ЧУВСТВИТЕЛЬНЫЙ ЭЛЕМЕНТ АКСЕЛЕРОМЕТРА Российский патент 1995 года по МПК G01P15/08 G01P15/13 

Изобретение относится к измерительной технике, а именно к маятниковым акселерометрам с упругим подвесом чувствительного элемента.

Известен чувствительный элемент акселерометра, содержащий пластину с внешней рамкой и внутренней рамкой, которые соединены между собой продольными упругими перемычками, расположенными симметрично относительно центральной оси пластины, причем продольные оси перемычек параллельны центральной оси пластины, оси изгиба упругих перемычек образуют ось подвеса, перпендикулярную центральной оси пластины, ось подвеса не совпадает с осью симметрии пластины, проходящей через центр масс внутренней рамки параллельно оси подвеса [1]
Такая конструкция чувствительного элемента не обеспечивает симметрию внешней и внутренней рамок относительно оси подвеса, что вызывает неравномерные деформации рамок, приводящие к погрешности измерения ускорения.

Симметрия внешней и внутренней рамок обеспечивается в конструкции чувствительного элемента акселерометра, принятого за прототип и содержащую пластину с центральной внутренней рамкой и периферийной наружной рамкой, которые соединены между собой расположенными по разные стороны от продольной оси симметрии пластины продольными упругими перемычками, осями изгиба которых образована ось подвеса, перпендикулярная продольной оси симметрии пластины и продольным осям продольных упругих перемычек, причем в местах образования упругих перемычек на внешней и внутренней рамках выполнены расположенные напротив друг друга уступы, каждый из которых имеет одну направленную вдоль оси подвеса образующую уступа и две направленные вдоль продольной оси продольной перемычки образующие уступа, противолежащие образующие уступов на внешней и внутренней рамках параллельны, продольными упругими перемычками соединены образующие уступов на внешней и внутренней рамках, направленные вдоль оси подвеса [2]
Недостатком такого чувствительного элемента является ограничение по ударной прочности в широком диапазоне механических воздействий вследствие потери устойчивости упругих перемычек при деформации сжатия, возникающей при наличии удара вдоль продольной оси продольных упругих перемычек.

Целью изобретения является повышение ударной прочности чувствительного элемента акселерометра.

Данная цель достигается в чувствительном элементе акселерометра, содержащем пластину с центральной внутренней рамкой и периферийной наружной рамкой, которые соединены между собой расположенными по разные стороны от продольной оси симметрии пластины продольными упругими перемычками, осями изгиба которых образована ось подвеса, перпендикулярная продольной оси симметрии пластины и продольным осям продольных упругих перемычек, причем в местах образования упругих перемычек на внешней и внутренней рамках выполнены расположенные напротив друг друга уступы, каждый из которых имеет одну направленную вдоль оси подвеса образующую уступа и две направленные вдоль продольной оси продольной перемычки образующие уступа, противолежащие образующие уступов на внешней и внутренней рамках параллельны, продольными упругими перемычками соединены образующие уступов на внешней и внутренней рамках, направленные вдоль оси подвеса, тем, что каждая упругая перемычка распространена до одной из образующих уступа, расположенной вдоль продольной оси продольной перемычки. В модификации чувствительного элемента прилегающая к расположенной вдоль продольной оси продольной перемычки образующей уступа часть каждой упругой перемычки выполнена в виде поперечной перемычки, продольная ось которой параллельна оси подвеса или совпадает с ней, каждая поперечная перемычка соединена одним концом с своей продольной перемычкой, а другим концом с образующей уступа, расположенной продольной оси продольной перемычки, каждая поперечная перемычка отделена от образующих уступов, расположенных вдоль оси подвеса.

В дальнейшем усовершенствовании чувствительного элемента в каждой упругой перемычке образована дополнительная поперечная упругая перемычка, соединяющая вторую сторону продольной упругой перемычки с другой образующей уступа, расположенной по другую сторону от продольной оси продольной перемычки, каждая поперечная упругая перемычка отделена от образующих уступа, расположенных вдоль оси подвеса.

В варианте выполнения чувствительного элемента акселерометра выполнены единым элементом из монокристаллического кремния методом анизотропного травления внешняя и внутренние рамки и упругие перемычки вместе с их продольными и поперечными частями.

При выполнении упругой перемычки таким образом, что она распространена до одной из образующих уступа, расположенной вдоль продольной оси продольной перемычки, часть упругой перемычки, соединенная с образующей уступа, при направленных вдоль продольной оси продольной перемычки ударных воздействиях работает на изгиб, что уменьшает деформацию сжатия и повышает ударную прочность чувствительного элемента акселерометра.

Путем образования поперечной перемычки, которая соединена с образующей уступа, расположенной вдоль продольной оси продольной перемычки, и отсоединена от расположенных вдоль оси подвеса образующих уступа, достигается повышение ударной прочности при обеспечении жесткости продольной перемычки на изгиб относительно оси подвеса, соответствующей жесткости одной продольной перемычки. При выполнении дополнительной поперечной упругой перемычки повышается ударная прочность, так как уменьшаются деформации сжатия продольной упругой перемычки с ее обеих сторон.

Путем выполнения внешней и внутренней рамок, а также упругих перемычек единым элементом из монокристаллического кремния методом анизотронного травления обеспечивается повышение ударной прочности вследствие устранения местных напряжений, образующихся при механи- ческой обработке.

На фиг. 1 показан чувствительный элемент акселерометра; на фиг.2 разрез А-А на фиг.1; на фиг.3 вариант выполнения внешней и внутренней рамки и упругих перемычек; на фиг.4 один вариант выполнения упругих перемычек.

Чувствительный элемент акселерометра состоит из пластины с периферийной наружной рамкой 1 и центральной внутренней рамкой 2, которые соединены между собой упругими перемычками 3 и 4 (фиг.1). Продольные оси 5-5' упругой перемычки 3 и 6 6' упругой перемычки 4 параллельны, и перпендикулярные им оси изгиба упругих перемычек 3 и 4 образуют ось подвеса 7 7'. Упругие перемычки 3 и 4 расположены по разные стороны от продольной оси симметрии 8-8' пластины, которая перпендикулярна оси подвеса 7-7'. Ось подвеса 7-7' является осью симметрии внешней рамки 1 и внутренней рамки 2.

На внешней рамке 1 в местах расположения упругих перемычек 3 и 4 образованы уступы, одни образующие которых 9,9' направлены вдоль оси подвеса 7-7', другие две образующие 10,10' и 11,11' направлены вдоль продольных осей 5-5' и 6-6' упругих перемычек 3 и 4. Уступы на внутренней рамке 2 расположены напротив уступов на внешней рамке 1. Направленные вдоль оси подвеса 7-7' образующие 12,12' уступов на внутренней рамке 2 параллельны образующим 9,9' уступов на внешней рамке 1. Направленные вдоль продольных осей 5-5', 6-6' упругих перемычек 3,4 образующие 13,13' и 14,14' уступов на внутренней рамке 2 параллельны образующим 10,10' и 11,11' на внешней рамке 1. В центральной части внутренней рамки 2 образовано отверстие 15 для установки чувствительного элемента в корпусе акселерометра. Упругая перемычка 3 соединяет направленную вдоль оси подвеса 7-7' образующую 9 уступа на внешней рамке 1 с параллельной ей образующей 12 на внутренней рамке 2 и распространяется до направленной вдоль продольной оси 5-5' упругой перемычки 3 образующей 10 уступа на внешней рамке 1. С помощью упругой перемычки 4 соединяются направленная вдоль оси подвеса 7-7' образующая 9' уступа на внешней рамке 1 с параллельной ей образующей 12' на внутренней рамке 2. Упругая перемычка 4 распространяется до образующей 13' уступа на внутренней рамке 2.

Упругая перемычка 3 может соединяться или с образующей 10 уступа на внешней рамке 1, или с образующей 14 уступа на внутренней рамке 2. Аналогично упругая перемычка 4 может соединяться либо с образующей 13' уcтупа на внутренней рамке 2, либо c образующей 11' на внешней рамке 1.

Толщина упругих перемычек 3 и 4 выполнена меньше толщины внешней рамки 1 и внутренней рамки 2 для обеспечения необходимой разрешающей способности акселерометра (фиг.2).

На примере чувствительного элемента с осью подвеса 7-7', не являющейся осью симметрии внешней рамки 1 и внутренней рамки 2, показано выполнение упругих перемычек 3 и 4 с одной поперечной перемычкой (фиг.3). Упругая перемычка 3 состоит из продольной перемычки 16 с продольной осью 5-5' и поперечной перемычки 17, продольная ось которой совпадает с осью подвеса 7-7'. Один конец продольной перемычки 16 соединен с образующей 9 уступа на внешней рамке 1, второй конец с образующей 12 уступа на внутренней рамке 2. Поперечная перемычка 17 одним своим концом соединена с продольной перемычкой 16, а другим концом с образующей 10 уступа на внешней рамке 1.

Упругая перемычка 4 содержит продольную перемычку 18 с ее продольной осью 6-6' и поперечную перемычку 19, продольная ось которой совпадает с осью подвеса 7-7'. Продольная перемычка 18 соединена своим одним концом с образующей 9' уступа на внутренней рамке 2, а вторым концом с образующей 12' уступа на внешней рамке 1. Один конец поперечной перемычки 19 соединен с продольной перемычкой 18, а второй конец с образующей 10' уступа на внешней рамке 1.

Поперечная перемычка 17 отсоединена от образующей 9 уступа на внешней рамке 1 и образующей 12 уступа на внутренней рамке 2. Аналогично поперечная перемычка 19 отсоединена от образующих 9' и 12' уступов на внутренней рамке 2 и внешней рамке 1 соответственно.

Поперечная перемычка 17 может проходить от продольной перемычки 16 либо до образующей 10 уступа на внешней рамке 1, либо до образующей 14 на внутренней рамке 2. Подобным же образом поперечная перемычка 19 может соединять продольную перемычку 18 или с образующей 10' уступа на внешней рамке 1, или с образующей 13 уступа на внутренней рамке 2.

В данном варианте чувствительного элемента его крепление в корпусе акселерометра осуществляется с помощью внешней рамки 1.

И, наконец, еще в одном варианте выполнения чувствительного элемента (фиг.4) в упругой перемычке 3 кроме продольной перемычки 16 и поперечной перемычки 17 образована дополнительная поперечная перемычка 20, продольная ось которой совпадает с осью подвеса 7-7' и которая расположена по другую сторону от продольной оси 5-5' продольной перемычки 16 и соединяет ее с образующей 14 уступа на внутренней рамке 2. Поперечная перемычка 20 отделена от образующей 9 уступа на внешней рамке 1 и образующей 12 уступа на внутренней рамке 2. Упругая перемычка 4 кроме продольной перемычки 18 и поперечной перемычки 19 содержит дополнительную упругую перемычку 21, соединяющую вторую сторону продольной упругой перемычки 18 с образующей 13' уступа на внутренней рамке 2. Дополнительная поперечная перемычка 21 отсоединена от образующих 9' и 12' уступов на внешней рамке 1 и внутренней рамке 2 соответственно.

Внешняя рамка 1, внутренняя рамка 2, упругие перемычки 3 и 4 вместе с их продольными перемычками 16 и 18, поперечными перемычками 17 и 19 и дополнительными поперечными перемычками 20 и 21 могут быть выполнены единым элементом из монокристаллического кремния методом анизотропного травления.

Чувствительный элемент акселерометра работает следующим образом. В варианте чувствительного элемента в соответствии с фиг.1 при наличии измеряемого ускорения, направленного перпендикулярно плоскости пластины с наружной рамкой 1 и внутренней рамкой 2, происходит изгиб упругих перемычек 3 и 4 относительно оси подвеса 7-7', обеспечивающий угловое перемещение внешней рамки 1 относительно внутренней рамки 2 для измерения ускорения. При ударной нагрузке, направленной вдоль оси симметрии 8-8' пластины и вызывающей поступательное перемещение образующих 9 и 12' уступов на внешней рамке 1, в сторону образующих 12 и 9' уступов на внутренней рамке 2, часть упругой перемычки 3, находящейся между образующими 9, 11, 12 и 13 уступов на внешней рамке 1 и внутренней рамке 2, испытывает деформацию сжатия. Часть упругой перемычки 3, находящейся между образующими 9, 10 уступов на внешней рамке 1 и соединенной с ними, испытывает деформацию изгиба. Так как жесткость сечения работающей на изгиб части упругой перемычки 3 больше жесткости работающей на сжатие части упругой перемычки 3, то поступательное перемещение внешней рамки 1 и внутренней рамки 2 мало, невелики напряжения и деформация сжатия части упругой перемычки 3, работающей на сжатие. Поэтому упругая перемычка 3 не теряет устойчивости при деформации сжатия, что повышает ударную прочность упругой перемычки 3. В то же время находящаяся между образующими 9', 10', 11', 12 и 14' уступов на внешней рамке 1 и внутренней рамке 2 часть упругой перемычки 4 испытывает деформацию растяжения. Часть упругой перемычки 4, находящаяся между образующими 12' и 13' уступа на внутренней рамке 2, испытывает деформацию изгиба. Вследствие большой жесткости сечения упругой перемычки 4, работающей на изгиб, чем жесткость на растяжение работающей на растяжение части упругой перемычки 4, уменьшаются напряжение и деформация растяжения упругой перемычки 4, повышается ударная прочность упругой перемычки 4. Повышение ударной прочности упругих перемычек 3 и 4 вызывает повышение ударной прочности чувствительного элемента.

При изменении направления ударной нагрузки уменьшаются напряжение и деформация сжатия упругой перемычки 4, напряжение и деформация растяжения упругой перемычки 3.

При выполнении чувствительного элемента в соответствии с фиг.3 при наличии измеряемого ускорения происходит изгиб продольных перемычек 16 и 18 и кручение поперечных перемычек 17 и 19, имеющих малую жесткость на кручение. Поэтому обеспечивается большее угловое перемещение внутренней рамки 2 относительно внешней рамки 1, чем в предыдущем примере.

При ударных нагрузках вдоль оси симметрии 8-8' пластины обе продольные перемычки 16 и 18 испытывают либо деформации сжатия, либо деформации растяжения. Вследствие большей жесткости сечения при изгибе поперечных перемычек 17 и 19, чем жесткость при сжатии и растяжении продольных перемычек 16 и 18, уменьшаются напряжения и деформации при сжатии и растяжении продольных перемычек 16 и 18, что повышает прочность и устойчивость продольных перемычек 16 и 18 и, следовательно, ударную прочность упругих перемычек 3 и 4 и чувствительного элемента акселерометра.

В варианте конструкции чувствительного элемента в соответствии с фиг.4 при наличии измеряемого ускорения происходит изгиб продольных перемычек 16 и 18 и кручение поперечных перемычек 17, 19, 20 и 21 и вследствие этого угловое перемещение внешней рамки 1 относительно внутренней рамки 2, которое имеет значительную величину из-за малой жесткости при изгибе продольных перемычек 16 и 18 и малой жеcткоcти при кручении поперечных перемычек 17, 19, 20 и 21.

При ударных нагрузках вдоль оси симметрии 8-8' пластины одна из продольных перемычек 16 и 18 испытывает деформацию сжатия, другая деформацию растяжения. Так как жесткость при изгибе поперечных перемычек 17, 19, 20 и 21 больше жесткости при сжатии или растяжении продольных перемычек 16 и 18, то уменьшаются напряжения и деформации сжатия и растяжения продольных перемычек 16 и 18. При этом уменьшаются напряжения и деформации сжатия или растяжения обоих частей продольной перемычки 16, соединенных с поперечной перемычкой 17 и дополнительной поперечной перемычкой 20, а также обеих частей продольной перемычки 18, которые соединены с поперечной перемычкой 19 и дополнительной поперечной перемычкой 21. Уменьшение деформации сжатия повышает устойчивость продольных перемычек 16 и 18, что увеличивает их ударную прочность и ударную прочность чувствительного элемента.

Использование: измерительная техника, а именно маятниковые акселерометры с упругим подвесом чувствительного элемента. Сущность изобретения: в чувствительном элементе акселерометра, содержащем пластину с внутренней 2 и внешней 1 рамками, соединенными между собой продольными упругими перемычками 3 и 4, оси изгиба которых образуют ось подвеса, и в котором в местах расположения упругих перемычек 3 и 4 образованы уступы на внешней 1 и внутренней 2 рамках, каждый из которых имеет параллельную оси подвеса образующую 9 и две направленные вдоль продольных осей упругих перемычек образующие 10 и 11, каждая упругая перемычка 3 и 4 распространена до одной из образующих уступа, расположенной вдоль продольной оси продольной перемычки. 3 з. п. ф-лы, 4 ил.

1. ЧУВСТВИТЕЛЬНЫЙ ЭЛЕМЕНТ АКСЕЛЕРОМЕТРА, содержащий пластину с центральной внутренней рамкой и периферийной наружной рамкой, которые соединены между собой расположенными по разные стороны от продольной оси симметрии пластины продольными упругими перемычками, осями изгиба которых образована ось подвеса, перпендикулярная к продольной оси симметрии пластины и продольным осям продольных упругих перемычек, причем в местах образования упругих перемычек на внешней и внутренней рамках выполнены расположенные напротив друг друга уступы, каждый из которых имеет одну направленную вдоль оси подвеса образующую уступа и две направленные вдоль продольной оси продольной перемычки образующие уступа, противолежащие образующие уступов на внешней и внутренней рамках параллельны, продольными упругими перемычками соединены образующие уступов на внешней и внутренней рамках, направленные вдоль оси подвеса, отличающийся тем, что каждая упругая перемычка распространена до одной из образующих уступа, расположенной вдоль продольной оси продольной перемычки. 2. Элемент по п. 1, отличающийся тем, что прилегающая к расположенной вдоль продольной оси продольной перемычки образующей уступа часть каждой упругой перемычки выполнена в виде поперечной перемычки, продольная ось которой параллельна оси подвеса или совпадает с ней, каждая поперечная перемычка соединена одним концом со своей продольной перемычкой, а другим концом с образующей уступа, расположенной вдоль продольной оси продольной перемычки, каждая поперечная перемычка отделена от образующих уступа, расположенных вдоль оси подвеса. 3. Элемент по п. 2, отличающийся тем, что в каждой упругой перемычке образована дополнительная поперечная перемычка, соединяющая вторую сторону продольной перемычки с другой образующей уступа, расположенной по другую сторону от оси продольной перемычки и направленной вдоль продольной оси продольной перемычки, каждая поперечная перемычка отделена от образующих уступов, расположенных вдоль оси подвеса. 4. Элемент по п. 1, или 2, или 3, отличающийся тем, что внутренняя рамка, внешняя рамка и упругие перемычки выполнены единым элементом из монокристаллического кремния методом анизотропного травления.