ТЕНЗОАКСЕЛЕРОМЕТР Российский патент 2010 года по МПК G01P15/12 

Заявляемое техническое решение относится к измерительной технике, именно - к акселерометрам.

Широко распространенные тензорезистивные акселерометры содержат корпус, упругий элемент с измерительной мостовой схемой из сформированных на нем тензорезисторов и груз [1-2].

Интегральный кремниевый тензоакселерометр [1] содержит закрепленную одним концом в корпусе консольную кремниевую балку с концентратором напряжений и с соединенными в мостовую схему диффузионными тензорезисторами, расположенными над концентратором с плоской стороны балки, и дополнительный груз, размещенный на кремниевой инерционной массе (свободном конце консоли), при этом общий центр тяжести кремниевой инерционной массы и дополнительного груза равноудален от плоскостей рабочей и противоположной ей нерабочей поверхностей концентратора.

Недостатками этого тензоакселерометра являются низкая собственная частота и его неспособность одновременно с измерением вертикальной составляющей ускорения измерять поперечные составляющие ускорения.

Наиболее близким к заявляемому техническому решению является тензоакселерометр [2], включающий в себя корпус; упругий чувствительный элемент (ЧЭ), работающий на изгиб, с жесткими центральной и периферийной областями и расположенной между ними областью меньшей жесткости (толщины), симметричный относительно своей центральной вертикальной оси и двух взаимно перпендикулярных горизонтальных осей в плоскости ЧЭ, проходящих через его центр; груз, симметричный относительно вертикальной оси симметрии ЧЭ, так что центр инерции груза расположен на вертикальной оси симметрии ЧЭ, при этом груз закреплен (или сформирован) на одной из жестких областей ЧЭ, а другая жесткая область ЧЭ закреплена в корпусе; измерительную мостовую схему, тензорезисторы которой расположены на плоской стороне ЧЭ в области его меньшей жесткости у границ с его жесткими областями на или вблизи горизонтальных осей симметрии и ориентированы вдоль или поперек горизонтальной оси, у которой они расположены.

Акселерометр функционирует следующим образом. При воздействии ускорения вдоль вертикальной оси симметрии ЧЭ (оси Z) на груз действует сила инерции, жесткая область ЧЭ, к которой прикреплен груз, смещается, и область меньшей жесткости упругого элемента деформируется. Деформации вблизи центральной и периферийной областей упругого элемента максимальны, противоположны по знаку и примерно равны по величине. Коэффициенты тензочувствительности продольных и поперечных тензорезисторов также противоположны по знаку и примерно равны по абсолютной величине. Изменения величин сопротивления тензорезисторов в противоположных плечах моста имеют один знак, а в смежных - противоположные знаки. В результате обеспечивается максимальная чувствительность акселерометра к измеряемому ускорению вдоль вертикальной оси. При воздействии поперечных ускорений сила инерции действует в плоскости ЧЭ (т.к. центр инерции груза лежит в плоскости ЧЭ), деформации ЧЭ и изменения величин тензорезисторов близки к нулю, чем обеспечивается близкая к нулю поперечная чувствительность акселерометра.

Недостатком акселерометра является его неспособность одновременно с измерением вертикальной составляющей ускорения измерять поперечные составляющие ускорения.

Ожидаемым техническим результатом заявляемого изобретения является обеспечение одновременного измерения поперечных составляющих ускорения.

Для этого в тензоакселерометре, включающем в себя корпус; упругий чувствительный элемент (ЧЭ), работающий на изгиб, с жесткими центральной и периферийной областями и расположенной между ними областью меньшей жесткости (толщины), симметричный относительно своей центральной вертикальной оси и двух взаимно перпендикулярных горизонтальных осей в плоскости ЧЭ, проходящих через его центр; груз, симметричный относительно вертикальной оси симметрии ЧЭ, так что центр инерции груза расположен на вертикальной оси симметрии ЧЭ, при этом груз закреплен (или сформирован) на одной из жестких областей ЧЭ, а другая жесткая область ЧЭ закреплена в корпусе; измерительную мостовую схему, тензорезисторы которой расположены на плоской стороне ЧЭ в области его меньшей жесткости у границ с его жесткими областями на или вблизи горизонтальных осей симметрии и ориентированы вдоль или поперек горизонтальной оси, у которой они расположены, причем груз выполнен несимметричным относительно плоскости ЧЭ так, что центр инерции груза, лежащий на центральной вертикальной оси симметрии ЧЭ, смещен относительно плоскости ЧЭ на расстояние H=(0,05…0,5)L, где L - поперечный размер всей области меньшей жесткости ЧЭ; в ЧЭ дополнительно сформирована хотя бы одна мостовая схема из дополнительных тензорезисторов, которые, как и тензорезисторы основной схемы, расположены на плоской стороне ЧЭ в области его меньшей жесткости у границ с его жесткими областями и ориентированы вдоль или поперек горизонтальной оси, у которой они расположены; дополнительные тензорезисторы дополнительной схемы расположены на или вблизи первой или второй горизонтальных осей симметрии ЧЭ, ориентированных в направлении первой или второй измеряемых поперечных составляющих ускорения; дополнительные тензорезисторы дополнительной схемы в противоположных плечах моста одинаково ориентированы и расположены с той же стороны от центра ЧЭ у той же жесткой области или по другую сторону от центра ЧЭ у другой жесткой области ЧЭ; или по-разному ориентированы и расположены с той же стороны от центра ЧЭ у другой жесткой области или по другую сторону от центра ЧЭ у той же жесткой области ЧЭ; каждому дополнительному тензорезистору каждой дополнительной схемы в одном из смежных плеч этой же схемы соответствует другой дополнительный тензорезистор равной исходной величины и так же ориентированный, расположенный по другую сторону от центра ЧЭ у той же жесткой области ЧЭ зеркально симметрично относительно горизонтальной оси симметрии ЧЭ, перпендикулярной оси, на или вблизи которой расположены дополнительные тензорезисторы; каждому тензорезистору основной схемы в том же или противоположном плече этой же схемы соответствует другой тензорезистор равной исходной величины и так же ориентированный, расположенный по другую сторону от центра ЧЭ у той же жесткой области ЧЭ симметрично относительно центра симметрии ЧЭ; расстояние между краями жестких центральной и периферийной областей, расположенными с одной стороны относительно центра ЧЭ, составляет (0,1…0,25)L.

Кроме того, в заявляемом тензоакселерометре в качестве груза может быть использована центральная жесткая часть ЧЭ, что позволяет выполнить тензоакселерометр полностью интегральным.

На фиг.1 показан заявляемый акселерометр в разрезе; на фиг.2 - интегральный вариант выполнения акселерометра, когда грузом является центральная жесткая область ЧЭ; на фиг.3 - вид сверху на ЧЭ; на фиг.4.1 и 4.2 - соответственно мостовые и полумостовые схемы подключения тензорезисторов для измерения компонентов ускорения; на фиг.5.1 и фиг.5.2 - акселерометр в разрезе соответственно при воздействии вертикального ускорения вдоль оси Z и горизонтального ускорения вдоль оси X.

Акселерометр (фиг.1 и фиг.2) включает в себя ЧЭ 1, симметричный относительно своей центральной вертикальной оси Z и двух взаимно перпендикулярных горизонтальных осей X и Y в плоскости ЧЭ, проходящих через центр ЧЭ, с жесткими центральной 2 и периферийной 3 областями и расположенной между ними областью 4 меньшей жесткости (толщины), в которой в отдельных местах могут быть выполнены сквозные отверстия 5. К центральной области 2 ЧЭ 1 прикреплен дополнительный груз 6 (на фиг.2 в интегральном исполнении акселерометра дополнительный груз отсутствует), так что центр тяжести 7 всего груза (включающего в себя центральную область 2 ЧЭ и дополнительный груз 6) расположен на центральной оси симметрии (оси Z) ЧЭ 1 и смещен относительно плоскости 8 ЧЭ на величину H=(0,05…0,5)L, где L - поперечный размер всей области 4 меньшей жесткости ЧЭ. Периферийная жесткая часть 3 ЧЭ 1 закреплена в корпусе 9 акселерометра. В интегральном варианте исполнения акселерометра (фиг.2) роль корпуса выполняют нижняя 10 и верхняя 11 крышки, в центральных частях которых сформированы микрозазоры 12 и 13, позволяющие перемещаться центральной части 2 ЧЭ (она же является в этом случае грузом) при воздействии ускорения. Как вариант исполнения акселерометра возможно крепление в корпусе центральной жесткой части 2 ЧЭ, а крепление груза 6 к периферийной жесткой части 3 ЧЭ.

На ЧЭ 1 (фиг.3) расположены тензорезисторы 14-17 основной (осуществляющей измерения составляющей ускорения вдоль перпендикулярной плоскости ЧЭ оси Z) и двух дополнительных схем, осуществляющих измерения поперечных составляющих ускорения вдоль осей X и Y в плоскости ЧЭ (соответственно 18-21 и 22-25).

Все тензорезисторы расположены на плоской стороне ЧЭ в области его меньшей жесткости у границ с его жесткими областями на или вблизи горизонтальных осей симметрии X и Y. Все тензорезисторы ориентированы вдоль или поперек горизонтальной оси в плоскости ЧЭ, у которой они расположены. Тензорезисторы основной схемы (измеряющей a_z) располагаются вдоль любой (или обеих) горизонтальных осей. Тензорезисторы второй и третьей схем располагаются вдоль оси, ускорение вдоль которой измеряет соответствующая схема, в которую они входят. Так, на фиг.3 тензорезисторы 22-25 схемы 3, осуществляющей измерения составляющей ускорения a_y, расположены вблизи оси Y и ориентированы поперек нее (поперечные), тензорезисторы 18-21 схемы 2, осуществляющей измерения составляющей ускорения а_х, расположены вблизи оси X у жесткой центральной области 2 и ориентированы вдоль и поперек нее (продольные и поперечные), тензорезисторы 14-17 схемы 1, осуществляющей измерения составляющей ускорения a_z, расположены у жесткой периферии 3 вблизи оси X и ориентированы вдоль и поперек нее (продольные и поперечные).

Считая деформации ЧЭ 1 акселерометра упругими, воздействие произвольного ускорения может быть представлено как сумма воздействий соответствующих компонентов ускорений вдоль осей Z, X, Y, каждое из которых можно рассматривать независимо. С учетом симметрии ЧЭ 1 относительно осей X, Y и его центра и расположения центра инерции груза на вертикальной оси симметрии при воздействии отдельных компонентов ускорения деформации отдельных участков ЧЭ также будут симметричными.

Тензоакселерометр работает следующим образом.

При воздействии ускорения a_z (фиг.5.1) участки области меньшей жесткости 4 ЧЭ 1, прилегающие к жесткому центру 2, испытывают максимальные деформации одного знака (на фиг.5.1 - сжатия), а прилегающие к жесткой периферии 3 - максимальные деформации противоположного знака (на фиг.5.1 - растяжения). Деформации тензорезисторов, расположенных симметрично относительно осей X и Y или центра ЧЭ, равны, что следует из симметрии ЧЭ и вертикальности, и центрированности нагружающей силы.

В схеме №1 величины сопротивлений тензорезисторов 14 и 16 (расположенных в противоположных плечах схемы) одинаково увеличиваются (коэффициент тензочувствительности продольных тензорезисторов >0, деформации растяжения), а тензорезисторов 15 и 17, расположенных в двух других противоположных плечах, - уменьшаются (коэффициент тензочувствительности поперечных тензорезисторов <0, деформации растяжения). В результате обеспечивается максимальная чувствительность схемы 1 к ускорению a_z.

В схеме №2 деформации тензорезисторов 18 и 21, расположенных симметрично относительно оси Y ЧЭ 1, равны, а поскольку они одинаково ориентированы (поперечные тензорезисторы), одинаковы и изменения их сопротивлений. По этой же причине одинаковы изменения сопротивлений продольных тензорезисторов 19 и 20. Поскольку эти пары тензорезисторов находятся в смежных плечах схемы №2, то их изменения взаимно компенсируются, и выходной сигнал схемы №2 при воздействии ускорения a_z не меняется.

В схеме №3 деформации тензорезисторов 22 и 25, расположенных симметрично относительно оси X ЧЭ 1, равны, а поскольку они одинаково ориентированы (поперечные тензорезисторы), одинаковы и изменения их сопротивлений. По этой же причине равны изменения сопротивлений поперечных тензорезисторов 23 и 24. Поскольку эти пары тензорезисторов находятся в смежных плечах схемы №3, то их изменения взаимно компенсируются, и выходной сигнал схемы №3 при воздействии ускорения a_z не меняется.

При воздействии ускорения a_x (см. фиг.5.2 и фиг.3) участки ЧЭ 1, где расположены тензорезисторы 20, 21 и 14, 15, испытывают максимальные деформации сжатия, а участки, где расположены тензорезисторы 18, 19 и 16, 17, - максимальные деформации растяжения. Деформации участков ЧЭ, где расположены тензорезисторы 22-25, малы и неодинаковы в разных точках тензорезисторов. При этом деформации тензорезисторов, расположенных симметрично друг другу относительно оси X, одинаковы по величине и по знаку, а расположенных симметрично относительно оси Y или центра ЧЭ, одинаковы по величине и противоположны по знаку, что следует из симметрии ЧЭ и симметричности нагрузки.

В схеме №1 деформации тензорезисторов 14 и 16, расположенных симметрично относительно центра ЧЭ 1, одинаковы по величине и противоположны по знаку, а поскольку тензорезисторы одинаково ориентированы (продольные тензорезисторы), изменения их сопротивлений противоположны. Также противоположны изменения сопротивлений тензорезисторов 15 и 17 (расположенных симметрично относительно центра ЧЭ и одинаково ориентированных поперек оси X). Поскольку эти пары тензорезисторов находятся в противоположных плечах схемы, изменения их сопротивлений компенсируются, и выходной сигнал схемы №1 при воздействии ускорения а_х не меняется.

В схеме №2 деформации тензорезисторов 18 и 20, расположенных симметрично относительно центра ЧЭ 1, одинаковы по величине и противоположны по знаку, а поскольку они по-разному ориентированы и их тензочувствительности имеют разный знак, изменения их сопротивлений близки (для случая, показанного на фиг.5.2, их величины уменьшатся). По этой же причине одинаковы изменения сопротивлений тензорезисторов 19 и 21 (для случая, показанного на фиг.5.2, их величины увеличатся). Таким образом, поскольку эти пары тензорезисторов находятся в противоположных плечах схемы №2, обеспечивается ее максимальная чувствительность к ускорениям а_х.

В схеме №3 деформации тензорезисторов 22 и 25, расположенных симметрично относительно оси X ЧЭ 1, одинаковы, а поскольку они одинаково ориентированы (поперечные тензорезисторы), одинаковы и изменения их сопротивлений. По этой же причине одинаковы изменения сопротивлений поперечных тензорезисторов 23 и 24. Поскольку эти пары тензорезисторов находятся в смежных плечах схемы №3, то их изменения взаимно компенсируются, и выходной сигнал схемы №3 при воздействии ускорения a_x не меняется.

При воздействии ускорения a_y (фиг.3) в положительном направлении оси Y участки ЧЭ 1, где расположены тензорезисторы 23 и 25, испытывают максимальные деформации сжатия, а участки, где расположены тензорезисторы 22 и 24, - максимальные деформации растяжения. Деформации участков ЧЭ 1, где расположены тензорезисторы 14-21, малы и неодинаковы в разных точках тензорезисторов. При этом деформации для тензорезисторов, расположенных симметрично друг другу относительно оси Y, равны, а расположенных симметрично относительно оси X или центра ЧЭ, одинаковы по величине и противоположны по знаку.

В схеме №1 деформации тензорезисторов 14 и 16, расположенных симметрично относительно центра ЧЭ 1, одинаковы по величине и противоположны по знаку, а поскольку тензорезисторы одинаково ориентированы (продольные тензорезисторы), изменения их сопротивлений противоположны. Также противоположны изменения сопротивлений тензорезисторов 15 и 17 (расположенных симметрично относительно центра ЧЭ и одинаково ориентированных поперек оси X). Поскольку эти пары тензорезисторов находятся в противоположных плечах схемы, изменения их сопротивлений компенсируются, и выходной сигнал схемы №1 при воздействии ускорения a_y не меняется.

В схеме №2 деформации тензорезисторов 18 и 21, расположенных симметрично относительно оси Y ЧЭ 1, равны, а поскольку они одинаково ориентированы и их тензочувствительности равны, изменения их сопротивлений одинаковы. По этой же причине одинаковы изменения сопротивлений тензорезисторов 19 и 20. Поскольку эти пары тензорезисторов находятся в смежных плечах схемы №2, ее сигнал при воздействии ускорения а_у не меняется.

В схеме №3 тензорезисторы 22 и 24 испытывают максимальные деформации растяжения и, т.к. они расположены поперек оси Y (коэффициент тензочувствительности <0), величины их сопротивлений уменьшатся. Тензорезисторы 23 и 25 испытывают максимальные деформации сжатия и, т.к. они расположены поперек оси Y (коэффициент тензочувствительности <0), величины их сопротивлений увеличатся. Тем самым, поскольку эти пары тензорезисторов находятся в противоположных плечах схемы №3, обеспечивается максимальная чувствительность схемы №3 к ускорению a_y.

Спроектированные и изготовленные на базе заявляемого решения трехкомпонентные акселерометры обладали следующими характеристиками:

- чувствительность по каналам X, Y, Z: от 8 до 12 мВ/g;

- диапазон измерений: ±20g;

- поперечная чувствительность: от 1,5 до 3% (т.е. не превышала величины, характерной для аналогичных однокомпонентных акселерометров);

- диаметр D=20 мм, высота h=15 мм; масса около 9 г.

Источники информации

1. Интегральный кремниевый тензоакселерометр. Патент РФ №2072728 от 24.02.1994 (G01P 15/12). Шелепин Н.А., Брехов Р.С.

2. Интегральный чувствительный элемент датчика механических величин. Ас СССР №690393 (G01P 15/02, G01L 7/08). Пивоненков Б.И.

Изобретение относится к измерительной технике, а именно к акселерометрам. Тензоакселерометр включает в себя корпус, упругий чувствительный элемент (ЧЭ), работающий на изгиб, груз и измерительную мостовую схему. При этом груз выполнен несимметричным относительно плоскости ЧЭ так, что центр инерции груза, лежащий на центральной вертикальной оси симметрии ЧЭ, смещен относительно плоскости ЧЭ на расстояние Н=(0,05…0,5)L, где L - поперечный размер всей области меньшей жесткости ЧЭ. В ЧЭ дополнительно сформированы мостовые схемы из дополнительных тензорезисторов, которые, как и тензорезисторы основной схемы, расположены на плоской стороне ЧЭ в области его меньшей жесткости у границ с его жесткими областями, ориентированы и подключены в схемы таким образом, что выходной сигнал каждой схемы зависит лишь от одной составляющей ускорения (которую измеряет данная схема) и не зависит от остальных составляющих; расстояние между краями жестких центральной и периферийной областей, расположенными с одной стороны относительно центра ЧЭ, составляет (0,1…0,25)L. Грузом может являться центральная жесткая часть ЧЭ. Изобретение обеспечивает одновременное измерение всех трех составляющих ускорения. 1 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Тензоакселерометр, содержащий корпус, упругий чувствительный элемент (ЧЭ), работающий на изгиб, с жесткими центральной и периферийной областями и расположенной между ними областью меньшей жесткости (толщины), симметричный относительно своей центральной вертикальной оси и двух взаимно перпендикулярных горизонтальных осей в плоскости ЧЭ, проходящих через его центр, груз, симметричный относительно вертикальной оси симметрии ЧЭ, так что центр инерции груза расположен на вертикальной оси симметрии ЧЭ, при этом груз закреплен (или сформирован) на одной из жестких областей ЧЭ, а другая жесткая область ЧЭ закреплена в корпусе, измерительную мостовую схему, тензорезисторы которой расположены на плоской стороне ЧЭ в области его меньшей жесткости у границ с его жесткими областями на или вблизи горизонтальных осей симметрии и ориентированы вдоль или поперек горизонтальной оси, у которой они расположены, отличающийся тем, что груз выполнен несимметричным относительно плоскости ЧЭ так, что центр инерции груза, лежащий на центральной вертикальной оси симметрии ЧЭ, смещен относительно плоскости ЧЭ на расстояние H=(0,05÷0,5)L, где L - поперечный размер всей области меньшей жесткости ЧЭ, в ЧЭ дополнительно сформирована хотя бы одна мостовая схема из дополнительных тензорезисторов, которые, как и тензорезисторы основной схемы, расположены на плоской стороне ЧЭ в области его меньшей жесткости у границ с его жесткими областями и ориентированы вдоль или поперек горизонтальной оси, у которой они расположены, дополнительные тензорезисторы дополнительной схемы расположены на или вблизи первой или второй горизонтальных осей симметрии ЧЭ, ориентированных в направлении первой или второй измеряемых поперечных составляющих ускорения, дополнительные тензорезисторы дополнительной схемы в противоположных плечах моста одинаково ориентированы и расположены с той же стороны от центра ЧЭ у той же жесткой области или по другую сторону от центра ЧЭ у другой жесткой области ЧЭ, или по разному ориентированы и расположены с той же стороны от центра ЧЭ у другой жесткой области или по другую сторону от центра ЧЭ у той же жесткой области ЧЭ, каждому дополнительному тензорезистору каждой дополнительной схемы в одном из смежных плеч этой же схемы соответствует другой дополнительный тензорезистор равной исходной величины и так же ориентированный, расположенный по другую сторону от центра ЧЭ у той же жесткой области ЧЭ зеркально симметрично относительно горизонтальной оси симметрии ЧЭ, перпендикулярной оси, на или вблизи которой расположены дополнительные тензорезисторы, каждому тензорезистору основной схемы в том же или противоположном плече этой же схемы соответствует другой тензорезистор равной исходной величины и так же ориентированный, расположенный по другую сторону от центра ЧЭ у той же жесткой области ЧЭ симметрично относительно центра симметрии ЧЭ, расстояние между краями жестких центральной и периферийной областей, расположенными с одной стороны относительно центра ЧЭ, составляет (0,1÷0,25)L.

2. Тензоакселерометр по п.1, отличающийся тем, что грузом является центральная жесткая область ЧЭ.