Індуктивно-ємнісний інтегральний датчик прискорення

Реферат: UA 74813 U UA 74813 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Корисна модель належить до вимірювальної техніки і може бути використана як первинний перетворювач у мікроелектромеханічних (MEMS) акселерометрах. Аналогами даної корисної моделі є [MICRO-MACHINED ACCELEROMETER US 2010/0307247 А1 від 09 грудня 2010 p.], який містить вбудований у пластину підвіс, об'єднаний з вертикальним вибірковим підсилювачем, що може містити зворотний зв'язок магнітного типу, який складається з постійних магнітів та плоскої котушки на масі. [ACCELERATION SENSOR AND METHOD FOR ITS MANUFACTURE US 6,003,374 від 21 грудня 1999 p.], який виготовлено за планарною технологією на пластині, що містить феромагнітне осердя та первинну і вторинну обмотки, які об'єднано у магнітну систему осердям. [Micro-machined accelerorneter US 2003/0140699 А1 від 31 липня 2010 p.], який містить корпус, масу, пластину-підвіс з прорізами та масив електродів на масі та корпусі. Недоліками даних пристроїв є великі габаритні розміри пластини, складність технічного процесу виготовлення циліндричних котушок індуктивності, феромагнітних осердь та постійних магнітів мікроскопічних розмірів. Крім цього, постійні магніти та феромагнітні осердя впливають на роботу ємності, ланцюгів передачі та обробки інформації, створюючи додаткові електромагнітні завади, що зменшує точність вимірювання та ускладнює схему фільтрації та обробки даних. [ACCELERATION SENSOR US 5763783 від 09 червня 1998 p.], який містить корпус з однією плоскою котушкою, масу з однією плоскою котушкою, пружні балки. Недоліками даного пристрою є низький рівень вихідного сигналу, чутливість до електромагнітних завад, неможливість виготовлення диференційного варіанта. [MEMS ACCELEROMETER HAVING FLUX CONCENTRATOR BETWEEN PARALLEL MAGNETS US2010/0170341 A1 від 08 липня 2010 p.]. Недоліками даного пристрою є великі габаритні розміри пластини та складність технологічного процесу виготовлення циліндричних постійних магнітів мікроскопічних розмірів. Крім цього, постійні магніти впливають на роботу ємності, ланцюгів передачі та обробки інформації, створюючи додаткові електромагнітні завади, що зменшує точність вимірювання та ускладнює схему фільтрації та обробки даних. Найближчим аналогом даної корисної моделі є [ІНДУКТИВНО-ЄМНІСНИЙ ІНТЕГРАЛЬНИЙ ДАТЧИК ПРИСКОРЕННЯ UA 97773 від 12 березня 2012 p.]. Недоліками даного пристрою є можливий вплив зовнішніх електромагнітних завад, великі габаритні розміри, незначний вплив індуктивного перетворювача на вихідний сигнал. В основу корисної моделі поставлена задача зменшення впливу зовнішніх електромагнітних завад, покращення метрологічних характеристик. Поставлена задача вирішується тим, що в інтегральному датчику прискорення, який складається з нерухомого корпуса, виготовленого, наприклад, літографією, та маси, пружних балок, які кріплять масу до корпуса; котушок індуктивності та обкладинок конденсаторів розміщених на корпусі та масі, новим є те, що індуктивний та ємнісний перетворювач екрановано за допомогою екрана 13, який розміщений всередині корпуса або на внутрішній чи зовнішній поверхні корпуса (наприклад Фіг. 1, 2). Суть корисної моделі пояснюють креслення. На Фіг. 1 показано головний переріз екранованого індуктивно-ємнісного інтегрального датчика прискорення. На Фіг. 2 показано місцевий переріз екранованого індуктивно-ємнісного інтегрального датчика прискорення. На Фіг. 3 показано місцевий переріз екранованого індуктивно-ємнісного інтегрального датчика прискорення в динаміці. Інтегральний датчик для вимірювання прискорень містить (Фіг. 2) корпус 1, який за допомогою пружних балок 3, 4 з'єднано з масою 2. На масі розміщено обкладинки ємнісних перетворювачів 9, 10, 11, 12 та дві котушки індуктивності 5 та 7 (Фіг. 2). На корпусі розміщено обкладинки ємнісних перетворювачів 9, 10, 11, 12 та дві котушки індуктивності 6 та 8 (Фіг. 1). Всередині або на внутрішній чи зовнішній поверхні корпуса розміщено екран 13 (наприклад Фіг. 1 та Фіг. 2). Прискорення об'єкта, на якому розміщено датчик, викликає переміщення маси 2 разом із обкладинками конденсаторів 9, 10, 11, 12 та індуктивними котушками 5 та 7 (Фіг. 3). На Фіг. 4 показано один із варіантів ввімкнення плоских котушок індуктивності та ємнісних перетворювачів в схему вимірювання. Екран навколо індуктивного та ємнісного перетворювачів незначною мірою впливає на зміну ємності ємнісного перетворювача, значно змінюючи індуктивність котушок 5, 6, 7 та 8 на L1, L2, L3, L4 (що приводить до зміни амплітуди вихідного сигналу Uвих) та взаємну індуктивність між котушками 5, 6, 7 та 8 на M12, M34, (що приводить до зміни амплітуди вихідного сигналу Uвих). Екран захищає індуктивний та ємнісний 1 UA 74813 U 5 10 перетворювачі від впливу зовнішніх електромагнітних завад та збільшує внутрішню ємність котушок індуктивності C_L12 та C_L34, що приводить до зміни амплітуди вихідного сигналу Uвих. Переміщення обкладинок конденсаторів, які розміщено на масі, відносно нерухомих обкладинок, які розміщено на корпусі, викликає зміну ємнісних опорів конденсаторів C1, C2, C3, та C4, що приводить до зміни амплітуди вихідного сигналу Uвих. Взаємне переміщення котушок індуктивності 5 та 6 викликає зміну їх взаємної індуктивності M12 (що приводить до зміни індуктивного опору L12), внутрішньої ємності C_L12 та, як наслідок, амплітуди вихідної напруги UDHX. Взаємне переміщення котушок індуктивності 7 та 8 викликає зміну їх взаємної індуктивності M34 (що приводить до зміни індуктивного опору L34), внутрішньої ємності C_L34 та, як наслідок, амплітуди вихідної напруги Uвих. Таким чином, при використанні, наприклад, мостової схеми ввімкнення (Фіг.4), як показано формулою 1, наявність екрана навколо індуктивного та ємнісного перетворювача приведе до збільшення чисельника рівняння 1 та збільшення амплітуди вихідного сигналу. Uвих  U0 R 4 U0 R 3 ,  (1) 1 1 R2  R4   jw 0L12 R1  R 3   jw 0L 34 jw 0 C12 jw 0 C 34 C12  C1  C2  C _ L12 , 15 C34  C3  C 4  C _ L 34 , L12  L1  L 2  L1  L 2  2 M12 M12 , 20 25 L 34  L 3  L 4  L 3  L 4  2 M34 M12 , де: Uвих - напруга вихідного сигналу, В; U0 - напруга вхідного сигналу, В; R1, R2, - активні опори котушок індуктивності, обкладинок конденсаторів та доріжок, Ом; R3, R4 - активні опори мостової схеми, Ом; w0 - кутова частота напруги живлення, 1/с; C1, C2, C3, C4 - ємність конденсаторів 9, 10, 11 та 12, Ф; L1, L2, L3, L4 - індуктивність котушок 5, 6, 7 та 8, Гн; C_L12, C_L34 - внутрішня ємність котушок індуктивності 5, 6, 7 та 8, Ф; M12 - взаємна індуктивність котушок 5 та 6, Гн; M34 - взаємна індуктивність котушок 7 та 8, Гн; L1, L2, L3, L4 - індуктивність, яка привноситься наявністю екрана, Гн; M12, M34 - взаємна індуктивність, яка привноситься наявністю екрана, Гн. 30 ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 35 Індуктивно-ємнісний інтегральний датчик прискорення, що містить нерухомий корпус та масу, які утворюють між собою ємнісний зазор, пружні балки, які кріплять масу до корпуса; плоскі котушки індуктивності розміщені з двох боків маси, перпендикулярно до осі чутливості, та з двох боків всередині корпуса, перпендикулярно до осі чутливості, який відрізняється тим, що додатково містить екран, який розміщений всередині корпуса датчика або на внутрішній поверхні корпуса датчика, або на зовнішній поверхні корпуса датчика. 2 UA 74813 U 3 UA 74813 U Комп’ютерна верстка Л.Литвиненко Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 4