RU2746112C1 - Solid state linear acceleration sensor - Google Patents
Solid state linear acceleration sensor Download PDFInfo
- Publication number
- RU2746112C1 RU2746112C1 RU2020130325A RU2020130325A RU2746112C1 RU 2746112 C1 RU2746112 C1 RU 2746112C1 RU 2020130325 A RU2020130325 A RU 2020130325A RU 2020130325 A RU2020130325 A RU 2020130325A RU 2746112 C1 RU2746112 C1 RU 2746112C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- frame
- linear acceleration
- inner part
- additional contour
- acceleration sensor
- Prior art date
Links
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01P—MEASURING LINEAR OR ANGULAR SPEED, ACCELERATION, DECELERATION, OR SHOCK; INDICATING PRESENCE, ABSENCE, OR DIRECTION, OF MOVEMENT
- G01P15/00—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration
- G01P15/02—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration by making use of inertia forces using solid seismic masses
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Pressure Sensors (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к измерительной технике и может применяться в микромеханических датчиках линейных ускорений.The invention relates to measuring technology and can be used in micromechanical linear acceleration sensors.
Известен чувствительный элемент интегрального акселерометра, выполненный из монокристаллического кремния, содержащий маятник, внешнюю рамку, соединенную с маятником через упругие элементы, стеклянные обкладки, расположенные с обеих сторон внешней рамки, образуя, преобразователь перемещений маятника [1].Known is a sensitive element of an integral accelerometer, made of monocrystalline silicon, containing a pendulum, an outer frame connected to the pendulum through elastic elements, glass plates located on both sides of the outer frame, forming a pendulum displacement transducer [1].
Главная функция упругих элементов - обеспечение подвеса инерционной массы, при этом параметры упругих элементов в процессе эксплуатации должны быть стабильными. Главным недостатком данной конструкции является высокая чувствительность к термомеханическим напряжениям. Это существенным образом влияет на стабильность нулевого сигнала и точность измерения самого параметра, то есть линейного ускорения. В результате этого увеличивается смещение нуля и, как следствие, понижается точность прибора в целом.The main function of the elastic elements is to provide the suspension of the inertial mass, while the parameters of the elastic elements must be stable during operation. The main disadvantage of this design is its high sensitivity to thermomechanical stresses. This significantly affects the stability of the zero signal and the measurement accuracy of the parameter itself, that is, the linear acceleration. As a result, the zero offset increases and, as a result, the accuracy of the instrument as a whole decreases.
Известен чувствительный элемент интегрального акселерометра, выполненный из монокристаллического кремния в виде инерционной массы (маятника), имеющей два плеча и подвешенной на упругих крестообразных торсионах с поперечным сечением в виде Х-образного профиля, работающих на кручение, внешнюю рамку, к которой соединены упругие торсионы, стеклянные обкладки, к которым крепится внешняя рамка. При этом на внешней рамке сформированы площадки для крепления стеклянных обкладок, расположенные по оси торсионов, в местах сопряжения последних с внешней рамкой [2].Known is a sensitive element of an integral accelerometer made of monocrystalline silicon in the form of an inertial mass (pendulum) having two arms and suspended on elastic cruciform torsion bars with a cross-section in the form of an X-shaped profile operating in torsion, an external frame to which elastic torsion bars are connected, glass covers to which the outer frame is attached. At the same time, platforms for attaching glass plates are formed on the outer frame, located along the axis of the torsion bars, at the points of their conjugation with the outer frame [2].
Одним из недостатков чувствительного элемента акселерометра является высокая чувствительность к пониженным и повышенным температурным воздействиям. При повышении, понижении рабочих температур, упругие крестообразные торсионы чувствительного элемента укорачиваются или удлинятся. Так как упругие торсионы жестко соединены, с одной стороны, с инерционной массой, с другой стороны, с внешней рамкой, при этом последняя жестко соединена со стеклянными обкладками, то возникающая при этом деформация приложена к инерционной массе (маятнику), которая в итоге деформирует последнюю. В результате на выходе преобразователя перемещений появляется сигнал, при отсутствии приложенного ускорения к инерционной массе или дополнительный сигнал при воздействии линейного ускорения, т.е. появляется погрешность измерения полезного сигнала. Из всего этого следует, что точность измерения линейного ускорения существенно уменьшается.One of the disadvantages of the sensitive element of the accelerometer is its high sensitivity to low and high temperature influences. With an increase or decrease in operating temperatures, the elastic cruciform torsion bars of the sensing element are shortened or lengthened. Since the elastic torsion bars are rigidly connected, on the one hand, with the inertial mass, and on the other hand, with the outer frame, while the latter is rigidly connected to the glass plates, the resulting deformation is applied to the inertial mass (pendulum), which ultimately deforms the latter ... As a result, a signal appears at the output of the displacement transducer, in the absence of acceleration applied to the inertial mass, or an additional signal when subjected to linear acceleration, i.e. an error in the measurement of the useful signal appears. From all this it follows that the accuracy of measuring the linear acceleration is significantly reduced.
Другим недостатком является наличие концентраторов напряжения на стыках «упругий торсион-инерционная масса(маятник)» и «упругий торсион-внешняя рамка». Это в свою очередь снижает прочность конструкции чувствительного элемента в целом, что при определенных максимальных ударных нагрузках или вибраций приводит к разрушению чувствительного элемента.Another disadvantage is the presence of stress concentrators at the joints "elastic torsion-inertial mass (pendulum)" and "elastic torsion-external frame". This, in turn, reduces the strength of the structure of the sensitive element as a whole, which, at certain maximum shock loads or vibrations, leads to the destruction of the sensitive element.
Еще одним недостатком данного устройства является то, что после анодного соединения кремниевого чувствительного элемента микромеханического акселерометра со стеклянными обкладками, остаточное напряжение, возникающее в стыке «кремний-стекло» деформирует упругие элементы, которые перемещают инерционную массу, что увеличивает уровень нулевого сигнала. А это уменьшает точность прибора.Another disadvantage of this device is that after the anodic connection of the silicon sensitive element of the micromechanical accelerometer with glass plates, the residual stress arising in the silicon-glass junction deforms the elastic elements that move the inertial mass, which increases the level of the zero signal. This reduces the accuracy of the instrument.
Известно устройство, которое включает в себя первую и вторую неподвижные внешние пластины, каждая из которых имеет фиксированные электроды, расположенные на внутренних поверхностях, и узел центральной пластины, расположенный между неподвижными внешними пластинами. Узел центральной пластины включает в себя верхнюю центральную пластину и нижнюю центральную пластину. Верхняя и нижняя центральные пластины имеют внутреннюю часть, наружную раму, расположенную наружу от периметра внутренней части, набор пружин, соединяющих внешнюю раму с внутренней частью, и центральный электрод, расположенный на внешней поверхности внутренней части. Набор пружин имеет толщину меньше, чем каждая из внутренней части и наружной рамы [3].A device is known that includes first and second stationary outer plates, each of which has fixed electrodes located on the inner surfaces, and a central plate assembly located between the stationary outer plates. The center plate assembly includes an upper center plate and a lower center plate. The upper and lower center plates have an inner part, an outer frame located outward from the perimeter of the inner part, a set of springs connecting the outer frame to the inner part, and a center electrode located on the outer surface of the inner part. The set of springs is thinner than each of the inner and outer frame [3].
Недостатком данного устройства является повышенная чувствительность к действующим температурным факторам.The disadvantage of this device is its increased sensitivity to operating temperature factors.
Задачей, на решение которой направлено изобретение, является увеличение точности измерения линейных ускорений.The problem to be solved by the invention is to increase the accuracy of measuring linear accelerations.
Для достижения этого в твердотельном датчике линейных ускорений, содержащий, основание, первую и вторую неподвижные внешние пластины и узел центральной пластины, расположенный между неподвижными внешними пластинами включающих в себя верхнюю центральную пластину и нижнюю центральную пластину, которые включают в себя внешнюю рамку и внутреннюю часть, соединяющих между собой упругими элементами., согласно изобретению, узел центральной пластиныTo achieve this, in a solid-state linear acceleration sensor, comprising, a base, first and second stationary outer plates, and a center plate assembly located between the stationary outer plates including an upper center plate and a lower center plate that include an outer frame and an inner portion, connecting with each other by elastic elements., according to the invention, the central plate assembly
расположенный между неподвижными внешними пластинами сформирован за одно целое, в котором сформирована внешняя рамка и внутренняя часть, соединенных через упругие элементы, кроме того на внешней стороне неподвижной внешней пластине присоединена, сформированная дополнительная контурная рамка переменной толщины и ширины, состоящая из гибких секций, причем сформированные площадки крепления к сформированной подложки расположены снаружи дополнительной контурной рамки или внутри дополнительной контурной рамки. Формирование узла центральной пластины за одно целое повышает технологичность, так как не требует соединения верхней и нижней центральных пластин, примененных в прототипе. Кроме того формирование такой конфигурации позволят сформировать симметричное устройство. Сформированные дополнительные контурные рамки переменной толщины и ширины, состоящая из гибких секций выполняют роль развязывающих структур при воздействии отрицательных и положительных температур. При этом существенно увеличивается точность устройства, так как дополнительные контурные рамки микроперемещаются гибкими секциями между неподвижной внешней пластиной и подложкой. Такое устройство подвержено минимальным деформациям при воздействии температур. Это минимизирует температурную погрешность. Следовательно, повышает точностью. Таким образом, сформированная конструкция существенно повышает точностью.located between the stationary outer plates is formed in one piece, in which the outer frame and the inner part are formed, connected through elastic elements, in addition, an additional contour frame of variable thickness and width is attached to the outer side of the stationary outer plate, consisting of flexible sections, and formed the pads for attachment to the formed substrate are located outside the additional contour frame or inside the additional contour frame. Formation of the central plate assembly in one piece improves manufacturability, since it does not require the connection of the upper and lower central plates used in the prototype. In addition, the formation of such a configuration will make it possible to form a symmetrical device. Formed additional contour frames of variable thickness and width, consisting of flexible sections, act as decoupling structures when exposed to negative and positive temperatures. In this case, the accuracy of the device is significantly increased, since the additional contour frames are micro-moved by flexible sections between the fixed outer plate and the substrate. Such a device is subject to minimal deformation when exposed to temperatures. This minimizes temperature error. Hence, it improves accuracy. Thus, the formed structure significantly increases the accuracy.
Предложенный твердотельный датчик линейных ускорений иллюстрируется чертежами, представленными на фиг. 1а, 1б, 2а, 2б, 2в 3а, 3б, 4. На фиг. 1а, 1б схематично изображены варианты твердотельного датчика линейных ускорений.The proposed solid-state linear acceleration sensor is illustrated by the drawings shown in FIG. 1a, 1b, 2a, 2b,
На фиг. 2а, 2б, 2в - схематично изображены варианты дополнительной контурной рамки переменной толщины и ширины, на фиг. 3а, 3б - схематично изображены варианты узла центральной пластины, на фиг. 4 -схематично изображены первая и вторая неподвижные внешние пластины, где:FIG. 2a, 2b, 2c - schematically depicts options for an additional contour frame of variable thickness and width, in Fig. 3a, 3b schematically depict variants of the central plate assembly; FIG. 4 - the first and second fixed outer plates are schematically shown, where:
1 - внутренняя часть,1 - inner part,
2 - внешняя рамка,2 - outer frame,
3 - упругие элементы,3 - elastic elements,
4 - первая неподвижная внешняя пластина,4 - the first fixed outer plate,
5 - вторая неподвижная внешняя пластина,5 - the second fixed outer plate,
6 - дополнительная контурная рамка,6 - additional contour frame,
7 - верхний электрод,7 - upper electrode,
8 - нижний электрод,8 - lower electrode,
9 - центральный электрод,9 - central electrode,
10 - подложка,10 - substrate,
11 - гибкие секции,11 - flexible sections,
12 - площадки крепления ко второй неподвижной внешней пластине,12 - platforms for attachment to the second fixed outer plate,
13 - площадки крепления к подложке.13 - pads for attachment to the substrate.
Твердотельный датчик линейных ускорений содержит внутреннюю часть 1, соединенную через упругие элементы 3 с внешней рамкой 2. С одной стороны внешней рамки 2 присоединена первая неподвижная внешняя пластина 4. С другой стороны внешней рамки 2 присоединена вторая неподвижная внешняя пластина 5. Дополнительная контурная рамка 6 состоит из отдельных гибких секций 11 (фиг. 2а, 2б, 2в). Причем дополнительная контурная рамка 6 через площадки крепления к подложке 13 соединены с подложкой 10. Через площадки крепления ко второй неподвижной внешней пластине 12 дополнительная контурная рамка 6 соединена со второй неподвижной внешней пластиной 5. С обеих сторон внутренней части 1 сформированы электроды 9. На первой неподвижной внешней пластине 4 сформирован верхний электрод 7. На второй неподвижной внешней пластине 5 сформирован нижний электрод 8. Неподвижная внешняя пластина 5 соединена с дополнительной контурной рамкой 6, которая соединена с подложкой 10, прикрепленной к основанию (не показано).The solid-state linear acceleration sensor contains an
Узел центральной пластины может быть для примера представлен как маятник, соединенный с внешней рамкой 2 через упругие элементы 3. Маятник представлен как внутренняя часть 1 (фиг. 3а). Другой пример варианта узла центральной пластины это двухплечевой маятник, соединенный с внешней рамкой 2 через упругие элементы 3 (фиг. 3б). Двухплечевой маятник представлен как внутренняя часть l. Ha фиг. 1а изображен вариант твердотельного датчика линейных ускорений с вариантами дополнительной контурной рамки 6 с вариантами изображенными на фиг. 2а, фиг. 2б - с расположенными площадками крепления 13 снаружи дополнительной контурной рамки 6. На фиг. 1б изображен вариант твердотельного датчика линейных ускорений с вариантом дополнительной контурной рамки 6 с вариантом, изображенным на фиг. 2в - с расположенными площадками крепления 13 внутри дополнительной контурной рамки 6.The central plate assembly can be, for example, represented as a pendulum connected to the
Твердотельный датчик линейных ускорений работает следующим образом. При действии линейного ускорения внутренняя часть 1 отклоняется от своего нейтрального положения. Упругие элементы 3 закручиваются на определенный угол. Возникающий дисбаланс дифференциального емкостного преобразователя перемещений, реализованный на первой неподвижной внешней пластине 4, второй неподвижной внешней пластине 5 и внутренней части 1 с сформированными на ней электродами 7, 8, 9 пропорционален величине измеряемого ускорения.A solid-state linear acceleration sensor works as follows. Under the action of linear acceleration, the
При воздействии на твердотельный датчик линейных ускорений вредных внешних факторов - отрицательных и положительных температур, возникают напряжения в основании (не показано). Термомеханические напряжения передаются от основания через подложку 10. Возникающие деформации от этих напряжений передаются на дополнительную контурную рамку 6 затем на неподвижную внешнюю пластину 5. Так как дополнительная контурная рамка 6 состоит из отдельных гибких секций 11 (фиг. 2а, 2б, 2в), то происходит деформация этих гибких секций 11. Таким образом, большая доля деформаций фильтруется гибкими секциями 11 и минимизированная деформация передается на упругие элементы 3. Влияние механических напряжений на упругие элементы 3 практически сводится к нулю. Отмеченные свойства подтверждают преимущества заявляемого изобретения перед известными решениями.When a solid-state linear acceleration sensor is exposed to harmful external factors - negative and positive temperatures, stresses arise in the base (not shown). Thermomechanical stresses are transmitted from the base through the
Твердотельный датчик линейных ускорений может изготавливаться из монокристаллического кремния с ориентацией пластины<100>÷<110>методом анизотропного травления или плазменного травления. Проведенные макетные испытания показали положительный эффект как данного микромеханического датчика, так и его способа сборки и по технологичности, и по точности, то есть уменьшению смещения нулевого сигнала.A solid-state linear acceleration sensor can be made of monocrystalline silicon with a wafer orientation <100> ÷ <110> by anisotropic etching or plasma etching. The prototype tests carried out showed a positive effect of both this micromechanical sensor and its assembly method both in manufacturability and accuracy, that is, in reducing the offset of the zero signal.
Источники информации:Information sources:
1. Патент РФ №106 001.1. RF patent No. 106 001.
2. Патент РФ №225 1702.2. RF patent No. 225 1702.
3. Патент США №9752900 - прототип.3. US patent No. 9752900 - prototype.
Claims (1)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2020130325A RU2746112C1 (en) | 2020-09-15 | 2020-09-15 | Solid state linear acceleration sensor |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2020130325A RU2746112C1 (en) | 2020-09-15 | 2020-09-15 | Solid state linear acceleration sensor |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2746112C1 true RU2746112C1 (en) | 2021-04-07 |
Family
ID=75353385
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2020130325A RU2746112C1 (en) | 2020-09-15 | 2020-09-15 | Solid state linear acceleration sensor |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2746112C1 (en) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2829295C1 (en) * | 2024-03-07 | 2024-10-30 | Александр Александрович Цывин | Accelerometer |
Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN104698222A (en) * | 2015-02-15 | 2015-06-10 | 东南大学 | Tri-axial monolithic integration resonant capacitance type micro-accelerometer and machining method thereof |
RU154143U1 (en) * | 2015-04-14 | 2015-08-20 | Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский университет "Московский институт электронной техники" | SENSITIVE ELEMENT OF A MICROMECHANICAL ACCELEROMETER |
US9752900B2 (en) * | 2015-07-10 | 2017-09-05 | Wyrobek International, Inc. | Multi-plate capacitive transducer |
RU2692122C1 (en) * | 2018-11-23 | 2019-06-21 | Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский университет "Московский институт электронной техники" | Solid-state linear acceleration sensor |
-
2020
- 2020-09-15 RU RU2020130325A patent/RU2746112C1/en active
Patent Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN104698222A (en) * | 2015-02-15 | 2015-06-10 | 东南大学 | Tri-axial monolithic integration resonant capacitance type micro-accelerometer and machining method thereof |
RU154143U1 (en) * | 2015-04-14 | 2015-08-20 | Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский университет "Московский институт электронной техники" | SENSITIVE ELEMENT OF A MICROMECHANICAL ACCELEROMETER |
US9752900B2 (en) * | 2015-07-10 | 2017-09-05 | Wyrobek International, Inc. | Multi-plate capacitive transducer |
RU2692122C1 (en) * | 2018-11-23 | 2019-06-21 | Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский университет "Московский институт электронной техники" | Solid-state linear acceleration sensor |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2829295C1 (en) * | 2024-03-07 | 2024-10-30 | Александр Александрович Цывин | Accelerometer |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US6634231B2 (en) | Accelerometer strain isolator | |
Acar et al. | Experimental evaluation and comparative analysis of commercial variable-capacitance MEMS accelerometers | |
US8082790B2 (en) | Solid-state inertial sensor on chip | |
EP1540355B1 (en) | Reducing offset in accelerometers | |
US11993509B2 (en) | MEMS inclinometer having a reduced vibration rectification error | |
WO2003044539A1 (en) | Acceleration sensor | |
US8733170B2 (en) | Temperature-compensated micro-electromechanical device, and method of temperature compensation in a micro-electromechanical device | |
CN103941041B (en) | A kind of single mass three-shaft mems accelerometer of three-frame structure | |
KR20070094920A (en) | Oscillating Micro-Machine Angular Velocity Sensor | |
EP1352252A2 (en) | Accelerometer whose seismic mass is shaped as whiffletree | |
US11698388B2 (en) | Micromechanical device with elastic assembly having variable elastic constant | |
EP1298442A1 (en) | Acceleration sensor | |
RU2746112C1 (en) | Solid state linear acceleration sensor | |
RU2377575C2 (en) | Frequency micro-mechanical accelerometre | |
RU154439U1 (en) | SENSITIVE ELEMENT OF A LINEAR ACCELERATION SENSOR | |
RU2492490C1 (en) | Sensing element of micromechanical accelerometer | |
RU2692122C1 (en) | Solid-state linear acceleration sensor | |
CN109738093B (en) | On-chip resonant beam structure for detecting stress of micro-electromechanical device and detection method | |
RU2773069C1 (en) | Sensing element of micromechanical accelerometer | |
RU2251702C1 (en) | Micromechanical accelerometer | |
RU2748290C1 (en) | Micromechanical accelerometer sensor element | |
RU2746763C1 (en) | Micromechanical accelerometer | |
RU2753475C1 (en) | Micromechanical accelerometer | |
RU2774824C1 (en) | Micromechanical accelerometer with high resistance to thermomechanical stresses | |
RU2774102C1 (en) | Sensing element of the micromechanical accelerometer |