ЧУВСТВИТЕЛЬНЫЙ ЭЛЕМЕНТ ЕМКОСТНОГО АКСЕЛЕРОМЕТРА Российский патент 1997 года по МПК G01P15/125 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть применено в конструкциях низкочастотных линейных компенсационных акселерометров и датчиков угловых перемещений.

Известен чувствительный элемент датчика для определения ускорения, содержащий инерционный каркас на эластичном подвесе и чувствительный компонент, определяющий положение каркаса, масса которого изменяется за счет крепления постороннего предмета, обеспечивающего контроль /1/.

Известный чувствительный элемент не обладает достаточной радиальной жесткостью и точностью сопряжения вследствие асимметрии крепления объекта контроля на инерционном каркасе, что ухудшает характеристики измерителя и снижает помехоустойчивость при контроле.

Известен также датчик компенсационного акселерометра /2/, содержащий чувствительный элемент, включающий инерционную пластину и колебательную систему. Последняя связана с преобразователем перемещений в электрический сигнал. Устройство содержит также обратный преобразователь, к обмотке которого через масштабирующий резистор присоединен усилитель, а также предварительный и выходной усилители. Калибровочный резистор и сумматор присоединены к выходу преобразователя перемещений и к выходу предварительного усилителя.

Недостатком датчика является его повышенная инерционность вследствие возможного "залипания" инерционной пластины в момент включения питающего напряжения вплоть до отказов датчика. Кроме того, многоэлементная электрическая схема влияет на помехоустойчивость устройства и его надежность в отношении помехозащищенности.

Из известных датчиков емкостных акселерометров и их чувствительных элементов наиболее близким к заявляемому является чувствительный элемент емкостного акселерометра с замкнутым контуром и пружинным ограничением, содержащий конденсатор, между электродами-обкладками которого размещена подвижная пластина /3/. Пластина под воздействием ускорения перемещения контролируемого объекта отклоняется от среднего положения (эталонной плоскости). Это перемещение с помощью электронной схемы преобразуется в напряжение, воздействующее на конденсатор и возвращающее пластину в эталонную плоскость.

Устройство ближайший аналог отличается повышенной инерционностью и значительной осевой жесткостью, обусловленной действием пружинного ограничителя. Кроме того, отмечается влияние наведенных электрических полей и возникновение паразитных электрических связей от компонентов электронной схемы в цепях уравновешивания.

Исходя из недостатков описанных аналогов задача, на решение которой направлено заявляемое устройство, состоит в снижении инерционности и повышении надежности чувствительного элемента емкостного акселерометра. Технический результат, который может быть получен при осуществлении изобретения, - исключение влияния наведенных электрических полей и паразитных электрических связей.

Поставленная задача решается тем, что в чувствительном элементе емкостного акселерометра, у которого подвижная проводящая пластина расположена между неподвижными электродами с внешними выводами, пластина, имеющая форму правильного плоского многоугольника или круга в плане, снабжена симметрично расположенными по периметру планарными выступами, соединенными с одинаковыми по геометрическим параметрам упругими ленточными растяжками из проводящего материала, противоположные концы которых закреплены на проводящей несущей рамке, на планарных выступах подвижной пластины сформированы двухсторонние равновысокие вертикальные выступы с плоской поверхностью, несущая рамка по периферии жестко соединена с диэлектрическими пластинами, на которых расположены неподвижные тонкопленочные электроды и охватывающие их по периметру с зазором тонкопленочные полосковые экраны, имеющие внешние выводы, соединенные с несущей рамкой, при этом полосковые экраны перекрывают с вертикальным зазором плоские поверхности вертикальных выступов подвижной пластины, а неподвижные электроды и полосковые экраны отделены материалом диэлектрических пластин от тонкопленочных экранирующих электродов, соединенных между собой.

Из представленной общей совокупности признаков заявляемого объекта видно, что в дополнение к известным признакам в него введены экранирующие элементы в виде внутренних полосковых экранов, охватывающих по периметру неподвижные электроды с зазорами между ними и наружных экранирующих электродов, перекрывающих неподвижные электроды и внутренние полосковые экраны и отделенных от них диэлектриком. Их введение служит целям защиты чувствительного элемента от внутренних электростатических полей, наведенных электрическими зарядами на диэлектрических пластинах, а также от влияния внешних электрических помех.

Кроме того, принципиально изменена конструкция подвижной пластины и ее взаимодействие с неподвижными электродами. Она оказывается подвешенной на упругих полосковых растяжках, имеющих идентичные геометрические параметры (длину, форму и площадь сечения), а сама подвижная пластина снабжена одинаковыми по высоте вертикальными выступами, имеющими минимальный зазор относительно полосковых экранов, что обеспечивает свободные колебания подвижной пластины с малой амплитудой и быстрое ее возвращение в среднее положение. Тем самым снижается инерционность чувствительного элемента.

Принципиально новым является также выполнение неподвижных электродов, сформированных на диэлектрических пластинах в виде тонкопленочных элементов, что придает компактность заявляемому устройству и повышает его чувствительность.

Следует отметить также, что наружные экранирующие электроды соединены между собой, что направлено на подавление электрических помех.

Таковы основные отличия и преимущества заявляемого чувствительного элемента емкостного акселерометра в сравнении с прототипом.

В целом же заявляемый объект характеризуется следующей совокупностью основных отличительных признаков:
а) подвижная пластина имеет форму правильного плоского многоугольника или круга. Это обеспечивает симметричность пластины и исключает возможность перекоса при ее отклонении от среднего положения;
б) подвижная пластина снабжена симметрично расположенными по периметру планарными выступами. Эти выступы сформированы заодно с пластиной и служат основанием для вертикальных выступов и местом соединения с концами упругих растяжек;
в) планарные выступы соединены с идентичными по геометрическим параметрам упругими ленточными растяжками из проводящего материала. Идентичность геометрических параметров растяжек (их длина, конфигурация и размеры сечения) служат цели равномерного перемещения подвижной пластины в вертикальном направлении и устранения перекосов. Упругие растяжки выполнены заодно с пластиной и планарными выступами;
г) противоположные концы упругих растяжек закреплены на проводящей несущей рамке. Это обеспечивает необходимое упругое действие растяжек при изменении положения подвижной пластины и плоскопараллельность ее перемещения;
д) на планарных выступах подвижной пластины сформированы двухсторонние проводящие равновысокие вертикальные выступы с плоской поверхностью. Указанные выступы расположены на планарных выступах подвижной пластины, имеют одинаковую высоту и тем самым обеспечивают одинаковые зазоры между вертикальными выступами и перекрывающими их по площади тонкопленочными полосковыми внутренними экранами и равномерное отклонение подвижной пластины в обоих направлениях. Плоскосность тех и других поверхностей гарантирует их равномерное взаимодействие;
е) неподвижные тонкопленочные электроды и охватывающие их по периметру с зазорами тонкопленочные полосковые экраны расположены на поверхности диэлектрических пластин. Выполнение указанных элементов по тонкопленочной технологии и обеспечение минимальных зазоров между ними позволяет достичь миниатюризации чувствительного элемента;
ж) внешние выводы полосковых экранов соединены с проводящей несущей рамкой. Это соединение обеспечивает эквипотенциальность поверхности полосковых экранов и вертикальных выступов;
з) полосковые экраны перекрывают плоские поверхности вертикальных выступов подвижной пластины с постоянным зазором между ними. Тем самым обеспечивается надежное взаимодействие указанных конструктивных элементов в плане перемещения подвижной пластины;
и) на поверхности диэлектрических пластин, противоположных тем, на которых размещены неподвижные электроды и внутренние полосковые экраны, нанесены тонкопленочные экранирующие электроды, соединенные между собой. Они предназначены для устранения внешних помех.

Помимо перечисленных выше основных отличительных признаков могут быть указаны следующие частные признаки:
к) подвижная пластина с выступами, несущая рамка и упругие растяжки выполнены из полупроводникового материала, например из высоколегированного монокристаллического кремния. Это способствует технологичности изготовления чувствительного элемента с применением приемов достаточно отработанной при изготовлении полупроводниковых приборов планарной технологии, достижению миниатюризации чувствительного элемента и точности его изготовления;
л) диэлектрические пластины выполнены из стекла, коэффициент термического расширения которого соответствует коэффициенту термического расширения полупроводникового материала. Тем самым исключаются термомеханические напряжения, ухудшающие работу чувствительного элемента.

На фиг.1 показано предлагаемое устройство в плане; на фиг.2 сечение А-А на фиг. 1.

Подвижная пластина 1 с планарными выступами 2 и вертикальными выступами 3 выполнена из проводящего материала. Планарные выступы 2 соединены с концами проводящих упругих ленточных растяжек 4, противоположные концы которых соединены с проводящей несущей рамкой 5. На поверхности диэлектрических пластин 6 выполнены тонкопленочные неподвижные электроды 7 конденсатора и охватывающие их по периметру с зазором 8 полосковые тонкопленочные экраны 9, расположенные с постоянным зазором 10 над плоской поверхностью вертикальных выступов 3. Внешние выводы экранов 9 соединены с несущей рамкой 5. Неподвижные электроды 7 и полосковые экраны 9 отделены диэлектрическим материалом пластин 6 от тонкопленочных экранирующих электродов II, соединенных между собой.

Предлагаемый чувствительный элемент работает следующим образом.

В процессе работы в момент возникновения перегрузочных воздействий, например в момент включения питающих напряжений, а также при воздействии динамических перегрузок, превышающих верхнюю границу измерения, вертикальные выступы 3 упираются своей верхней плоскостью в полосковые экраны 9, ограничивая тем самым перемещение подвижной пластины 1 в том или другом направлении. При этом амплитуда перемещения пластины 1 такова, что силы электростатического воздействия уравновешивают механические колебания пластины 1. Поскольку площадь поверхности выступов 3 в сравнении с площадью полосковых экранов 9 пренебрежимо мала, а разность потенциалов между указанными поверхностями отсутствует в силу соответствующего электрического подключения, то наведенное электрическое поле в динамическом режиме отсутствует, что повышает точность измерений. Амплитуда колебаний подвижной пластины 1 составляет доли микрона. Значения же колебаний, при которых наступают упругие деформации, на три- четыре порядка выше. Поэтому отсутствует механический гистерезис и соблюдается высокая линейность амплитудной характеристики.

В то же время в заявляемом чувствительном элементе учтены возможные структурные неоднородности самой пластины 1, вызывающие наведенный неравномерный электрический заряд поверхности диэлектрических пластин 6 вблизи тонокопленочных неподвижных электродов 7. Эта неравномерность распределения заряда могла бы привести к перекосу подвижной пластины 1 при ее перемещении, соответственно к снижению величины модуляции воздушного зазора между ней и пластинами 6 и даже к перемыканию пластины 1 с электродами 7. Все это могло бы привести к сужению диапазона измерений и к параметрическим отказам в работе емкостного акселерометра.

Однако введение полосковых экранов 9 позволяет избежать нежелательных последствий. На поверхность экранов 9 подается электрический потенциал, одинаковый с потенциалом подвижной пластины 1 (выводы экранов 9 соединены с несущей рамкой 5). В результате этого осуществляется съем наведенных электрических зарядов с пластин 6 и их взаимная компенсация, устраняется возможность влияния паразитных электрических полей и неоднородностей структуры пластины 1, связанные с ней перекосы в воздушном зазоре между пластиной 1 и электродами 7. Все это способствует расширению диапазона измерений и повышению надежности акселерометра в целом.

Высота выступов 3 выбирается такой, что между ними и полосковыми экранами 9 при перемещении пластины 1 всегда остается малый воздушный зазор, исключающий "прилипание" пластины 1 к электродам 7. Это также устраняет параметрические отказы, уменьшает инерционность чувствительного элемента и повышает надежность акселерометра.

Площадь внешних тонкопленочных экранирующих электродов 11 соразмерна площади неподвижных электродов 8. Поэтому возникающая паразитная емкость постоянна и мала, поскольку она определяется толщиной диэлектрических пластин 6. Поэтому влияние наведенных электрических полей и устранение паразитных связей от компонентов электронной схемы существенно снижено.

В целом чувствительный элемент емкостного акселерометра представляет собой монолитную микромеханическую конструкцию, защищенную от неконтролируемых электростатических зарядов и влияния наведенных электрических полей, с низкой инерционностью и, следовательно, повышенным быстродействием, что обеспечивает ее высокую функциональную и параметрическую надежность и точность измерений.

Наиболее успешно заявленный чувствительный элемент емкостного акселерометра может быть использован в конструкциях акселерометров и датчиков угловых перемещений.

Использование: в измерительной технике в конструкциях низкочастотных линейных компенсационных акселерометров и датчиков угловых перемещений. Сущность изобретения: чувствительный элемент содержит подвижную пластину 1 с планарными выступами 2 и вертикальными выступами 3, выполненными из проводящего материала. Планарные выступы 2 соединены с концами проводящих упругих ленточных растяжек 4, противоположные концы которых соединены с проводящей несущей рамкой 5. На поверхности пластин 6 выполнены тонкопленочные неподвижные электроды 7 и охватывающие их по периметру с зазором 8 полосковые тонкопленочные экраны 9, расположенные с зазором 10 над выступами 3. Внешние выводы экранов 9 соединены с несущей рамкой 5. Электроды 8 и экраны 9 отделены диэлектрическим материалом пластин 6 от тонкопленочных экранирующих электродов 11, соединенных между собой. Чувствительный элемент обладает низкой инерционностью, повышенной надежностью и помехозащищенностью. 2 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Чувствительный элемент емкостного акселерометра в виде конденсатора, у которого подвижная проводящая пластина расположена между неподвижными электродами с внешними выводами, отличающийся тем, что подвижная пластина имеет в плане форму правильного многоугольника или круга и снабжена симметрично расположенными по периметру планарными выступами, соединенными с одинаковыми по геометрическим параметрам упругими ленточными растяжками из проводящего материала, противоположные концы которых закреплены на проводящей несущей рамке, на планарных выступах подвижной пластины сформированы двусторонние проводящие равновысокие вертикальные выступы с плоской поверхностью, несущая рамка по периферии жестко соединена с диэлектрическими пластинами, на которых расположены неподвижные тонкопленочные электроды и охватывающие их по периметру с зазором тонкопленочные полосковые экраны, имеющие внешние выводы, соединенные с несущей рамкой, при этом полосковые экраны перекрывают с зазором плоские поверхности вертикальных выступов подвижной пластины, а неподвижные электроды и полосковые экраны отделены материалом диэлектрических пластин от экранирующих тонкопленочных электродов, соединенных между собой. 2. Элемент по п.1, отличающийся тем, что подвижная пластина с выступами, несущая рамка и упругие растяжки выполнены из полупроводникового материала, например из монокристаллического кремния. 3. Элемент по пп.1 и 2, отличающийся тем, что диэлектрические пластины выполнены из стекла, коэффициент термического расширения которого соответствует коэффициенту термического расширения полупроводникового материала.