RU2492490C1

RU2492490C1 - Sensing element of micromechanical accelerometer

Info

Publication number: RU2492490C1
Application number: RU2011152062/28A
Authority: RU
Inventors: Юрий Александрович Чаплыгин; Сергей Петрович Тимошенков; Валерий Федорович Шилов; Сергей Геннадьевич Миронов; Сергей Викторович Киргизов; Олег Николаевич Глазков; Антон Сергеевич Головань; Алексей Сергеевич Тимошенков; Елена Сергеевна Кочурина; Степан Александрович Анчутин; Вадим Григорьевич Рубчиц
Original assignee: Открытое акционерное общество "Московский радиозавод "Темп"
Priority date: 2011-12-21
Filing date: 2011-12-21
Publication date: 2013-09-10
Also published as: RU2011152062A

Abstract

FIELD: measuring equipment.

SUBSTANCE: sensing element made of monocrystalline silicon of low conductivity, comprises a central area connected to the glass substrate on which the electrodes of capacitive transducer are located, an outer frame with platform of fastening, connected to the inertial mass through the cross-shaped torsions. The central platform is connected to the inertial mass through the bending elastic elements. Between the place of incorporation of the end of the cross-shaped torsion in the inertial mass (pendulum) and bending elastic elements along the pendulum a through slot is located on both sides relative to the central platform of fastening. Introduction of the central platform of fastening and additional bending elastic elements reduces zero signal and its instability, and in the simultaneous influence of the measured acceleration it reduces the steepness error of the overall characteristic of the instrument.

EFFECT: introduction of through slots reduces significantly the deformation transmitted to the cross-shaped torsions and the bending elastic elements under the influence of above-zero and below-zero temperatures.

2 dwg

Description

Изобретение относится к измерительной технике и может применяться в микромеханических датчиках линейных ускорений.The invention relates to measuring technique and can be used in micromechanical linear acceleration sensors.

Известен чувствительный элемент микромеханического акселерометра, выполненный из плавленого кварца в форме прямоугольной рамки, преобразователя перемещений рамки, регистрирующего поворот кварцевой рамки в зависимости от измеряемого ускорения [1].A known element of a micromechanical accelerometer made of fused quartz in the form of a rectangular frame, a frame displacement transducer, detecting the rotation of the quartz frame depending on the measured acceleration [1].

Недостатком этого устройства является сложность конструкции, низкая технологичность, низкая точность из-за чувствительности к перекрестным связям. Изготовление таких устройств из плавленого кварца возможно только в единичном производстве и требует специальной высококвалифицированной подготовки персонала. Трудоемкая реализация преобразователя перемещений так как установка в корпус кварцевой рамки возможна только раздельно от преобразователя перемещений и требует затем отдельной регулировки положения рамки в зазоре преобразователя перемещений, то есть установки ее в нулевое положение.The disadvantage of this device is the design complexity, low adaptability, low accuracy due to sensitivity to cross-linking. The manufacture of such devices from fused quartz is possible only in a single production and requires special highly qualified personnel training. The time-consuming implementation of the displacement transducer since installation of a quartz frame in the housing is possible only separately from the displacement transducer and then requires a separate adjustment of the position of the frame in the gap of the displacement transducer, that is, setting it to zero.

Известен чувствительный элемент микромеханического акселерометра, выполненный из монокристаллического кремния в виде электропроводящей инерционной массы, представляющей собой маятник, имеющий два плеча и подвешенный с помощью торсионов, внешнюю рамку, к которой одной стороной соединены торсионы, стеклянную подложку (основание), на которую крепится внешняя рамка, торсионы выполнены крестообразными с поперечным сечением в виде Х-образного профиля, ось симметрии фигуры инерционной массы совмещена с осью, проходящей через торсионы подвеса, а маятниковый подвес обеспечен удалением части одного плеча инерционной массы на его поверхности, при этом указанная поверхность выполнена с ребрами жесткости, причем профиль поперечного сечения ребер жесткости имеет Т-образную форму, а наклонные грани крестообразных торсионов с профилем поперечного сечения в виде Х-образной формы ориентированы по направлению (111) кристаллографической решетки монокристаллического кремния. [2]A sensitive element of a micromechanical accelerometer is known, made of single-crystal silicon in the form of an electrically conductive inertial mass, which is a pendulum having two arms and suspended using torsion bars, an external frame to which torsion bars are connected to one side, a glass substrate (base) to which the external frame is attached , torsion bars are made cross-shaped with a cross section in the form of an X-shaped profile, the axis of symmetry of the figure of the inertial mass is aligned with the axis passing through the torsion bars ca, and the pendulum suspension is provided by removing part of one shoulder of the inertial mass on its surface, while this surface is made with stiffeners, the cross-sectional profile of the stiffeners being T-shaped, and the inclined faces of the cross-shaped torsion bars with a cross-sectional profile in the form of X- shaped are oriented in the direction (111) of the crystallographic lattice of single-crystal silicon. [2]

Одним из недостатков известного датчика является высокая чувствительность к температурным воздействиям. При повышении или понижении рабочих температур торсионы чувствительного элемента удлиняются или укорачиваются, соответственно. Так как торсионы жестко соединены, с одной стороны, с внешней рамкой, с другой стороны, с инерционной массой, при этом внешняя рамка жестко соединена со стеклянной подложкой (основанием), то возникающая при этом деформация приложена к инерционной массе, которая закручивает последнюю. При этом в отсутствие приложенного ускорения возникает сигнал, то есть нулевой сигнал, который увеличивается при увеличении, уменьшении уровня температуры. Кроме того из-за технологического разброса изготовления чувствительного элемента, а именно торсионов, появляется нестабильность нулевого сигнала. Из всего этого следует, что точность измерения параметра, а именно линейного ускорения, существенно уменьшается.One of the disadvantages of the known sensor is its high sensitivity to temperature influences. With increasing or decreasing operating temperatures, the torsions of the sensing element lengthen or shorten, respectively. Since the torsion bars are rigidly connected, on the one hand, with the outer frame, on the other hand, with the inertial mass, while the outer frame is rigidly connected with the glass substrate (base), the resulting strain is applied to the inertial mass, which twists the latter. In this case, in the absence of applied acceleration, a signal occurs, that is, a zero signal, which increases with increasing, decreasing temperature level. In addition, due to the technological variation in the manufacture of the sensitive element, namely the torsion bars, instability of the zero signal appears. From all this it follows that the accuracy of the parameter measurement, namely linear acceleration, is significantly reduced.

Другим недостатком является высокая чувствительность конструкции чувствительного элемента продольным и поперечным вибрациям, направленных по осям X и Y и под углом к ним. Это существенным образом влияет на стабильность нулевого сигнала и точность измерения самого параметра, то есть линейного ускорения.Another disadvantage is the high sensitivity of the design of the sensing element to longitudinal and transverse vibrations directed along the axes X and Y and at an angle to them. This significantly affects the stability of the zero signal and the accuracy of the measurement of the parameter itself, that is, linear acceleration.

Так при воздействии вибрации по этим осям или под углом к ним, возникают объемные волновые процессы в торсионах, последние представляют собой, в первом приближении, стержни. Объемная волна в торсионах вызывает время-переменную деформацию в электропроводящей инерционной массе, являющуюся частью преобразователя перемещений. В результате чего на выходе датчика увеличивается смещение нуля и, как следствие, понижается точность прибора в целом.So when exposed to vibration along these axes or at an angle to them, volumetric wave processes occur in the torsion bars, the latter being, in a first approximation, rods. A body wave in torsions causes a time-variable deformation in an electrically conductive inertial mass, which is part of the displacement transducer. As a result, the zero offset increases at the sensor output and, as a result, the accuracy of the device as a whole decreases.

Задачей, на решение которой направлено изобретение, является увеличение точности измерения.The problem to which the invention is directed, is to increase the accuracy of measurement.

Для достижения этого в чувствительном элементе микромеханического акселерометра, содержащем маятник из монокристаллического кремния, стеклянную подложку и внешнюю рамку с площадками крепления к стеклянной подложке, крестообразные торсионы, согласно заявленному решению, дополнительно введена центральная площадка крепления к стеклянной подложке, расположенная в центре симметрии маятника, соединенная через изгибные упругие элементы с маятником таким образом, что ось изгиба упругих элементов совпадает с осью крутильных крестообразных торсионов, и между местом крепления конца торсиона в маятнике и изгибными упругими элементами, вдоль маятника, расположена сквозная щель, с обеих сторон относительно центральной площадки крепления.To achieve this, in the sensitive element of the micromechanical accelerometer containing a single-crystal silicon pendulum, a glass substrate and an external frame with attachment areas to the glass substrate, cruciform torsion bars, according to the claimed solution, an additional central attachment area to the glass substrate located at the center of symmetry of the pendulum connected through bending elastic elements with a pendulum in such a way that the axis of bending of the elastic elements coincides with the axis of torsional cross-shaped x torsion bars, and between the point of attachment of the end of the torsion bar in the pendulum and flexural elastic elements, a through slit is located along the pendulum, on both sides relative to the central mounting platform.

Признаком, отличающим предложенный чувствительный элемент от известного является то, что в чувствительном элементе дополнительно введена центральная площадка крепления к стеклянной подложке, расположенная в центре симметрии инерционной массы и соединенная с ней через изгибные упругие элементы, ось изгиба которых совпадает с осью крутильных крестообразных торсионов. В центральной точке закрепления механические напряжения равны нулю при всех видах колебаний. В точке крепления и вблизи ее с учетом линейного закона распределения механических напряжений и деформаций напряженное состояние отсутствует. Поэтому при воздействии продольной вибрации вдоль осей Х и У или под углом к ним дополнительно введенные изгибные элементы, одной стороной связанные с центральной точкой крепления к стеклянной подложке, а другой- с инерционной массой что, существенно уменьшают деформацию инерционной массы, тем самым уменьшая погрешность измерения. Другим существенным признаком является то, что в теле инерционной массы вытравлены сквозные щели. Все это, в целом, увеличивает точность измерения полезного сигнала.A feature that distinguishes the proposed sensitive element from the known one is that a central attachment area to the glass substrate is additionally introduced in the sensitive element, located in the center of symmetry of the inertial mass and connected to it through bending elastic elements, the bending axis of which coincides with the axis of the torsion cross-shaped torsion bars. At the central fixing point, mechanical stresses are equal to zero for all types of vibrations. At the attachment point and near it, taking into account the linear law of the distribution of mechanical stresses and strains, the stress state is absent. Therefore, under the influence of longitudinal vibration along the X and Y axes or at an angle to them, additionally introduced bending elements connected on one side to the central point of attachment to the glass substrate and the other on the inertial mass, which significantly reduce the deformation of the inertial mass, thereby reducing the measurement error . Another significant sign is that through the slits are etched in the body of the inertial mass. All this, in general, increases the accuracy of the measurement of the useful signal.

Предложенный микромеханический датчик иллюстрируется чертежами, представленными на фиг.1, 2. На фиг.1 изображен кремниевый чувствительный элемент в плане, где:The proposed micromechanical sensor is illustrated by the drawings shown in figures 1, 2. Figure 1 shows a silicon sensor in plan, where:

1 - центральная площадка крепления к стеклянной подложке (не показана);1 - a central mounting pad to a glass substrate (not shown);

2 - инерционная масса;2 - inertial mass;

3 - изгибные упругие элементы;3 - bending elastic elements;

4 - крестообразные торсионы;4 - cruciform torsion bars;

5 - сквозные щели;5 - through slits;

6 - внешняя рамка;6 - outer frame;

7 - площадки крепления на внешней рамке.7 - mounting pads on the outer frame.

На фиг.2, центральная часть чувствительного элемента в увеличенном виде, а также сечение по A-A и B-B.Figure 2, the Central part of the sensing element in an enlarged view, as well as a section along A-A and B-B.

Чувствительный элемент, выполненный из монокристаллического кремния низкой проводимости содержит центральную площадку 1, соединенную со стеклянной подложкой (не показано), на которых находятся электроды (не показано) емкостного преобразователя, внешнюю рамку 6 с площадками крепления 7, соединенную с инерционной массой 2, через крестообразные торсионы 4. Центральная площадка 1 соединена с инерционной массой 2 через изгибные упругие элементы 3. Между местом крепления конца крестообразного торсиона 4 в инерционной массе (маятнике) 2 и изгибными упругими элементами 3, вдоль инерционной массы (маятника) 2, расположена сквозная щель 5, с обеих сторон относительно центральной площадки крепления 1.The sensitive element made of single-crystal silicon of low conductivity contains a central platform 1 connected to a glass substrate (not shown), on which there are electrodes (not shown) of a capacitive transducer, an external frame 6 with attachment pads 7 connected to an inertial mass 2 through crosswise torsion bars 4. The central platform 1 is connected to the inertial mass 2 through bending elastic elements 3. Between the attachment point of the end of the cruciform torsion 4 in the inertial mass (pendulum) 2 and the bending and elastic elements 3, along the inertial mass (pendulum) 2, there is a through slot 5, on both sides relative to the central mounting platform 1.

Чувствительный элемент работает следующим образом. При воздействии линейного ускорения маятник 2, отклоняется от своего нейтрального положения. При этом крестообразные торсионы 4 закручиваются на определенный угол. На стеклянных подложках и маятнике 2 реализована схема обработки сигнала. При воздействии линейного ускорения возникает дисбаланс между верхом и низом, со стороны стеклянных подложек. Величина этого дисбаланса пропорциональна измеряемому ускорению.The sensitive element operates as follows. When exposed to linear acceleration, the pendulum 2 deviates from its neutral position. While the cruciform torsion bars 4 are twisted at a certain angle. On glass substrates and pendulum 2, a signal processing circuit is implemented. When exposed to linear acceleration, an imbalance occurs between the top and bottom, on the side of the glass substrates. The magnitude of this imbalance is proportional to the measured acceleration.

При воздействии вредных факторов введение центральной площадки крепления 1 и дополнительных изгибных упругих элементов 3 резко уменьшает нулевой сигнал и его нестабильность, а при одновременном воздействии еще измеряемого ускорения уменьшается погрешность крутизны характеристики прибора в целом. Введение сквозных щелей 5 значительно уменьшает деформацию, передающуюся на крестообразные торсионы 4 и изгибные упругие элементы 3 при воздействии плюсовых и отрицательных температур. Это уменьшает нулевой сигнал и уменьшает погрешность крутизны характеристики датчика в целом.Under the influence of harmful factors, the introduction of a central mounting pad 1 and additional bending elastic elements 3 sharply reduces the zero signal and its instability, and with the simultaneous action of measured acceleration, the error of the slope of the characteristics of the device as a whole decreases. The introduction of through slots 5 significantly reduces the deformation transmitted to the cruciform torsion 4 and flexural elastic elements 3 when exposed to positive and negative temperatures. This reduces the zero signal and reduces the error of the slope of the characteristic of the sensor as a whole.

Проведенные математическое моделирование в среде ANSYS и макетные испытания показали положительный эффект данного устройства и по технологичности и по точности по сравнению с прототипом.Conducted mathematical modeling in the ANSYS environment and prototype tests showed a positive effect of this device in terms of manufacturability and accuracy compared to the prototype.

Источники информации:Information sources:

1. Мельников В.Е. «Электромеханические преобразователи на базе кварцевого стекла». Москва, Машиностроение, 1984 г.1. Melnikov V.E. "Electromechanical converters based on quartz glass." Moscow, Engineering, 1984

2. Патент РФ №2251702 (прототип).2. RF patent No. 2251702 (prototype).

Claims

A sensitive element of a micromechanical accelerometer containing a single-crystal silicon pendulum, a glass substrate and an external frame with attachment areas to the glass substrate, cross-shaped torsion bars, characterized in that a central attachment area to the glass substrate is located at the center of symmetry of the pendulum, connected through bending elastic elements with the pendulum in such a way that the axis of bending of the elastic elements coincides with the axis of the torsion cruciform torsion bars, and between the At the end of the torsion bar in the pendulum and bending elastic elements along the pendulum there is a through gap on both sides relative to the central mounting platform.