АКСЕЛЕРОМЕТР НА ПОВЕРХНОСТНЫХ АКУСТИЧЕСКИХ ВОЛНАХ С РЕЗОНАТОРОМ 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 приборах и 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.: СПб ГУАП, 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 процессе падения. Это ограничивает диапазон его применения.

Известен одновходовый резонатор [Зеленка И. Пьезоэлектрические резонаторы на объемных и поверхностных акустических волнах. М.: Мир, 1990. 584 с.], состоящий из встречно-штыревого преобразователя (ВШП) и расположенных по обе стороны от ВШП металлизированных штыревых отражающих структур. Период следования штырей в ВШП равен , λ - длина поверхностной акустической волны, скважность равна 2. Период следования штырей в отражающих структурах равен , λ - длина поверхностной акустической волны, скважность равна 2. Недостатком этих резонаторов, применительно к измерению деформаций, является малая девиация частоты и, как следствие, низкая чувствительность и точность.

Известен одновходовый резонатор [Зеленка И. Пьезоэлектрические резонаторы на объемных и поверхностных акустических волнах. М.: Мир, 1990. 584 с.], состоящий из ВШП и расположенных на пьезоплате по обе стороны от ВШП отражающих структур в виде периодической системы канавок. Период следования штырей в ВШП равен , λ - длина поверхностной акустической волны, скважность равна 2. Период следования канавок в отражающих структурах равен , скважность равна 2. По сравнению с одновходовыми резонаторами с металлизированными штыревыми отражающими структурами одновходовые резонаторы с отражающими структурами в виде периодической системы канавок имеют большую добротность. Недостатком этих резонаторов, применительно к измерению деформаций, также является малая девиация частоты и, как следствие, низкая чувствительность и точность.

Наиболее близким по технической сущности к резонатору, использованному в изобретении, является двухвходовый резонатор на поверхностных акустических волнах (ПАВ) [Зеленка И. Пьезоэлектрические резонаторы на объемных и поверхностных акустических волнах. М.: Мир, 1990. 584 с.], состоящий из двух ВШП, расположенных на пьезоплате напротив друг друга, и расположенных на пьезоплате по обе стороны от пары ВШП отражающих структур в виде периодической системы канавок. Период следования штырей в ВШП равен , λ - длина поверхностной акустической волны, скважность равна 2. Период следования канавок в отражающих структурах равен , скважность равна 2.

Достоинством двухвходовых резонаторов по сравнению с одновходовыми является простота реализации радиотехнических устройств на основе резонаторов [Зеленка И. Пьезоэлектрические резонаторы на объемных и поверхностных акустических волнах. М.: Мир, 1990. 584 с.]. Недостатком этих резонаторов, применительно к измерению деформаций, является низкая добротность, малая девиация частоты и, как следствие, низкая чувствительность и точность.

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 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.

Низкая точность известных акселерометров на ПАВ определяется применением традиционных радиотехнических решений при синтезе топологии резонатора. Такие традиционные подходы позволяют получить относительно небольшие габариты, но при этом не позволяют увеличить точность измерений. Известно [1], что повысить точность измерений можно, увеличивая период следования отражающих структур, однако увеличение периода приводит к существенному увеличению линейных размеров резонатора и, соответственно, акселерометра. В связи с этим традиционное одностороннее относительно области крепления расположение отражающих структур резонатора, используемого в акселерометре на поверхностных акустических волнах с резонатором, становится неэффективным.

Задачей настоящего изобретения является повышение точности и чувствительности измерения ускорения.

Причиной, препятствующей получению указанного ниже технического результата при использовании для измерения ускорений известного акселерометра - прототипа, является следующий его недостаток: абсолютное значение девиации частоты резонатора на ПАВ ограничено предельно допустимой деформацией кристаллического материала, на котором сформирован резонатор.

Техническим результатом является повышение точности и чувствительности измерения ускорения.

Технический результат достигается тем, что в акселерометре на поверхностных акустических волнах с резонатором, состоящем из пьезоплаты, на которой сформирован резонатор на ПАВ, и инерционных масс, закрепленных на наиболее удаленных сторонах пьезоплаты, отражающие структуры (канавки) резонатора выполнены с периодом, равным , ширина канавки равна , скважность больше 1, λ - длина поверхностной акустической волны, n - целое число, большее или равное 1, m - целое число, большее или равное 1, область крепления пьезоплаты к основанию расположена на противоположной (по отношению к поверхности распространения акустических волн) поверхности пьезоплаты и (на виде сверху на плоскость распространения поверхностных акустических волн) под встречно-штыревым преобразователем (ВШП) и между отражающими структурами, образующими совместно со ВШП единый измерительный резонатор на ПАВ.

Увеличение периода следования отражающих канавок более чем в n раз приводит в процессе измерения деформации к увеличению допустимой абсолютной деформации канавок также в n раз и, соответственно, к увеличению девиации частоты также в n раз, без превышения предельно допустимой относительной деформации кристаллического материала, на котором выполнен резонатор.

Неэквидистантность ВШП резонатора обеспечивает постоянство вносимого затухания во всем диапазоне измеряемых частот, соответствующих измеряемым деформациям. Увеличение девиации частоты в процессе измерения позволяет существенно повысить точность измерения деформации и снизить погрешности измерений.

Для обеспечения требуемых характеристик резонатора пьезоплата может иметь переменную толщину, а инерционные массы могут быть жестко связаны между собой, образуя единую инерционную массу, закрепленную на наиболее удаленных сторонах пьезоплаты.

Область крепления пьезоплаты к основанию может быть расположена (на виде сверху на плоскость распространения ПАВ) за границами отражающих структур, при этом инерционная масса может быть закреплена под ВШП резонатора на ПАВ.

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

Проведенный заявителем анализ уровня техники установил, что аналоги, характеризующиеся совокупностями признаков, тождественных 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 на ПАВ с резонатором.

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 с резонатором состоит из инерционной массы 1, выполненной, например, из кварца или из металла и 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 могут быть выполнены методами фотолитографии. Отражающие структуры могут быть выполнены в виде штырей [2].

Устройство работает следующим образом.

При отсутствии ускорения пьезоплата 3 не деформируется. Инерционные массы 1 не оказывают 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 место крепления пьезоплаты к основанию выбирается так, что максимальная абсолютная деформация пьезоплаты 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 пьезоплаты в области расположения отражающих структур 2 изменяется резонансная частота резонатора и становится равной, например, f₂.

Параметры резонатора 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 выполнены следующие условия:

- средство, воплощающее 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 описанных 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".

Источники информации

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 пьезоплату, на которой сформирован резонатор на поверхностных акустических волнах, и инерционные массы, закрепленные на наиболее удаленных сторонах пьезоплаты. Отражающие структуры резонатора расположены с периодом, равным , ширина канавки равна , скважность больше 1, λ - длина поверхностной акустической волны, n - целое число, большее или равное 1, m - целое число, большее или равное 1. Область крепления пьезоплаты к основанию расположена на противоположной (по отношению к поверхности распространения акустических волн) поверхности пьезоплаты и под встречно-штыревым преобразователем и между отражающими структурами, образующими единый измерительный резонатор на поверхностных акустических волнах. Пьезоплата может иметь переменную толщину, а инерционные массы могут быть жестко связаны между собой, образуя единую инерционную массу, закрепленную на наиболее удаленных сторонах пьезоплаты. Техническим результатом является повышение точности и чувствительности измерения ускорения. 3 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Акселерометр на поверхностных акустических волнах с резонатором, содержащий пьезоплату, на которой сформирован резонатор на поверхностных акустических волнах, и инерционные массы, закрепленные на наиболее удаленных сторонах пьезоплаты, отличающийся тем, что отражающие структуры резонатора расположены с периодом, равным , ширина канавки равна , скважность больше 1,

λ - длина поверхностной акустической волны, n - целое число, большее или равное 1,

m - целое число, большее или равное 1, а область крепления пьезоплаты к основанию расположена на противоположной по отношению к поверхности распространения акустических волн поверхности пьезоплаты под встречно-штыревым преобразователем и между отражающими структурами, образующими совместно со встречно-штыревым преобразователем единый измерительный резонатор на поверхностных акустических волнах.