Тензометрический акселерометр Советский патент 1986 года по МПК G01P15/12 

1 .

Изобретение относится к измерительной технике, в частноеги к микроэлектронным измерительным преобразователям ускорений, и может быть использовано для измерения ускорений при движении различных объектов.

Цель изобретения - повышение чувствительности тензометрнческого акселерометра.

На фиг.1 представлена конструкция тензометрического акселерометра с полной мостовой схемой измерения; на фиг.2 - то же, с другим вариантом расположения концентраторов напряжений и с полумостовой схемой измерения; на фиг.З - упрощенная объемная гэпюра механических напряжений вблизи углов вырезов, объясняющая механизм воз никновения небольших местных напряжений у концентраторов напряжений; на фиг,4 и 5 - эпюры напряжений (объемная и плоская) у концентраторов напряжений, объясняющие механизм возникновения зон концентраторов напряжений;

Тензометр1тческий акселерометр (фиг.1 и 2) содержит полупроводниковую пластину 1 любого типа проводимости, например, монокристаллическую кремневую пластину h -типа.

Полупроводниковая пластина 1 разделена фигурными прорезями 2, являющимися концентраторами напряжений, на две части: подвижную часть 3 - инерционную массу и неподвижную часть 4. Таким образом, акселерометр представляет собой консольно закрепленную в корпусе (корпус условно показан штриховыми линиями) полупроводниковую пластину с компонентами измерительной схемы на ее поверхности.

На поверхности полупроводниковой пластины вблизи заделки между двумя фигурными прорезями методами микроэлектронной технологии, диффузией или ионным легированием выполнены элементы измерительной схемы - полупроводниковые тензорезисторы 5, Тёнзорезисторы имеют проводимость р-Типа, т,е. обратную с пластиной проводимость и соединены между собой токопроводящими дорожками 6. Токопроводящие дорожки выполнены методами ионного легирования или металлизации и выполняют роль соединительных проводников между компонентами электрической схемы иа пластине 1, Токопроводя034392

щие дорожки 6 соединены с контактными площадками 7, служапщми для соединения выводных проводников для подключения измерительной схемы

акселерометра к внешним электрическим цепям. Оси тензорезисторов направлены по кристаллографическим осям наибольшей чувствительности. Акселерометр работает следующим

10 образом.

Пластина 1, разделенная вырезами 2 на подвижную часть 3 (инерционную массу) и неподвижную часть 4, своей неподвижной частью 4 закрепля- )5 ется на объекте.

Под действием инерционных сил при наличии,например, виброускорений, подвижная часть 3 совершает колебательные движения. Прогиб пластины 1

20 происходит в основном в зоне вырезов 2, Под действием возникающих напряжений в этой зоне, тензорезисторы 5, включенные в мостовую схему, меняют свои параметры, т,е, полу25 чают приращения . В результате этого измерительная мостовая схема, сбалансированная в нормальном состоянии, приходит в состояние разбаланса. При этом тензорезисторы на

3Q поверхности балочки расположены

в поперечно-продольных направлениях, поэтому-два противоположных плеча моста получают приращение R + uR, а два других R -bR, т,е. разбаланс

моста при таком конструктивном

решении - наибольший;

С помощью контактных площадок 7 и токопроводящих дорожек 6 на мостовую-схему подается питающее напряжение, с двух других плеч моста с помощью другой пары токопроводящих дорожек 6 и контактных площадок снимается выходной сигнал, т,е, сигнал разбаланса моста. Полученное таким образом выходное напряжение пропорционально возникающим в зоне концентраторов 2 механическим напряжениям и в конечном итоге является выходным сигналом акселерометра, пропорциональным измеряемым ускорениям;

Вершины концентраторов напряжений, направленные в сторону тензорезисторов, имеют пилообразную форму, Вер- шины указанных пил, т,е. вершины углов, являются центрами концентрации напряжений. Радиус у вершин углов.. Это необходимое условие

3

для получения максимальных напряжений у вершины угла.

Чем больше величина механических напряжений в зоне расположения полупроводниковых тензорезисторов, тем больше изменение величины их относительного сопротивления, и соответственно выше чувствительность акселерометра.

Эпюры напряжений чувствительного элемента акселерометра (фиг.З) представлены без учета концентраторов механических напряжений (эпюры 8, О ) и с концентраторами напряжений (эпюры 9,б г).3десь приведен фрагмент сечения по Х акселерометра (фиг.2).

Напряжения 6 и 5 складываются и суммарное напряжение 10 -б (фиг.4) у вершин углов фигурных вырезов становится равным 6 ffii +5j,. Кривыми 11 иллюстрируются примерные формы распределения напряжений 9 в упругой консоли вблизи вершин прорезей . Здесь показано как суммируются нап- ряжения у вершин прорезей и каким образом образуют зону концентраций напряжений.

Механизм суммирования абсолютных значений напряжений представлен на фиг.З. Величиной Р обозначена ширина области, где можно расположить тензорезистор. Максимальное значение напряжения б в зоне концентраторов выбирается из условия неразрушения конструкции акселерометра.

03439

Таким образом, у каждой вершины A,B.C,5i (фиг.З) прорезей получаем напряжения с местными, отдельными всплесками максимальных значений б

5 Зона о, распространения этих напряжений определяется экспериментально.

Зона, ограниченная размером Л, мала, поэтому очень важно создание .. некоторой площади на упругом злемен10 те, полностью находящейся в зоне максимальных напряжений. Эта площадь ограничена размерами m и Ц .

Для получения максимальной чувствительности акселерометра, созда15 ние отдельных местных напряжений 9 является необходимым,но недостаточным условием,так как геометрически напряжение 9 охватьшает малую площадь, на которой формировать тензо20 резистор или тем более всю измерительную схему невозможно. Достаточным условием получения максимальных механических напряжений, охва- тьшающих большие пространства на

25 чувствительном элементе акселерометра , являются создание не отдельных концентраторов местных напряжений 9, а создание сплошной зоны напряжений 10, которая полностью перекры30 вает отдельный тензорезистор или всю измерительную схему. Удовлетворить это требование можно только при оптимальном выборе формы, размеров и взаимного расположения один относительно другого вырезов в . чувствительном элементе акселерометра.

35

Фиг. 2

h

Фиг.

Составитель А.Трунов Редактор Л.Зайцева Техред Т.Дбуинчак Корректор Л.Патай

Заказ 8411/48 Тираж 896Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР

по делам изобретений и открытий 113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д.4/5

Филиал ШШ Патент, г.Ужгород, ул. Проектная, 4

Фиг. 5