Чувствительный элемент акселерометра

Чувствительный элемент акселерометра

Иллюстрации

Показать все

Реферат

 

Использование: измерительная техника, измерение параметров движения. Сущность изобретения: в корпусе 2 установлена мембрана 1 с жестким центром, выполненная из монокристаялического кремния. На поверхности упругой части мембраны 1 сформирована тензорезистивная область 7 в виде замкнутой полосы, конфигурация внешнего контура которой совпадает с конфигурацией внешнего контура мембраны 1. На диэлектрическом держателе 4 с зазором 5 относительно жесткого центра мембраны 1 закреплена индукционная катушка возбуждения 3. являющаяся активным элементом частотного преобразователя. Приведены параметры, по которым выбирается ширина полосы-тензорезисторов и величина зазора 5.1 ил. СП С

сОюз сОВетских

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (5!)5 6 01 Р 15/08

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕ

ВЕДОМСТВО СССР (ГОСПАТЕНТ CCCP) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4704781/10 (22) 19.06.89 (46) 07.06.93. Бюл. ЬЬ 21 (71) Всесоюьйый научно-исследовательский институт "Электростандарт" (72) Н.К;Ерофеев, Г.И.Зарожный, Г,К.Никонов, В.А.Черемисов и P,.H.Êoënàêîà (56) Левшина Е.С. и Новицкий П.В. Электрические измерения физических величин. Л.:

Энергоатомиздат, 1983, с. 190.

Агейкин Д.Н. и др. Датчики контроля и регулирования. M.: Маш., 1965, с. 586.

Авторское свидетельство N 1308009, кл. G 01Р 15/08, 19.87. (54) ЧУВСТВИТЕЛЬНЫЙ ЭЛЕМЕНТ АКСЕЛЕРОМЕТРА

„„5U„„1820336 А1 (57) Использование: измерительная техника, измерение параметров движения, Сущность изобретения: в корпусе 2 установлена мембрана 1 с жестким центром, выполненная иэ монокристаллического кремния. На поверхности упругой части мембраны 1 сформирована тензореэистивная область 7 в виде замкнутой полосы, конфигурация внешнего контура которой совпадает с конфигурацией внешнего контурамембраны1. Надиэлектри- . ческом держателе 4 с зазором 5 относительно жесткого центра мембраны 1 закреплена индукционная катушка возбуждения 3, являющаяся активным элементом частотного преобразователя. Приведены параметры, по которым выбирается ширина полосы тенэорезисторов и величина зазора 5, 1 ил.

1820336

Изобретение относится к измерительной технике. в частности к измерению параметров движения, и может быть использовано в акселерометрах с индукционными катушками возбуждения, Цель изобретения — повышение чувствительности устройства.

Для достижения поставленной цели в чувствительном элементе акселерометра, содержащем установленный в корпусе упругий элемент с жестким центром и активные элементы частотного преобразователя, одним из которых является накладная индукционная катушка возбуждения, закрепленная на диэлектрическом держателе и размещенная с зазором относительно жесткого центра, упругий элемент выполнен в виде мембраны с жестким центром из монокристаллического кремния с ориентацией ее поверхности по кристаллографической плоскости (1 00) параллельно плоскости размещения катушки, на поверхности упругой части мембраны сформирована тенэорезистивная область в виде замкнутой полосы, конфигурация внешнего контура которой совпадает с конфигурацией внешнего контура мембраны, причем ширина полосы h в любом центральном сечении удовлетворяет соотношению и а 0,25 А, а величина зазора д выбирается из условия д< 0,1 О, где А— размер мембраны в центральном сечении;

D — максимальный размер индукционной катушки возбуждения.

На чертеже представлен предлагаемый чувствительный элемент акселерометра в сечении, Чувствительный элемент акселерометра содержит упругий элемент с. жестким центром, выполненный в виде мембраны 1, установленной.в корпусе 2. Мембрана 1 выполнена иэ монокристаллического кремния, Поверхность мембраны ориентирована по кристаллографической плоскости (100).

Мембрана 1 и корпус 2 могут быть выполнены в виде единой конструкции из одного материала. Накладная индукционная катушка 3 возбуждения (на чертеже спиральная), являющаяся активным элементом частотного преобразователя, закреплена в диэлектрическом держателе 4 и размещена с зазором 5 относительно мембраны 1. Величина зазора менее 0,1 максимального размера индукционной катушки возбуждения. Плоскость размещения катушки 3 параллельна поверхности мембраны 1.

Остальная часть поверхности диэлектрического держателя 4 по границе 6 имеет жесткую механическую связь с корпусом 2.

50 индуктивности и, следовательно, коэффициент рассеяния такой катушки близок к нулю.

55 циональный выделенной в тензорезистив5

45 обеспечиваемую, например, методом термокомпрессии. По периферии мембраны 1 на ее поверхности сформирована тензорезистивная область 7, представляющая собой замкнутую полосу, конфигурация внешнего контура которой повторяет конфигурацию внешнего контура мембраны 1. Например, в случае круглой мембраны тензорезистивная область 7 представляет собой кольцо. Ширина полосы тензорезистивной области 7 в любом центральном сечении не превосходит 0,25 размера мембраны в этом же сечении. Накладная индукционная катушка 3 возбуждения установлена так, что магнитный поток, создаваемый ею. пронизывает тензорезистивную область 7. Средняя линия индукционной катушки 3 возбуждения соответствует средней линии тензорезистивной области 7. Индукционная катушка 3 возбуждения может быть изготовлена методами планарной технологии, например диффузии или имплантации с использованием фотолитографии. Тензорезистивная область 7 может быть выполнена, например, методом газовой диффузии, Индукционная катушка 3 возбуждения имеет выводы (не показаны), соединяемые с согласующим устройством акселерометра. Согласующее ус тройство вырабатывает сигнал. амплитуда которого пропорциональна полному сопротивлению индукционной катушки 3 возбуждения. Чувствительный элемент устанавливают непосредственно или через переходныедетали. на установочную плоскость обьекта 8 измерения, причем компонента ускорения J, нормальная к установочной плоскости объекта 8 измерения, является измеряемой физической величиной.

Устройство работает следующим образом.

При подаче на индукционную катушку 3 возбуждения переменного напряжения вследствие явления электромагнитной индукции в тензорезистивной области 7 создаются вихревые токи. При величине зазора 5, приблизительно на два порядка меньшем диаметра (в случае круглой мембраны) индукционной катушки 3 возбуждения, имеет место практически полная компенсация ее

Вносимое активное сопротивление представляет собой коэффициент, пропорной области 7 активной мощности (энергии, расходуемой на тепло). Оно связано с активным сопротивлением RD контура вихревых токов

1820336

R =Ê о

30 где К вЂ” коэффициент пропорциональности, зависящий от размеров индукционной катушки 3 возбуждения. ширины тензорезистивной области 7 и глубины проникновения вихревых токов;

o — удельная электрическая проводимость материала области 7 мембраны 1.

При воздействии измеряемого ускорения J все элементы корпуса 2, жестко соединенные с плоскостью измеряемого объекта

8, будут перемещаться с тем же ускорением

J, а элементы мембраны 1, имеющие меньшую жесткость связи с плоскостью измеряемого обьекта 8. будут отставать в своем движении, что приводит к относительному смещению элементов мембраны 1 относительно катушки 3 возбуждения и к некоторому увеличению зазора 5.

Так, пои воздействии ускорения порядка 10 м/с увеличение зазора 5 составляет приблизительно 0,1 мкм, что при начальном зазоре 5. равном 10 мкм, составляет 1% от начального уровня, и,следовательно, изменение выходного сигнала под действием номинального ускорения составит лишь незначительную долю от начального уровня, соизмеряемую с наводками и влиянием неизмеряемых величин.

В этой оценке были приняты следующие параметры мембраны: габариты Зх3 3 мм; собственная частота 500 кГц.

Это перемещение недостаточно для надежной фиксации его в качестве сигнала, несущего измерительную информацию.

Однако под действием инерционных 4 усилий в мембране 1 возникают механические напряжения, а именно: в тензореэистианой области 7 по периферии мембраны

1 при показанном направлении ускорения J возникают радиальные тангенциальные и 4 сдвиговые напряжения.

Зона растягивающих напряжений в круглой мембране охватывает периферийную часть поверхности мембраны в виде полосы. ширина которой составляет 1/4 ди- Щ аметра мембраны. Заметим также, что если виток катушки прилегает к поверхности мембраны в соответствии с условием фор- мулы изобретения, то контур с максимальной наводимой s мембране ЭДС (и, 55 следовательно, с максимальной плотностью вихревых токов) лежит непосредственно под проводом витка.

Исследование зависимости относительного изменения сопротивления радиальных и тангенциальных тензорезисторов р-типа и п-тип.э п оводимости. ко1ор .1е располо коны по периферии круглой мембо; нь. ориентированной в плоскостях (10Р). (110) и (111), показывает, что приращение сопротивления не меняет знака при изменении угла между направлением базы тензорезистора и направлением кристаллографической оси

f100) только в случае мембраны. ориентированной в плоскости (F00). Это означает, что для такой ориентации на всех участках тензорезистивной области 7 при воздействии ускорения имеет место изменение сопротивления одного знака и эффек r от имеющего место изменения сопротивления будет максимален, При других плоскостях ориентации возможна частичная или полная компенсация результирующего контурного сопротивления индукционных токов.

Коэффициент тензочувствительности полупроводников приблиз тельно равен

100, вследствие чего интегральное изменение проводимости кольцевой тензорезистивной области, по которой протекают замкнутые вихревые токи, составляет 20307О начального сопротивления тензорезистора, что обуславливает резкое увеличение чувствительности к ускорениям при сохранении высокой собственной частоты (т.е. жесткости) мембраны.

Таким образом, в данном устройстве удается повысить чувствительность высокочастотных индукционных ахселерометров по крайней мере на порядок.

Формула изобретения

Чувствительный элемент акселерометра. содержащий установленный в корпусе упругий элемент с жестким центром и активные элементы частотного преобразователя, одним из которых является накладная индукционная катушка возбуждения, закрепленная на диэлектрическом держателе и размещенная с зазором относительно жесmoro центра, отличающийся тем, что с целью повышения чувствительности, упругий элемент выполнен в виде мембраны с жестким центром из монокристаллического кремния с ориентацией ее поверхности по кристаллографической плоскости (100) параллельно плоскости размещения катушки, на поверхности упругой части мембраны сформирована тензорезистивная область в виде замкнутой полосы, конфигурация внешнего контура которой совпадает с конфигурацией внешнего контура мембраны, причем ширина полосы h в любом центральном сечении удовлетворяет ссотношению h

0,25А, а величина зазора д выбирается из

1820336

Составитель Л.Оситинская

Техред М.Моргентал .. Корректор О.Кравцова

Редактор

Заказ 2028 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035. Москва, Ж-Зб,-Раушская наб., 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент". г. Ужгород, ул.Гагарина, 101 условия д < 0,1D, где А — размер мембра- ный размер индукционной катушки возбужны в центральном сечении; 0- максималь- дения.