Полупроводниковый интегральный тензоаксельрометр Советский патент 1993 года по МПК G01P15/12 

Изобретение относится к измеритель1 ной технике и может быть использовано в датчиках механических величин, например, вибрации, линейных ускорений и т. д.

Известен тензоакселерометр, содержащий корпус с расположенной в нем консоль- но-защемленной балкой с выполненной на ней тензочувствительной схемой.

Указанный тензпакселерометр обладает малой чувствительностью ввиду большой жесткости балки, кроме того, функционирование акселерометра обеспечивается при использовании пассивных навесных рези- . сторов, что приводит к существенному его усложнению (увеличению габаритов, веса и т.д.), а следовательно, к резкому уменьшению точности измерения.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является интеграль- ный тензоакселорометр, содержащий1 рамку, расположенную в корпусе, выполненном в виде двух крышек, внутри рамки

расположен консольно-защемленный, выполненный заодно с рамкой упругий элемент с расположенной над профилированной областью тензочувствительной схемой.

Преимуществом данного тензоакселё- рометра является то, что он представляет собой микроконструкцию из кремния в интегральном исполнении, у которого профилированная область выполняет роль концентратора напряжения, благодаря чему чувствительность его больше по сравнению с аналогом. Роль груза в данном случае играет сама консоль, впполненная из кремния заодно с упругим элементом. Однако указанный акселерометр обладает низкой вйб- ропрочностью и точностью.

Это обусловлено главным образом тем, при воздействии вибро- и ударных ускорений, превышающих определенный уровень, процесс ограничения носит ударный характер, при этом на профилированные переVJ

О

XI 00 Ю

мычки действуют две силы: сила инерции, .Рим, приложенная к точке вблизи центра инерции груза, и противодействующая ей сила ограничения Рогран, приложенная к концу консоли со стороны крышек, Ввиду несовпадения точек приложения этих сил возникает крутящий момент М, что приводит к разрушению балки в области профилированных перемычек, В этом случае эффективность ограничения низка, а, следо- вательно, неёйсока ейбро- и ударопрочность т%нзоЖсеТт 1&оШтра. :

Кро мё того, данная конструкция не обеспечивает эффективного демпфирования, поэтому добротность системы велика, Это приводит к тому, что тензоакселерометр обладает большими неравномерностью амплитудно-частотной характеристики (АЧХ) и амплитудой паразитного сигнала, что обус- ла&лШ а ё т увеличение погрешности йзмере- ния, г; е. уменьшение точности.

Целью изобретения является повышение вибропрочности и точност измерёнй я.

Цель доетиГа ётЪяГ тем1, что в йз вестном интегральном тёШбакСё/Гёрометре ; содер- жащем рамку, расположённую в корпусе, выполненном в виде двух крышек, бнутри которой расположён конебльнб-защёмленный, выполненный заодно с рамкой упругий элемент с инерционной массой и располр- женной над профилированной областью

тензочувствительной .схемой, в крышках симметрично относительно Друг друга выполнены ступени, ориентированные /перпендикулярно оси упругого элемента и расположенные соответственно над и под инерционной массой на расстоянии Li от профилированной области с тензосхемой и глубине п, причем L 2/3L;n 3/2Hi , где I

- расстояние от профилированной области с тензосхемой до конца упругого элемента; Hi - ёелйчина зазора между упругим элементом и крышками вблизи профилированной области; или на инерционной массе со стороны нижней крышки выполнена сту- пень. Технических решений1, имеющих признаки, сходньге с отличительными, нами не обнаружено.

На фиг. 1 представлена конструкция по- лупрбводнйкЬвого интегрального тензоак- селерометра; на фиг. 2 - часть конструкции интегрального тензоакселерометра в увеличенном масштабе для наглядности; на фиг. 3 - конструкция интегрального тензоакселерометра, в котором в крышках выполнены ступени, .

Полупроводниковый интегральный тензоакселерометр содержит рамку 1, расположенную в корпусе 2, выполненном в виде двух крышек 3 и 4. Внутри рамки 1 расположен консольно-защемленный, выполненный заодно с рамкой упругий элемент 5, на конце которого расположена инерционная масса 6. На упругом элементе 5, над профилированной областью 7 расположена тензо- чувствительная схема 8 с контактными площадками 9. В интегральном тензоаксе- лерометре в крышках 3 и 4 симметрично относительно друг друга выполнены ступени 10, 11, которые ориентированы перпен- дйкулярнЪ оси упругого элемента 5 и расположены над и под инерционной массой 6 на расстоянии Li от профилированной области 7 с тензосхемой 8 и глубине h, причем Li 2/3L; h 3/2hi, где L - расстояние от профилированной области с тензосхемой 8до конца упругого элемента 5; hi - величина зазора между упругим элементом 5 и крышками 3 и 4 вблизи профилированной области 7 (см. фиг. 3).

Устройство по фиг. 1, 2 работает следующим образом. При воздействии измеряв-. мого ускорения на упругий элемент 5 действует сила инерции F .m п, где т - масса; п - измеряемое ускорение, в результате чего он деформируется. Максимальная величина деформации достигается в области минимальной жесткости упругого элемента 5, т; е. в зоне над профилированной .областью 7. Тензочувствительная схема 8 преобразует деформацию, в электрический сигнал, при максимальном измеряемом ус- корёний наступает ограничение перемещения груза, т. е. консоль своим концом касается дна нижней или верхней крышек.

В результате на профилированные перемычки 7 действует крутящий момент М пары сил: сила инерции Рин и силы ограничения Рогран(см. фиг. 2), который приводит к разрушению балки в области 7. Вибропрочность в этом случае очень низка, а также велика погрешность измерения ускорения из-за Значительной неравномерности АЧХ, т. е. тем самым акселерометр-прототип обладает невысокой точностью..

В предлагаемом интегральном тензоак- селерометре, выполненном, как показано на фиг. 3, указанные недостатки отсутствуют, это достигается тем, что в крышках 3 и 4 симметрично относительно друг друга выполнены ступени 10,11, которые ориентированы перпендикулярно оси упругого элемента 5 и расположены над и под инерционной массой б (грузом) на расстоянии Li от профилированной области 7 с тензосхемой 8 и глубине h, причем Li 2/3L; h. 3/2hi, где L - расстояние от профилированной области до конца.упругого элемента 5; fn - величина зазора между упругим.элементом 5 и крышками 3 и 4 вблизи профилирЬва нной области 7 (см. фиг. 2). При указанной длине Li и глубине, h расположения ступеней 10, 11 под действием ускорений, превышающих определенный уровень, ограничение перемещения груза происходит при касании последним ступеней.

Для удобства сравнительного анализа заявляемого решения и прототипа предположим, что они обладают равным диапазоном измерения сигнала, т. е. что ограничение в обеих конструкциях достигается при равном сигнале (а значит, при одной и той же деформации тёнзосхемы, т. е. при одном и том же угле поворота груза относительно профилированной области). Как видно из чертежей, при этом исходный зазор между грузом и крышками в прототипе будет равен h - зазору в заявляемой конструкции в области ступеней. Величина же hi в заявляемой конструкции будет мень- ше: hi 2/3h. Очевидно, что в результате демпфирование (трение о воз дух) в заявля- емой конструкции будет более эффективным, в свою очередь это означает меньшую величину добротности, а значит, меньшую неравномерность АЧХ в рабочей полосе частот и меньшие амплитуды высокочастотных сигналов по сравнению с прототипом. Таким образом, заявляемая конструкция при том же динамическом диапазоне обладает меньшей величиной динамической погрешности, т, е. обеспечивает более высокую точность измерений.

Рассмотрим теперь более детально процесс ограничения перемещения груза в за- являемом решении, например, под воздействием удара с амплитудой, превышающей номинальную, и его отличия по сравнению с прототипом.

Во-первых, процесс ограничения будет носить более плавный характер, а именно груз в момент ограничения будет обладать меньшей скоростью (по сравнению с прототипом), это вызвано тем, что, как показано выше, заявляемое решение обладает более эффективным демпфированием, т. е. в нем реализуется большее воздушное трение.

Во-вторых (и это, пожалуй, более важно сточки зрения повышения вибро- и удароп- рочности), точка приложения силы (реакции) со стороны крышки меняется (по сравнению с прототипом), в заявляемой конструкции сила прикладывается не к концу груза, а к точке, расположенной над краем ступени, т. е. удаленной от профилированной области HaLi-2/3L-.

Как следует из уравнения движения груза, 8 этом случае дополнительные воздействия ударного характера (перерезывающая сила в частности) на профилированную область пренебрежимо малы. Поскольку именно эти воздействия обуславливали разрушение упругого элемента в прототипе, то заявляемое решение обеспечивает значительное повышение вибро- и ударопрочно- сти.

Заявляемое расположение ступеней и их глубина являются оптимальными и обеспечивают максимальный полезный эффект. Изменение их расположения или глубины снижает полезный эффект, естественно, необходимо сравнивать конструкции с одинаковым уровнем ограничения, тем же, что в прототипе (т. е. с тем же углом наклона консоли при ограничении). При пропорциональном увеличении Li и hi уровень ограничения не изменится; но при ограничении возникнут те же отрицательные эффекты, что и в прототипе, хотя и е меньшей степени.

При уменьшении Li и hi (no отношению к оптимальному) также возникнут те же отрицательные эффекты (лишь перерезывающая сила, действующая на профилированную перемычку при ограничении, и заменит знак).

Наконец, при увеличении глубины ступеней, т. е. если h (L/Li) -hi, уровень ограничения не изменится, т. к. ограничение будет происходить.в конце консоли, но при этом будут иметь место те же отрицательные эффекты, что и в прототипе а эффективность демпфирования по сравнению с оптимальным выполнением будет ниже.

Таким образом, заявляемое решение по сравнению с прототипом обеспечивает более высокую точность измерений и существенно повышает вибро- и ударопрочность акселерометра.

Испытания лабораторных образцов интегральных тензоакселерометров показали, что повышение вибропрочности составило 3...10 раз (3 образца), ударопрочное™ - 5 ...17 раз (5 образцов). Кроме того, в силу более эффективного демпфирования испытанные, тензоакселерометры обладали добротностью б 1,5... 3 и неравномерностью АЧХ 3% (у известного тензоакселерометра с тем же уровн ем ограничения добротность системы составляла 0 3... 10 и более; неравномерность АЧХ - 10%). Таким образом, заявляемо решение обеспечивает и повышение точности.- -,-:--.

Использование предлагаемого интегрального тензоакселерометра по сравнению с известным тензоакселерометром позволит обеспечить следующее:

- повысить вибро- и ударопрочность в 5 ... 10 раз;

- повысить точность измерений.

Формула изобретения Полупроводниковый интегральный тен- зоакселерометр,содержащий рамку, расположенную в корпусе, выполненном в виде двух крышек, внутри рамки расположены 5 выполненные за одно целое с ней консоль- но-защемленный упругий элемент с профилированной областью и инерционной массой, а также тензочувствительную схести, в крышках вблизи профилированной области симметрично относительно друг друга выполнены ступени, ориентированные перпендикулярно к оси упругого эле- мента, длиной I от профилированной области с тензосхемой и глубиной h, причем 21 ..;.-....... . : I TJ L; h -п Н, где L - расстояние от

профилированной области с тензосхемой

му, расположенную над профилированной10 до конца упругого элемента: Н - расстояние

областью, от л И ч а ю щ и и с и тем, что, смежду упругим элементом и крышками пецёлью повышения вибропрочнрстй и точно-ред ступенями. .

/-. :. -, в . . -: 1 г з ;

////

сти, в крышках вблизи профилированной области симметрично относительно друг друга выполнены ступени, ориентированные перпендикулярно к оси упругого эле- мента, длиной I от профилированной области с тензосхемой и глубиной h, причем 21 ..;.-....... . : I TJ L; h -п Н, где L - расстояние от

профилированной области с тензосхемой

Использование: приборостроение, повышение вибропрочности и точности измерения механических величин, например линейных ускорений,и т. д. Сущность изобретения: полупроводниковый интегральный тензоакселерЬмётр содержит рамку 1, расположенную в корпусе 2. Корпус 2 выполнен в виде двух крышек 3. 4. Внутри рамки 1 расположен выполненный за одно целое с ней консольно-защемленный упругий элемент 5 с профилированной областью 7 и инерционной массой 6. На упругом элементе ё расположена тензочувствйтёльная схема 8, расположенная над профилированной областью 7. В крышках 3, 4 симметрично относительно друг друга выполнены ступени 10, 11 с определенными геометрическими размерами элементов конструкции. 3 ил.

FUH Фиг. г ю