Микродатчик ускорений

(51) МПК НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ(71) Заявитель Государственное научное учреждение Институт физики имени Б.И.Степанова Национальной академии наук Беларуси(72) Авторы Мухуров Николай Иванович Ефремов Георгий Игнатьевич Куданович Олег Николаевич(73) Патентообладатель Государственное научное учреждение Институт физики имени Б.И.Степанова Национальной академии наук Беларуси(57) 1. Микродатчик ускорений, содержащий диэлектрическую плоскую подложку с рамкой и окном в средней части, в котором размещен квадратный якорь, соединенный с рамкой гибкими балочными держателями, размещенными на углах якоря перпендикулярно его сторонам, обкладки преобразования ускорений, токопроводящие дорожки, соединяющие обкладки с контактными площадками на периферии подложки, отличающийся тем, Фиг. 1 74482011.08.30 что обкладки выполнены тонкопленочными металлическими и сформированы на торцевых сторонах якоря и прилегающих к ним торцевых сторонах рамки, образуя конденсаторы, причем неподвижная обкладка на рамке по длине больше, чем подвижная обкладка на якоре на 2, где- ширина промежутка между обкладками, а балочные держатели выполнены Г-образными, при этом их первые участки соединены с якорем, расположены по его углам параллельно одной из осей подложки , а вторые участки, равные по длине первым, закреплены в рамке, расположены параллельно другой осии попарно направлены в противоположные стороны от оси , при этом токопроводящие дорожки сформированы на четырех сторонах держателей, а в рамке по углам окна выполнены дополнительные отверстия по габаритам держателя. 2. Микродатчик ускорений по п. 1, отличающийся тем, что подвижные обкладки попарно соединены между собой токопроводящими внутренними дорожками.(56) 1..,.,..-/ ,. - 1996. - . 17. . 7. - . 372-374. 2. Галушков А.И., Панкратов, О.В. Погалов А.И. и др. Методы проектирования и калибровки микроэлектронных пьезорезистивных преобразователей ускорения // Микро- и наносистемная техника. - 2006. -6. - С. 45-48. Полезная модель относится к электротехнике, микроэлектронике, микромеханике и может быть использована в системах навигации, управления, связи. Известно микромеханическое устройство типа консоль-в-консоли с магнитным приводом 1. Оно представляет собой плоскую диэлектрическую подложку, в средней части которой сформирована подвижная широкая консоль с зеркалом на верхней поверхности. Вокруг нее расположена вторая упругая П-образная консоль, а вокруг последней - аналогичная третья. На всех консолях вакуумным напылением выполнены токопроводящие дорожки, образующие единую электрическую цепь. Подложка размещена между полюсами подковообразного постоянного магнита. При включении в сеть электрического постоянного тока при одном направлении тока силы Лоренца отклоняют консольную структуру и зеркало перпендикулярно поверхности подложки в одну сторону, при другом - в обратную. Аналогичный процесс происходит при смещении полюсов магнита в результате движения устройства с ускорением. Таким образом, устройство позволяет осуществлять движение зеркала и сканирование отражаемого луча только в одном направлении, перпендикулярном плоскости подложки. Устройство консоль-в-консоли имеет ограниченные функциональные возможности. Известен пьезорезистивный преобразователь ускорения 2. Он представляет собой комбинированный датчик инерционного принципа действия с двойным преобразованием внешнего сигнала. Преобразователь выполнен на диэлектрической плоской жесткой подложке, состоящей из рамки с окном в центральной части и якоря квадратной формы, размещенного в этом окне. С рамкой он соединен восемью упругими прямолинейными балочными держателями, расположенными попарно по углам якоря перпендикулярно его сторонам. Между всеми сторонами якоря и окна расположен паз шириной, равной длине держателей. На держателях сформированы чувствительные элементы - твердотельные кремниевые пьезорезисторы. Они токопроводящими дорожками соединены с контактными площадками на периферии рамки. Ускоренное движение преобразователя смещает якорь по оси , вследствие чего деформируются держатели, являющиеся первичными преобразователями, и размещенные на них слои пьезорезиста - вторичные преобразователи. 2 74482011.08.30 Изменение сопротивления пьезорезисторов фиксируется внешней мостовой электрической схемой. Устройство обеспечивает индикацию ускорений только в одном, перпендикулярном плоскости якоря, направлении. Пьезорезистивный преобразователь ускорения имеет ограниченные функциональные возможности. Технической задачей полезной модели является расширение функциональных возможностей датчика ускорений за счет осуществления индикации ускорения по двум осям координат. Решение технической задачи достигается тем, что в микродатчике ускорений, содержащем диэлектрическую плоскую подложку с рамкой и окном в средней части, в котором размещен квадратный якорь, соединенный с рамкой гибкими балочными держателями,размещенными на углах якоря перпендикулярно его сторонам, обкладки преобразования ускорений, токопроводящие дорожки, соединяющие обкладки с контактными площадками на периферии подложки, обкладки выполнены тонкопленочными металлическими и сформированы на торцах якоря и прилегающих к ним торцевых сторонах рамки, образуя конденсаторы, причем неподвижная обкладка на рамке по длине больше, чем подвижная обкладка на якоре на 2, где- ширина промежутка между обкладками, а балочные держатели выполнены Г-образными, при этом их первые участки соединены с якорем,расположены по его углам параллельно одной из осей подложки , а вторые участки, равные по длине первым, закреплены в рамке, расположены параллельно другой осии попарно направлены в противоположные стороны от оси , при этом токопроводящие дорожки сформированы на четырех сторонах держателей, а в рамке по углам окна выполнены дополнительные отверстия по габаритам держателя. В микродатчике ускорений подвижные обкладки попарно соединены между собой токопроводящими внутренними дорожками. Сущность полезной модели поясняется фиг. 1, 2, 3. На фиг. 1 представлен вид сверху на микродатчик ускорений, на котором 1 - подложка 2 - рамка 3 - окно 4 - якорь 5 - держатель 6 - угол якоря 7 - первый участок 8 - второй участок 9 - отверстие 10 - торцевая сторона якоря 11 - торцевая сторона рамки 12 - неподвижная обкладка 13 - подвижная обкладка 14 - промежуток 15 - дорожка 16 - контактная площадка 17 - внутренняя дорожка 1, 2, 3, 4 - конденсаторы. На фиг. 2 представлено сечение промежутка 14 по -. На фиг. 3 представлено сечение второго участка 8 держателя 5 по Б-Б. Микродатчик ускорений сформирован на диэлектрической подложке 1, в которой выполнены рамка 2 с окном 3 в центральной части и размещенный в нем якорь 4 квадратной формы (фиг. 1). Рамка 2 и якорь 4, в центре которого графически расположено начало координат , , соединены между собой четырьмя упругими Г-образными балочными держа 3 74482011.08.30 телями 5, расположенными по углам 6 якоря 4. Первые участки 7 держателей 5, соединенные с якорем 4, параллельны одной из осей микродатчика (например, оси ) и направлены попарно в противоположные от центра якоря 4 стороны. Вторые участки 8, закрепленные в рамке 2, перпендикулярны первым участкам 7, т.е. параллельны другой осии тоже направлены попарно друг от друга и от оси . Первые 7 и вторые 8 участки держателей 5 выполнены одинаковой длины . В рамке 2 напротив углов 6 якоря 4 выполнены четыре отверстия 9, в которых размещены держатели 5. Торцевые стороны якоря 10 и прилегающие к ним торцевые стороны рамки 11 выполнены перпендикулярно плоскости подложки 1. На них расположены тонкопленочные металлические обкладки - неподвижная 12 на рамке 2 и подвижная 13 на якоре 4 (фиг. 2), которые вместе с межобкладочным промежутком 14 ширинойобразуют конденсаторы 14. Длина 1 неподвижной обкладки 12 больше,чем длина 2 подвижной обкладки 13 на . Ширина обкладок(фиг. 2) равна толщине подложки 1. Емкость конденсаторов в исходном состоянии равна 0 2,(1) где 08,8510-12 Ф/м - электрическая постоянная. Неподвижные обкладки 12 соединены внешними токопроводящими дорожками 15 непосредственно с контактными площадками 16 на периферии подложки 1. Подвижные обкладки 13 соединены с контактными площадками 16 через углы 6 якоря 4 и держатели 5 с четырехсторонней дорожкой 15 (фиг. 3). В зависимости от внешней измерительной схемы и функционального назначения подвижные обкладки 13 могут быть попарно электрически соединены между собой внутренними дорожками 17, расположенными на якоре 4. Диэлектрические детали микродатчика ускорений могут быть изготовлены из анодного оксида алюминия, обладающего высокими электрическими и механическими свойствами, по алюмооксидной интегральной технологии. Токопроводящие тонкопленочные элементы создаются вакуумным напылением. Микродатчик ускорения работает следующим образом. При движении с ускорением в плоскости подложки 1 по направлениюпод действием инерционных сил якорь 4 сместится в обратном направлении -, деформируя вторые участки 8 держателей 5. При этом промежуток 14 между неподвижной 12 и подвижной 13 обкладками, расположенными в зоне - перпендикулярно осиначнет уменьшаться, а между противолежащими обкладками - увеличиваться. Соответственно будут изменяться емкости 02 Промежутки 14 между неподвижной 12 и подвижной 13 обкладками, параллельные оси , и соответствующие емкости не изменятся 3 - , С 4 - . Ускоренное движение микродатчика в направлении осиприводит к деформации первых участков 7 держателей и подобным результатам 02 3 74482011.08.30 Держатели 5 в процессе деформирования осуществляют первичное преобразование ускорения, изменяющиеся емкости- вторичное преобразование, которое через токопроводящие дорожки 15 и контактные площадки 16 передается во внешнюю контролирующую аппаратуру, выдающую значение ускорения. При ускоренном движении в направлении между осями ,якорь 4 деформирует оба участка держателей 5. Углы якоря 6 переместятся по дуге радиусом , расположенным под углом 45 к осям координат(6)2,которая благодаря равенству длин первого 7 и второго 8 участков держателя 5, обеспечит симметричность дуги в широком диапазоне направлений движения якоря 4. Относительное расположение неподвижных 12 и подвижных 13 обкладок изменится по обеим осям координат. Величинапромежутка 14 уменьшится или увеличится, в обратном отношении изменятся емкости. Подвижная обкладка 13 сместится при этом вдоль неподвижной обкладки 12 в прямом или обратном направлении. Максимальное смещение в обоих направлениях благодаря симметричности дуги движения углов якоря 6 относительно осей координат будет равной величине, определяемой ширинойпромежутка 14. Величина 2 гарантирует сохранение площади конденсаторов постоянной и обеспечивает зависимость емкостей только от межобкладочного промежутка 14. Значения всех емкостей 1,2, 3, 4 через контактные площадки поступают в измерительную аппаратуру, которая определяет величину ускорения и азимут движения в плоскости. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20.