Полупроводниковый интегральный тензоаксельрометр

)5 6 01 Р 15/1 ИЗОБ ИСАН Я ЕТ АВТОРСКОМУ СВИ ЕЛЬСТВ 2 8 Е иммер т ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕВЕДОМСТВО СССРГОСПАТЕНТ СССР)(56) Авторское свидетельство СССРМ 504978, кл. С 01 Р 15/12, 1969.Ваганов В,И, Интегральные тензообразователи. М., Энергоатомиздат, 19(54) ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЙ ИНТРАЛЬНЫЙ ТЕНЗОАКСЕЛЕРОМЕТР(57) Использование; приборостроение,вышение вибропрочности и точностирения механических величин; напри Изобретение относится к измерительной 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 тензакселерометр обладает малой чувствительностью ввиду большой жесткости балки, кроме того, функционирование акселерометра обеспечивается при использовании пассивных навесных резисторов, что приводит к существенному его усложнению (увеличению габаритов, веса и т,д.), а следовательно, к резкому уменьшению точйости измеренияНаиболее близким по технической сущности к предлагаемому является интегральный тензоакселерометр, содержащий рамку, расположенную в корпусе, выполнен ом в виде двух крышек, внутри рамки линейных ускорений и.т, д. Сущность изобретения; полупроводниковый интегральный тензоакселерометр 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-зэщемленйый упругий элемент 5 с профилированной областью 7 и инерционной массой 6.На упругом элементе 5 расположена тензочувствительная 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. расположен консально-защемленный, вы-полненный заодно с рамкой упругий элемент с расположенной над профилировайной областью тензочувствительной схемой,Преимуществом дайного тензоакселерометра является то, что он представляет , О собой микроконструкцию иэ кремния в ин-ф тегральном исполнении, у которого профи лированная область выполняетрольОф концентратора напряжения, благодаря чему чувствительность его больше по сравнению с аналогом, Роль груза в данном случае играет сама консоль, в полнейная иэ кремния заодно с упругим элементом. Однако ука- е занный акселерометр обладает низкой вибропрочностью и точностью.Это обусловлено главным образом тем, при воздействии вибро- и ударных ускорений, превышающих определенный уровень, процесс ограничения носит ударный харэкер, при этом на профилированные перемычки действуют две силы: сила инерции, Ги, 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 10 вательно, невысока вйбро- и ударопрочность тенроамсел 85 ометра.Кроме того, даннаяконструкция не обеспечивает аффектйвного демпфирования, поэтому добротность системы велика, Это 15 приводит к тому, что тензоакселерометр обладает большйми неравномерностью амплитудно-частотной характеристики (АЧХ) и амплитудой паразитногосигнала, что обуславливаетуаелйченйе погрешности измерения, т; е, умЕньшение точности,Целью изобретения является повышение вибропрочности и точностй-йзмерения. Целъ достигается"тем, что в Йзвестйом интегральном тензоакселерометре; содер 25 жащем рамку, расположенную в корпусе, выполйенном в виде двух крышек,внутри которой расположен консольно-защемлейный, выполненный заодно с рамкой упругий 30 элемент с инерционной массой и расположенной над профилированной областью тензочувствительйой схемой, в крышках симметрично относительно друг друга выполнены ступени, ориентированные .пер пендикулярно оси упругого элемента и расположенные соответственно над и под "инерционной массой на расстоянии Ь от профилированной области с тензосхемой и глубине и, причем Е =2/3(.; Ь =-3/2 Н, где 1. 40- расстояние от профилированной области с тензосхемой до конца упругого элемента; Н 1 - велйчина зазора между упругим элементом и крышками вблизи профилировайной области или йа инерционной массе со 45 стороны нижней крышки выполнена ступень, Технических решений, имеющих признаки, сходные с отличительными, нами не обнаружено.На фиг. 1 представлена конструкция полупроводникового интегрального тензоакселерометра; нэ фиг, 2 - часть конструкцииинтегрального тензоакселерометра в увеличенном масштабе для наглядности; на фиг,3 - конструкция интегрального тензоаксе-лерометра, в котором в крышках выполнены 55ступени,Полупроводниковый интегральный тензоакселерометр содержит рамку 1, расположенную в корпусе 2, выполненном в видедвух 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 профилировэнной областью 7 расположена тензочувствительная схема 8 с контактными площадками 9. В интегральном тензоакселерометре 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 6 нэ расстоянии О от профилированной области 7 с тензосхемай 8 и глубине К причем О = 2/ЗС и = 3/2 п 1, где 1 - расстояние от профилированной области с тензосхемой 8 до конца упругого элемента 5; Ь 1 - 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 измеряемого ускорения на упругий элемент 5 действует сила йнерции Р = в п, где в - масса; и - измеряемое ускорение, в результате чего он деформируется. Максимальная величйна 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 ускорении наступает ограничение перемещения груза; т. е. консоль своим концом касается дна нижней или верхней крышек,В результате нэ 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 обпадает невысокой точностью.В предлагаемом интегральном тензоакселерометре, 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 подинерционной массой 6 (грузом) на расстоянии О от профилированной области 7 с тензосхемой 8 и глубине Ь. причем О = 2/3; и.= .=3/2 Ьь где- расстояние от профилированной области до конца. упругого. элемента 5; Ь 1 - величина зазора между упругим элементом 5 и крышками 3 и 4 вблизи профилировэнной области 7 (см. фиг. 2), При указанной длине Ь и глубине Ь расположения ступеней 10, 11 под действием ускорений, превышающих определенный уровень, ограничение перемещения груза происходит при касании последним ступеней.Для удобствэ сравнительного анализа заявляемого решения и прототипа предположим, что они обладают равным диэпазоном измерения сигнала, т, е, что ограничение в обеих конструкциях достигается при равном сигнале (а значит, при одной и той же деформации тенэосхемы, т, е, при одном и том же угле поворота грузаотносительно профилировэнной области)Кэк видно из чертежей, при этом исходный зазор между грузом и крышками в прототипе будет равен Ь - зазору в заявляемой конструкции в области ступеней, Величинаже й 1 в заявляемой конструкции будет меньше; п 1 = 2 ЗЬ, Очевидно, что в результатедемпфирование (трение о воздух) в заявляемой конструкции будет более эффективным, в свою очередь это означает меньшуювеличину добротности, а знэчит, меньшую неравномерность АЧХ в рабочей полосе частот и меньшие амплитуды высокочастотных сигналов по сравнению с прототипом, Таким образом, заявляемая конструкция притом же динамическом диапазоне обладает меньшей величиной динамической погрешности, т, е. обеспечивает более высокую точность измерений,Рассмотрим теперь более детально процесс ограничения перемещения груза в заявляемом решении, например, под воздействием удара с амплитудой, превышающей номинальную, и его отличия по сравнению с прототипом.Во-первых, процесс ограничения будетносить более плавный характер, а именно груз в момент ограничения будет обладать меньшей скоростью (по сравнению с прототипом), это вызвано тем, что, как показановыше, заявляемое рещение обладает более эффективным демпфировэнием, т. е, в нем реализуется большее воздушное трение,Во-вторых (и это, пожалуй, более важно с точки зрения повышения вибро- и ударопрочности), 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 нэ Ь =-2/3Как следует из уравнения движения груза, в этом случае дополнительные воздействия ударного характера (перерезывающая силэ в частности) на профилированную об 5 10 20 30 35 40 50 ласть пренебрежлмо малы. Поскольку именно эти воздействия обуславливали разруше- .ние упругого элемента в прототипе. тозаявляемое рещение обеспечивает значительное повышение вибро- и удэропрочности.Заявляемое расположение ступеней иих глубина являются оптимальными и обеспечивают максимальный полезный эффект.Изменение их расположения или глубиныснижает полезный эффект, естественно, необходимо сравнивать конструкции с одинаковым уровнем ограничения, тем же, что впрототипе (т, е, с тем же углом наклона кон 5 соли при ограничении). При пропорциональном увеличении 11 и Ь 1 уровеньогрэничения не изменится, но при огрэничении возникнут те же отрицэтельные эффекты, что и в прототипе, хотя и в меньшейстепени.При уменьшении 11 и п 1(по отношениюк оптимэльному) также возникнут те же отрицательныее эффекты (лишь перерезывающая сила; действующая на5 профилированную перемычк, при ограничении, и заменит знак),Нэконец, при увеличении глубины сту-.пеней, т, е, если Ь(Ь) Ь 1, уровень ограничения не изменится, т. к, ограничениебудет происходить в конце консоли, но приэтом будут иметь место те хе отрицательнь 1 е эффекты, что и а прототипе, а эффективность демпфирования по сравнению соптимальным выполнением будет ниже.Таким обрэзом, заявляемое решение посравнению с прототипом обеспечивает более высокую точность измерений и существенно повышает вибро- и удэропрочностьакселерометра.Испытания лабораторных образцов интегральных тензоакселерометров показали,что повышение вибропрочности составило3,10 раэ (3 образца), удэропрочности - 517 раз (5 образцов). Кроме того, в силу5 более эффективного демпфирования испытэннье тенэоакселерометры обладали добротностью О = 1;53 и неравномерйостьюАЧХ 3% (у известного тензоакселерометрас тем же уровнем ограничейия добротностьсистемы составляла 0 = 310 и более;неравномерность АЧХ - 10. Таким образом, заявляемое решение обеспечивает иповышение точности.Использование предлагаемого интег 5 рального тензоакселерометрэ по сравнению с известным тензоэкселерометромпозволит обеспечить следующее:1791782 г 11 Ф гЗтавитель В.Костин чред М.Моргентал Корректор Н,Ревска Редактор ТиражПодписноеударственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР113035, Москва, Ж, Раушская наб 4/5 3 150ВНИИПИ ательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 101 изводственноФормула изобретенияПолупроводниковый интегральный тензоакселерометр, 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 схему., расположенную над профилированной 10 областью, отл и чаю щийся тем,что, с целью повышения вибропрочности и точноУ 8 сти, в крышках вблизи профилированной области симметрично относительно друг друга выполнены ступени, ориентированные перпендикулярно к оси упругого эле-", мента, длинойот профилированной области с тензосхемой и глубиной 1, причем.; ЬЗ. Н, где- расстояние от2; 1профилированной области с тензосхемой до конца упругого элемента: Н - расстояние между упругим элементом и крышками перед ступенями.