead.
На фиг. 2, 3 а, б, в и 4 а, б, в изображен вариант конструкции маятникового узла, в котором выводы от балок токоподводов выходят также на одну (верхнюю) сторону маятника. Сечение А-А, фиг. 3 а, проходит через впадины ступенчатых свободных токоподводов, сечение В-В, фиг. 3 в, проходит через их выступы. На Фигурах использованы те же обозначения элементов, что и на фиг. 1.In FIG. 2, 3 a, b, c and 4 a, b, c show a variant of the design of the pendulum unit, in which the leads from the current lead beams also go to one (upper) side of the pendulum. Section A-A, fig. 3a, passes through the depressions of stepped free current leads, section B-B, Fig. 3 in, passes through their protrusions. In the Figures, the same designations for the elements are used as in FIG. 1.
В конструкции маятникового узла, изображенной на фиг. 2 и 3 а, б, в балки подвеса лопасти также свободны от напыленных на их поверхность металлических токоподводов, а сами токоподводы также выполнены в виде ступенчатых балок с плоскими вершинами выступов и плоскими донными участками ступеней. На фиг. 4 а, б и в показаны сечения А-А, Б-Б и В-В конструкции маятникового узла по фиг. 2, при наличии впоследствии удаляемого жертвенного слоя. Сечение Б-Б показано частично и в увеличенном масштабе. Здесь дополнительно обозначено: 20 - технологические балки впоследствии удаляемого жертвенного слоя, связывающие рамку 1 и лопасть 5, отделенные от упругих перемычек подвеса и между собой щелями 21, 22. Особенность конструкции маятникового узла по фиг. 2 в том, что поверхность технологической балки впоследствии удаляемого жертвенного слоя, на которую напыляется металл токоподвода, на участке впадин смещена относительно нейтральной плоскости балок подвеса 12, 13 на расстояние, равное половине толщины h напыляемого на этот жертвенный слой металла токоподвода. На участках выступов поверхность технологической балки жертвенного слоя совпадает с верхней (лицевой) плоскостью балок упругого подвеса. Для удобства последующего удаления жертвенного слоя технологические балки жертвенного слоя выполняются одинаковой толщины по всей длине и профилю ступенчатого токоподвода. После напыления металла на лицевую поверхность (например, через отверстия в маске) или формирования токоподводов из сплошного слоя металла методами фотолитографии и травления технологические балки 20 убирают, например, плазменным травлением. Ступенчатые балки токоподводов при этом освобождаются. Данная конструкция токоподводов соответствует п. 2 формулы изобретения.In the design of the pendulum assembly shown in Fig. 2 and 3 a, b, c of the suspension beams, the blades are also free from metal current leads deposited on their surface, and the current leads themselves are also made in the form of stepped beams with flat tops of the protrusions and flat bottom sections of the steps. In FIG. 4 a, b and c show sections A-A, B-B and C-C of the design of the pendulum assembly according to FIG. 2 in the presence of a subsequently removed sacrificial layer. Section B-B is shown partially and on an enlarged scale. Here it is additionally indicated: 20 - technological beams of the subsequently removed sacrificial layer, connecting the
Особенностью ступенчатых токоподводов, изображенных на фиг. 3 а, б, в и 4 а, б, в маятникового узла акселерометра является возможность применения технологии одностороннего напыления металла на впоследствии удаляемый жертвенный слой. Вариант с односторонним напылением ступенчатых токоподводов проще, чем с двусторонним, но имеет недостатки, заключающиеся в том, что балки ступенчатых токоподводов несимметрично расположены относительно нейтральной плоскости 18 балок и имеется смещение средней линии ступеней этих свободных ступенчатых токоподводов в одну (на изображенных сечениях - в верхнюю) сторону относительно нейтральной плоскости 18 балок 12 и 13 подвеса маятника. Данная несимметричность конструкции свободных токоподводов может приводить к возникновению упругих сил и моментов, действующих на лопасть маятника 5, что может вызвать погрешность акселерометра. Для исключения указанных ошибок прибора интересен другой вариант конструкции маятникового узла (по фиг. 2, 5 а, б, в и 6 а, б), соответствующий п. 3 формулы изобретения. Общий вид этого варианта конструкции маятникового угла со свободными ступенчатыми токоподводами поясняется также фиг. 2. При этом сечения А-А, Б-Б, В-В токоподводов и балок упругого подвеса маятника отличаются от конструкций по фиг. 3 а, б, в, 4 а, б, в и соответствуют изображениям по фиг. 5 а, б, в и 6 а, б. В данном варианте конструкции маятникового узла поверхность технологической балки 20 жертвенного слоя, на которую напыляется металл токоподвода, на участке впадин смещена относительно нижней (задней) наружной поверхности балок подвеса на расстояние, равное толщине напыляемого металла. На участках выступов поверхность технологической балки жертвенного слоя при этом совпадает с верхней (лицевой) плоскостью балок упругого подвеса. После напыления металла на лицевую поверхность (например, через отверстия в маске) или формирования токоподводов из сплошного слоя металла методами фотолитографии и травления технологические балки убирают, например, плазменным травлением. Ступенчатые балки токоподводов освобождаются, и средняя плоскость полученных гофр остается совмещенной с нейтральной плоскостью 18 балок подвеса.A feature of the stepped current leads shown in Fig. 3 a, b, c and 4 a, b, c of the pendulum assembly of the accelerometer is the possibility of using the technology of one-sided metal deposition on the subsequently removed sacrificial layer. The variant with one-sided spraying of stepped current leads is simpler than with two-sided, but it has disadvantages, namely, that the beams of stepped current leads are not symmetrically located relative to the
Необходимо отметить, что исполнение технологических балок жертвенного слоя как первого (балки не были показаны), так второго и третьего вариантов конструкций маятникового узла может быть различно. К примеру, на фиг. 4 а, б, в и 6 а, б представлены балки жертвенного слоя, выполненные в виде равных по количеству токоподводов участков - по одному токоподводу на каждой балке жертвенного слоя. По технологическим или иным причинам исполнение балок жертвенного слоя конструкций маятникового узла может быть изменено и соответствовать, к примеру, изображениям по фиг. 7 а, б. На фиг. 7 а, б показаны изображения сечений А-А и В-В с фиг. 2 с измененными технологическими балками жертвенного слоя, в качестве примера, для второго варианта конструкции маятникового узла со свободными ступенчатыми токоподводами. На фиг. 7 а, б дополнительно обозначены: 23 - технологические балки впоследствии удаляемого жертвенного слоя, связывающие рамку 1 и лопасть 5, разделенные на равные участки по количеству токоподводов и отделенные от упругих балок подвеса маятника и между собой щелями 21, 22. Необходимость выполнения в жертвенном слое сквозных щелей объясняется опасностью появления трещин, формирующихся в балках ступенчатых токоподводов на конечном этапе разрушения жертвенного слоя при его стравливании. Описание данных изменений конструкции соответствует п. 4 формулы изобретения.It should be noted that the execution of technological beams of the sacrificial layer of both the first (the beams were not shown) and the second and third versions of the designs of the pendulum unit can be different. For example, in FIG. 4 a, b, c and 6 a, b show the beams of the sacrificial layer, made in the form of sections equal in number of current leads - one current lead on each beam of the sacrificial layer. For technological or other reasons, the execution of the beams of the sacrificial layer of the structures of the pendulum unit can be changed and correspond, for example, to the images in Fig. 7 a, b. In FIG. 7 a, b shows images of sections A-A and B-B from Fig. 2 with modified technological beams of the sacrificial layer, as an example, for the second version of the design of the pendulum assembly with free stepped current leads. In FIG. 7 a, b are additionally marked: 23 - technological beams of the subsequently removed sacrificial layer, connecting the
Необходимо отметить, что при фотолитографии и изотропном травлении ступеней токоподводов участки выступов и впадин (фиг.1 б, 3 б и 5 б) получаются неравными. При этом снижения влияния свободных токоподводов на положение лопасти маятника и снижения ошибки акселерометра возможно добиться только либо при точной симметрии расположения и конструкции токоподводов, что технологически затруднительно, либо используя четное число токоподводов и чередование верхних и нижних сторон впоследствии удаляемого жертвенного слоя, открытых для напыления металла токоподвода. Вариант конструкции маятникового узла с четным числом токоподводов и с использованием чередования верхних и нижних сторон впоследствии удаляемого жертвенного слоя поясняется на фиг. 8 а, б, 9 а, б, в, г, д, 10 а, б, в, г, д и соответствует п. 5 формулы изобретения.It should be noted that with photolithography and isotropic etching of the stages of the current leads, the sections of protrusions and depressions (Fig. 1 b, 3 b and 5 b) are unequal. At the same time, it is possible to achieve a decrease in the influence of free current leads on the position of the pendulum blade and a decrease in the accelerometer error only with an exact symmetry of the location and design of the current leads, which is technologically difficult, or by using an even number of current leads and alternating the upper and lower sides of the subsequently removed sacrificial layer, open for metal deposition current lead. A variant of the design of the pendulum assembly with an even number of current leads and using the alternation of the upper and lower sides of the subsequently removed sacrificial layer is illustrated in Fig. 8 a, b, 9 a, b, c, d, e, 10 a, b, c, d, e and corresponds to claim 5 of the claims.
На фиг. 8 а и б представлены общие виды двух маятниковых узлов, в которых имеется чередование верхних и нижних сторон жертвенного слоя, открытых для напыления. На фиг. 8 а показан маятниковый узел, на котором токоподводы 14 и 15 выполнены с лицевой (верхней) стороны пластины и жертвенного слоя, например, путем напыления металла на жертвенный слой или с помощью методов фотолитографии из сплошного слоя металла, а токоподводы 16 и 17 выполнены подобными же методами с задней (нижней) стороны пластины и жертвенного слоя. Сечения А-А, Б-Б, В-В, полученные на фиг. 8 а, без впоследствии удаляемого жертвенного слоя и вместе с ним показаны на фиг. 9 а, б, в и 9 г, д соответственно.In FIG. 8 a and b are general views of two pendulum units, in which there is an alternation of the upper and lower sides of the sacrificial layer, open for spraying. In FIG. 8a shows a pendulum assembly, on which current leads 14 and 15 are made from the front (upper) side of the plate and sacrificial layer, for example, by metal deposition on the sacrificial layer or using photolithography methods from a continuous metal layer, and
На фиг. 8 б представлен маятниковый узел, в котором также имеется чередование сторон жертвенного слоя и токоподоводы 14 и 17 изготовлены на верхней стороне пластины и впоследствии удаляемого жертвенного слоя, а токоподводы 15 и 16 - на нижней стороне пластины и балок жертвенного слоя. Сечения А-А, Б-Б, В-В, полученные на фиг. 8 б, без впоследствии удаляемого жертвенного слоя и вместе с ним показаны на фиг. 10 а, б, в и 10 г, д, соответственно. На фигурах дополнительно обозначены: 24 и 25 - чередующиеся впоследствии удаляемые жертвенные слои, выполненные в виде равных участков по числу токоподводов и разделенные между собой и отделенные от балок упругого подвеса сквозными прорезями 21, 22.In FIG. 8 b shows a pendulum assembly, which also has an alternation of the sides of the sacrificial layer and
Показанная на фигурах 8 а, б конструкция токоподводов (положение поверхностей впоследствии удаляемого жертвенного слоя) для примера соответствует второму варианту конструкции маятникового узла со свободными ступенчатыми токоподводами.The design of current leads shown in figures 8 a, b (the position of the surfaces of the subsequently removed sacrificial layer) for example corresponds to the second version of the design of the pendulum assembly with free stepped current leads.
Пример изготовления токоподводов 14 и 16, к примеру, с верхней стороны пластины и жертвенного слоя, к примеру, напылением металла, а токоподводов 15 и 17 - с нижней стороны пластины и жертвенного слоя (конструкция по рис. 8 б) показан изометрически на фиг. 11 а вместе с впоследствии удаляемым жертвенными слоями 20, 24 и 25 и на фиг. 11 б без жертвенных слоев 20, 24 и 25. Общее количество токоподводов на представленных маятниковых узлах, фиг. 8 а, б, четное и равняется 4.An example of manufacturing current leads 14 and 16, for example, from the upper side of the plate and the sacrificial layer, for example, by metal sputtering, and
Конструкция акселерометра и описание его работыAccelerometer design and description of its operation
Конструкция акселерометра, содержащая маятниковый узел 61 со свободными ступенчатыми токоподводами, соответствующими пунктам 1, 2, 3, 4, 5 формулы изобретения, показана на Фиг. 12 а. На Фиг. 12 б, к примеру, изображен маятник у которого имеются две упругих балки 12, 13 и четыре свободных ступенчатых токоподвода 14, 15, 16, 17. На лопасти маятника укреплены две последовательно соединенные катушки дифференциального плунжерного датчика момента 6 и 6а (Фиг. 12 а). Кроме того на подвижных лопастях напылены электроды 7 и 7а датчика угла. Выводы от катушек и электродов подсоединены к свободным ступенчатым токоподводам, заканчивающимся контактными площадками 8, 11 и 9, 10 (на обратной стороне рамки), Фиг. 12 б. Маятниковый узел 61 по платикам неподвижного элемента крепления, выполненного для примера в виде рамки, зажат между двумя магнитными системами 62, 63, механически и электрически соединенными между собой с помощью разрезного соединительного кольца 64. Корпуса магнитопроводов выполняют функцию неподвижных электродов датчика угла. Катушки 6 и 6а входят в кольцевые зазоры магнитных систем, образованными магнитопроводами и полюсными наконечниками 65, 66, смонтированными на торцах постоянных магнитов 67, 68. Контактные площадки 8, 9, 10, 11 подсоединены к усилителю (на рисунках не показан), который усиливает и преобразует в постоянный ток J в катушках 6, 6а сигнал емкостного датчика угла, возникающий при отклонении маятника под действием инерционного момента mla, где m, l - масса и плечо подвижной лопасти маятника с катушками, а а - измеряемое ускорение. Ток в катушках 6, 6а вызывает появление компенсационного момента KДСJl1 в статическом равновесии равному mla, где KДС и l1 - передаточный коэффициент дифференциального датчика силы и плечо прилагаемой компенсационной силы. Отсюда величина тока равнаThe design of the accelerometer, containing the
Так как обычно l=l1, тоSince usually l=l 1 , then
Измеряя величину тока (или падение напряжения на включенном последовательно с катушками эталонном сопротивлении), определяют величину а.By measuring the magnitude of the current (or the voltage drop across the reference resistance connected in series with the coils), the value of a is determined.
На Фиг. 13 показана изометрия маятникового акселерометра. Маятниковый узел соответствует пункту 1 или 2 или 3 или 4 или 5 формулы изобретения. В изображенной конструкции может быть использован также недифференциальный компенсационный датчик (с одной катушкой и магнитной системой, к примеру 6а и 63, соответственно). Балансировка лопасти маятника (совмещение центра масс лопасти с плоскостью, проходящей через нейтральное сечение балок подвеса) в данном случае осуществляется посредством противовеса, используемого вместо катушки 6. Вместо магнитной системы 62, магнита 67 и полюсного наконечника может быть установлен имитатор. На маятниковом узле 61 напылены подвижные электроды 7 и 7а емкостного датчика угла. Неподвижные электроды датчика угла образованы один - металлическим корпусом магнитной системы 63, второй - корпусом магнитной системы 62 (или имитатором корпуса магнитной системы) или напылением на поверхность ответной части 62 и 63 изоляционного материала и слоя металла. Акселерометр, изображенный на Фиг. 13, работает аналогично изображенному на Фиг. 12 акселерометру.On FIG. 13 is an isometric view of a pendulum accelerometer. Pendulum node corresponds to
Во всех рассмотренных конструкциях маятникового компенсационного акселерометра маятниковый узел не содержит упругих балок подвеса с напыленными на их поверхность токоподводами, благодаря чему исключаются погрешности акселерометра, связанные с деформациями балок упругого подвеса, вызванные различием температурных коэффициентов расширения материалов упругих балок подвеса (например, кварца) и металла токоподводов (например, золота). Наличие ступеней (выступов и впадин) у свободных ступенчатых токоподводов благодаря наличию перпендикулярных к нейтральной плоскости упругого подвеса участков, изгибно деформирующихся под действием растягивающих токоподводы усилий, вызванных разницей рабочей температуры прибора и температурой металла токоподвода в процессе его напыления на впоследствии удаляемый жертвенный слой, а также разницей температурных коэффициентов плавленого кварца и металла токоподводов, приводит к уменьшению растягивающих усилий в токоподводах и, следовательно, к повышению точности и надежности акселерометра.In all the considered designs of the pendulum compensation accelerometer, the pendulum assembly does not contain elastic suspension beams with current leads sprayed onto their surface, which eliminates accelerometer errors associated with deformations of the elastic suspension beams caused by the difference in temperature coefficients of expansion of the materials of the elastic suspension beams (for example, quartz) and metal current leads (for example, gold). The presence of steps (protrusions and depressions) at free stepped current leads due to the presence of sections perpendicular to the neutral plane of the elastic suspension, which bend under the action of tensile current leads forces caused by the difference in the operating temperature of the device and the temperature of the metal of the current lead in the process of its deposition on the subsequently removed sacrificial layer, as well as the difference in temperature coefficients of fused quartz and current lead metal leads to a decrease in tensile forces in the current leads and, consequently, to an increase in the accuracy and reliability of the accelerometer.
Предлагаемая конструкция токоподводов маятникового узла может изготавливаться групповыми методами, не требующими использования для монтажа ручных операций, выполняемых высококвалифицированными механиками-сборщиками. Все это способствует повышению точности акселерометров, увеличению выхода годных приборов и удешевлению производства.The proposed design of the current leads of the pendulum unit can be manufactured by group methods that do not require the use of manual operations for installation, performed by highly qualified assembly mechanics. All this helps to improve the accuracy of accelerometers, increase the yield of suitable devices and reduce the cost of production.
Фотографии изготовленных ступенчатых токоподводов приведены на Фиг. 14, 15. Испытания акселерометров, использующих описанные выше ступенчатые токоподводы, показали существенное улучшение стабильности нулевого сигнала акселерометра по сравнению с приборами, имеющими свободновисящие негофрированные токоподводы.Photos of the manufactured stepped current leads are shown in Fig. 14, 15. Tests of accelerometers using the stepped current leads described above showed a significant improvement in the stability of the zero signal of the accelerometer in comparison with devices having free-hanging non-corrugated current leads.
Claims (5)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2020134456A RU2795114C2 (en) | 2020-10-21 | Pendulum compensation accelerometer |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2020134456A RU2795114C2 (en) | 2020-10-21 | Pendulum compensation accelerometer |
Publications (3)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2020134456A3 RU2020134456A3 (en) | 2022-04-21 |
| RU2020134456A RU2020134456A (en) | 2022-04-21 |
| RU2795114C2 true RU2795114C2 (en) | 2023-04-28 |
Family
ID=
Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US6422076B1 (en) * | 1999-06-23 | 2002-07-23 | Agency For Defense Development | Compensation pendulous accelerometer |
| RU2284528C1 (en) * | 2005-04-04 | 2006-09-27 | Открытое акционерное общество Арзамасское научно-производственное предприятие "ТЕМП-АВИА" (ОАО АНПП "ТЕМП-АВИА") | Linear acceleration micro-mechanical detector |
| RU2291450C1 (en) * | 2005-05-26 | 2007-01-10 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Научно-производственный центр автоматики и приборостроения им. Академика Н.А. Пилюгина" (ФГУП "НПЦАП") | Compensation pendulum type accelerometer |
| US7347097B2 (en) * | 2006-03-01 | 2008-03-25 | Innalabs Technologies, Inc. | Servo compensating accelerometer |
| RU2441246C1 (en) * | 2010-05-24 | 2012-01-27 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Центр эксплуатации объектов наземной космической инфраструктуры" | Accelerometer |
Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US6422076B1 (en) * | 1999-06-23 | 2002-07-23 | Agency For Defense Development | Compensation pendulous accelerometer |
| RU2284528C1 (en) * | 2005-04-04 | 2006-09-27 | Открытое акционерное общество Арзамасское научно-производственное предприятие "ТЕМП-АВИА" (ОАО АНПП "ТЕМП-АВИА") | Linear acceleration micro-mechanical detector |
| RU2291450C1 (en) * | 2005-05-26 | 2007-01-10 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Научно-производственный центр автоматики и приборостроения им. Академика Н.А. Пилюгина" (ФГУП "НПЦАП") | Compensation pendulum type accelerometer |
| US7347097B2 (en) * | 2006-03-01 | 2008-03-25 | Innalabs Technologies, Inc. | Servo compensating accelerometer |
| RU2441246C1 (en) * | 2010-05-24 | 2012-01-27 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Центр эксплуатации объектов наземной космической инфраструктуры" | Accelerometer |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN101858929B (en) | Capacitive micro-acceleration sensor with symmetrically combined elastic beam structure and production method thereof | |
| EP3441772B1 (en) | Accelerometer | |
| US6223598B1 (en) | Suspension arrangement for semiconductor accelerometer | |
| KR102350270B1 (en) | Accelerometers | |
| US6167757B1 (en) | Single-side microelectromechanical capacitive accelerometer and method of making same | |
| JP5127464B2 (en) | Pendulum in-plane MEMS accelerometer device | |
| CN100552453C (en) | Symmetry straight beam structure condenser type micro-acceleration sensor and preparation method thereof | |
| US6718605B2 (en) | Single-side microelectromechanical capacitive accelerometer and method of making same | |
| KR101909165B1 (en) | Accelerometer | |
| KR0139506B1 (en) | Self-diagnostic accelerometer with symmetric proof-mass and its preparation method | |
| JPH06302832A (en) | Acceleration sensor | |
| CN103344785A (en) | Capacitive micro inertial sensor with self calibration function | |
| US5335544A (en) | Apparatus for measuring mechanical forces and force actions | |
| JP2009133862A (en) | System with sensor based on suspended piezo resistance strain gauge having strain amplification cell | |
| WO2006063160A1 (en) | Super invar magnetic return path for high performance accelerometers | |
| EA000375B1 (en) | Monolithic acceleration transducer and accelerometer, comprising transducers | |
| RU2731652C1 (en) | Pendulum compensating accelerometer | |
| RU2795114C2 (en) | Pendulum compensation accelerometer | |
| US11846651B2 (en) | Electrostatic actuator and physical quantity sensor | |
| US7939355B2 (en) | Single-mask fabrication process for linear and angular piezoresistive accelerometers | |
| Yazdi et al. | A high sensitivity capacitive microaccelerometer with a folded-electrode structure | |
| RU106001U1 (en) | MICROMECHANICAL SENSOR | |
| JPH09257830A (en) | Vibration type acceleration sensor | |
| Somer et al. | Development of optical inclinometer in LTCC technology | |
| KR20200043816A (en) | Mems accelerometer and manufacturing method thereof |