АКСЕЛЕРОМЕТР НА ПОВЕРХНОСТНЫХ АКУСТИЧЕСКИХ ВОЛНАХ Российский патент 2009 года по МПК G01P15/09 

Изобретение относится к области приборостроения, а именно к приборам ориентации, навигации и систем управления подвижных объектов, и предназначено для измерения ускорения в этих системах.

Известные акселерометры широко используются в инерциальной навигации и в системах наведения. Преимуществом этих акселерометров является достаточно высокая точность, а недостатком - достаточно высокая стоимость и относительно большие габариты. Применения, требующие акселерометров менее дорогих и меньшего размера, востребованы в системах автомобильной безопасности, при производстве потребительских товаров (видеокамер, GPS, спортивного оборудования), промышленных товаров (роботов, управления оборудованием), медицинских изделий (хирургических инструментов).

В настоящее время известны механические маятниковые акселерометры [Сапожников Г.А., Богословский С.В., Кизимов А.Т. Теория и практика измерительных электромагнитных подвесов. СПб.: СПбГУАП, 2001. 384 с.]. Механические маятниковые акселерометры состоят из инерционной массы, подвешенной к основанию при помощи пружины. Однако вышеуказанные акселерометры имеют низкую точность, обусловленную физическими свойствами материала пружины (как правило, стали).

Известен, также акселерометр с магнитным подвесом инерционной массы [Сапожников Г.А., Богословский С.В., Кизимов А.Т. Теория и практика измерительных электромагнитных подвесов. СПб.: СПбГУАП, 2001. 384 с.], содержащий инерционную массу с ферромагнитными включениями, бесконтактно подвешенную в вакууме в магнитном поле соленоидов, закрепленных на неподвижном основании. Хорошая точность (лучше 0,03%) позволяет применять его в компактных системах навигации и автоматического управления подвижными объектами. Однако этот акселерометр обладает низкой надежностью - в случае пропадания электропитания инерционная масса разрушается в результате падения. Это ограничивает диапазон его применения.

Наиболее близким по технической сущности к изобретению является акселерометр на поверхностных акустических волнах (ПАВ) [Патент US №4598587. "Акселерометр на поверхностных акустических волнах". / D.Dwyer, D.Bower, 1984 г.].

Акселерометр включает в себя пьезоплату, на которой симметрично относительно области закрепления сформировано два резонатора на ПАВ, что обеспечивает дифференциальный режим измерения.

Этот акселерометр работает на основе принципа поверхностной акустической волны, распространяющейся по пьезоэлектрической подложке.

Преимуществом акселерометра является высокая долговременная стабильность (более 20 лет). Недостатком этого акселерометра является низкая точность - не лучше 0,1%, и соответственно - невозможность использования его для высокоточных применений.

Вышеизложенные факты приводят к снижению точности оценивания ускорения, что и является недостатком прототипа.

Задачей настоящего изобретения является разработка акселерометра с улучшенными характеристиками измерения ускорения.

Техническим результатом является повышение точности и чувствительности измерений.

Технический результат достигается тем, что, в акселерометре на поверхностных акустических волнах, содержащем инерционную массу и пьезоплату, прикрепленную к основанию, область крепления пьезоплаты к основанию расположена на противоположной стороне от отражающих структур на пьезоплате между (если смотреть перпендикулярно плоскости распространения поверхностных акустических волн) отражающих структур, образующих совместно с встречно-штыревым преобразователем (ВШП) единый измерительный резонатор на поверхностных акустических волнах, при этом пьезоплата может иметь переменную толщину в области расположения отражающих структур.

Технический результат достигается за счет того, что расположение отражающих структур, инерционных масс и области крепления пьезоплаты к основанию позволяет эффективно использовать всю поверхность пьезоплаты для размещения резонатора с увеличенным периодом отражающих структур на ПАВ.

Низкая точность известных акселерометров на ПАВ определяется применением традиционных радиотехнических решений при синтезе топологии ПАВ резонатора. Такие традиционные подходы позволяют получить относительно небольшие габариты, но при этом не позволяют увеличить точность. Известно [1], что повысить точность можно увеличивая период отражающих структур, что приводит к существенному увеличению линейных размеров. В связи с этим традиционное одностороннее расположение отражающих структур резонатора относительно области крепления становится неэффективным. Размещение отражающих структур одного резонатора по разные стороны относительно области крепления пьезоплаты к основанию позволяет эффективно использовать поверхность пьезоплаты и преимущества резонатора с увеличенным периодом отражающих структур на ПАВ.

Проведенный заявителем анализ уровня техники установил, что аналоги, характеризующиеся совокупностями признаков, тождественными всем признакам заявленного устройства, акселерометра на поверхностных акустических волнах, отсутствуют, следовательно, заявленное изобретение соответствует условию "новизна".

В настоящее время автору не известны акселерометры на поверхностных акустических волнах, которые имели бы такую высокую чувствительность и динамический диапазон, подходящий для многих промышленных применений, которые обеспечивает предлагаемая конструкция акселерометра.

Результаты поиска известных технических решений в данной и смежных областях техники с целью выявления признаков, совпадающих с отличительными от прототипов признаками заявленного изобретения, показали, что они не следуют явным образом из уровня техники.

Из определенного заявителем уровня техники не выявлена известность влияния предусматриваемых существенными признаками заявленного изобретения преобразований на достижение указанного технического результата, следовательно, заявленное изобретение соответствует "изобретательскому уровню".

Сущность изобретения поясняется чертежом, где представлена конструкция акселерометра на поверхностных акустических волнах.

Акселерометр на поверхностных акустических волнах состоит из инерционной массы 1, выполненной, например, из кварца или из металла, закрепленной на пьезоплате 3.

На поверхности пьезоплаты 3 сформирован резонатор на ПАВ, образованный ВШП 4 и отражающими структурами 2.

Пьезоплата 3 закреплена на основании 5.

Отражающие структуры 2 могут быть выполнены в виде канавок методами травления, например ионно-плазменного, ВШП 4 может быть выполнен методами фотолитографии. Отражающие структуры могут быть выполнены в виде штырей [2].

Устройство работает следующим образом.

При отсутствии ускорения пьезоплата 3 не деформируется, так как инерционная масса 1 не оказывает силового воздействия на пьезоплату 3. Соответственно резонатор на ПАВ, образованный отражающими структурами 2 и ВШП 4, работает на номинальной резонансной частоте f₁.

При воздействии ускорения на инерционную массу 1 и пьезоплату 3, жестко закрепленную на основании 5, пьезоплата деформируется. При этом максимальная деформация реализуется в области расположения отражающих структур 2, которые в основном и определяют резонансную частоту резонатора на ПАВ, являющегося аналогом интерферометра Фабри-Перро [2].

При деформации отражающих структур 2 изменяется резонансная частота резонатора и становится равной, например, f₂.

Параметры резонатора на ПАВ измеряют, например, анализатором спектра [1]. Резонансная частота резонатора на ПАВ связана однозначной зависимостью с величиной ускорения. Ускорение определяют, например, по градуировочной характеристике акселерометра на ПАВ.

Таким образом, приведенные сведения доказывают, что при осуществлении заявленного изобретения выполнялись следующие условия:

- средство, воплощающие устройство-изобретение при его осуществлении, предназначено для использования в приборостроении, а именно в системах навигации динамических объектов, в системах управления, в том числе в автомобильной промышленности и робототехнике;

- для заявленного изобретения в том виде, как оно охарактеризовано в независимом пункте формулы изобретения, подтверждена возможность его осуществления с помощью указанных или других известных до даты подачи заявки средств;

- средство, воплощающее заявленное изобретение при его осуществлении, способно обеспечить получение указанного технического результата.

Следовательно, заявленное изобретение соответствует условию патентоспособности "промышленная применимость".

Литература

1. Богословский С.В. Прецизионный первичный чувствительный элемент на основе резонатора с увеличенным периодом отражающих структур на ПАВ для акселерометров и измерения давления. / XIV Санкт-Петербургская международная конференция по интегрированным навигационным системам. ФГУП Электроприбор, С-Пб., 28-30 мая 2007. С.53-55.

2. Морган Д. Устройства обработки сигналов на поверхностных акустических волнах. / Пер. с англ., М.: Радио и связь, 1990.

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано в приборостроении и машиностроении для измерения ускорения. Акселерометр содержит инерционную массу и пьезоплату, прикрепленную к основанию. Область крепления пьезоплаты к основанию расположена на противоположной стороне от отражающих структур на пьезоплате между отражающих структур, образующих совместно со встречно-штыревым преобразователем единый измерительный резонатор на поверхностных акустических волнах. Пьезоплата может иметь переменную толщину в области расположения отражающих структур. Техническим результатом является повышение точности измерения ускорения. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Акселерометр на поверхностных акустических волнах, содержащий инерционную массу и пьезоплату, прикрепленную к основанию, отличающийся тем, что область крепления пьезоплаты к основанию расположена на противоположной стороне от отражающих структур на пьезоплате между отражающими структурами, образующими совместно со встречно-штыревым преобразователем единый измерительный резонатор на поверхностных акустических волнах.2. Акселерометр на поверхностных акустических волнах по п.1, отличающийся тем, что пьезоплата имеет переменную толщину в области расположения отражающих структур.