Індуктивно-ємнісний інтегральний датчик прискорення

Реферат: UA 78511 U UA 78511 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Корисна модель належить до вимірювальної техніки і може бути використана як первинний перетворювач у мікроелектромеханічних (MEMS) акселерометрах. Аналогами даної корисної моделі є [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 та вторинну обмотки, які об'єднано у магнітну систему осердям [Micro-machined accelerometer US 2003/0140699 Α1 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 варіанту [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 UA97773 від 12 березня 2012 p.]. Недоліками даного пристрою є мала інерційна маса, великі габаритні розміри, незначний вплив індуктивного перетворювача на вихідний сигнал. Задачею даної корисної моделі є збільшення інерційної маси, зменшення габаритних розмірів, підвищення впливу індуктивного перетворювача на вихідний сигнал, покращення метрологічних характеристик. Поставлена задача вирішується тим, що в інтегральному датчику прискорення, який складається з нерухомого корпусу, виготовленого, наприклад, літографією, та маси; пружних балок, які кріплять масу до корпусу; котушок індуктивності та обкладинок конденсаторів, розміщених на корпусі та масі, новим є те, що всередині інерційної маси 2 розміщена ділянка, яка виготовлена з феромагнітного матеріалу 13 (наприклад Фіг. 1). На Кресленні 1 показано головний розріз індуктивно-ємнісного інтегрального датчика прискорення з феромагнітним осердям. На Кресленні 2 показано місцевий розріз індуктивно-ємнісного інтегрального датчика прискорення з феромагнітним осердям. На Кресленні 3 показано місцевий розріз індуктивно-ємнісного інтегрального датчика прискорення з феромагнітним осердям 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).В середині інерційної маси розміщено ділянку з феромагнітного матеріалу 13 (наприклад Фіг. 1). 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. Густина феромагнітних матеріалів (наприклад пермалою) значно більша за густину матеріалів для виготовлення деталей мікроелектромеханічних компонентів (наприклад кремнію), тому феромагнітна ділянка 13 збільшує масу інерційної маси 2, що дозволяє зменшити габарити датчика та збільшити вихідний сигнал за рахунок збільшення переміщення інерційної маси. Наявність феромагнітного осердя дозволяє збільшити індуктивність котушок 5, 6, 7 та 8 на ΔL1, ΔL2, ΔL3, ΔL4 (що призводить до зміни амплітуди вихідного сигналу Uвих) та взаємну індуктивність між котушками 5, 6, 7 та 8 на ΔΜ12_фо, ΔΜ34_фо (що призводить 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 С 1 С2, С3 та 1 UA 78511 U 5 10 С4, що призводить до зміни амплітуди вихідного сигналу Uвих. Взаємне переміщення котушок індуктивності 5 та 6 викликає зміну їх основної взаємної індуктивності М 12 та взаємної індуктивності, викликаної наявністю феромагнітного осердя ΔΜ12_фо, що призводить до зміни індуктивного опору L12 та, як наслідок, амплітуди вихідної напруги Uвих. Взаємне переміщення котушок індуктивності 7 та 8 викликає зміну їх основної взаємної індуктивності М34 та взаємної індуктивності, викликаної наявністю феромагнітного осердя ΔΜ34_фо, що призводить до зміни індуктивного опору L34 та, як наслідок, амплітуди вихідної напруги Uвих. Індуктивні опори L12 та L34, при проведенні розрахунків електричних кіл, завжди мають протилежний знак з ємнісними опорами С12 та С34. Таким чином, при використанні, наприклад, мостової схеми ввімкнення, як показано формулою 1, наявність феромагнітного осердя призведе до зменшення знаменника рівняння 1 та збільшення амплітуди вихідного сигналу. Uв их  15 20 25 30 U0R 4 U0R3 ,  1 1 R2  R 4   jw 0L12 R1  R3   jw 0L34 jw 0C12 jw 0C34 (1) С12=С1+С2 С34=С3+С4 L12=L1+L2+ΔL1+ΔL2+2*M12+2*ΔΜ12_фо, L34=L3+L4+ΔL3+ΔL4+2*Μ34+2*ΔΜ34_фо, 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; С1, С2, С3, С4 - ємність конденсаторів 9, 10, 11 та 12, Ф; L1, L2, L3, L4 - індуктивність котушок 5, 6, 7 та 8, Гн; М12 - взаємна індуктивність котушок 5 та 6, Гн; М34 - взаємна індуктивність котушок 7 та 8, Гн; ΔL1, ΔL2, ΔL3, ΔL4 - індуктивність, яка привноситься наявністю феромагнітного осердя, Гн; ΔΜ12_фо - зміна взаємної індуктивності котушок 5 та 6, яка привноситься наявністю феромагнітного осердя, Гн; ΔΜ34_фо - зміна взаємної індуктивності котушок 7 та 8, яка привноситься наявністю феромагнітного осердя, Гн. ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 35 40 Індуктивно-ємнісний інтегральний датчик прискорення, що містить нерухомий корпус та масу, які утворюють між собою ємнісний зазор; упругі балки, які кріплять масу до корпусу; плоскі котушки індуктивності розміщені з двох боків маси, перпендикулярно до осі чутливості, та з двох боків всередині корпусу, перпендикулярно до осі чутливості, який відрізняється тим, що всередині інерційної маси розміщена ділянка з феромагнітного матеріалу. 2 UA 78511 U 3 UA 78511 U Комп’ютерна верстка А. Крижанівський 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