Індуктивно-ємнісний інтегральний датчик прискорення

Реферат: Інтегральний датчик прискорення містить котушки індуктивності, виготовлені плоскими з двох боків маси, перпендикулярно до осі чутливості, та з двох боків всередині корпусу, перпендикулярно до осі чутливості. Плоскі котушки розміщуються на корпусі і виготовлено таким чином, щоб при переміщенні маси вони не торкались плоских котушок, розміщених на масі. На масі та корпусі розміщено обкладки конденсаторів, які утворюють між собою ємнісний зазор. UA 97773 C2 (12) UA 97773 C2 UA 97773 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Винахід належить до вимірювальної техніки і може бути використаний як первинний перетворювач у мікроелектромеханічних (MEMS) акселерометрах. Аналогами даного винаходу є [MICRO-MACHINED ACCELEROMETER US2010/0307247 A1 від 09 грудня 2010 р.], 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 FORITS MANUFACTURE US 6,003,374 від 21 грудня 1999 р.], 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 2003/0140699A1 від 31 липня 2010 р.], 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 р.], 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. Найближчим аналогом даного винаходу є [MEMS ACCELEROMETER HAVING FLUX CONCENTRATOR BETWEEN PARALLEL MAGNETS US2010/0170341 A1 від 08 липня 2010 р.]. 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. Задачею даного винаходу є зменшення габаритних розмірів пластини, спрощення технологічного процесу виготовлення, зменшення впливу електромагнітних полів на роботу ємності, ланцюгів передачі та обробки інформації, спрощення схеми фільтрації та обробки даних, 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, розміщених на масі та корпусі, новим є те, що котушки індуктивності виготовлені плоскими з двох боків маси 5 та 7 (фіг. 1) та з двох боків всередині корпусу 6 та 8 (фіг. 1), перпендикулярно до осі чутливості; на масі та корпусі розміщено обкладинки конденсаторів, що утворюють ємнісний зазор. Плоскі котушки індуктивності виготовлено таким чином, щоб при переміщенні маси вони не торкались один одного: котушка, яка розміщена на масі, може входити у повітряний зазор між витками котушки, яка розміщена на корпусі, або знаходитись на достатній відстані від неї, щоб при максимальному переміщенні інерційної маси не торкатись котушки індуктивності, яка розміщена на корпусі. На фіг. 1 показано головний розріз індуктивно-ємнісного інтегрального датчика прискорення. На фіг. 2 показано місцевий розріз індуктивно-ємнісного інтегрального датчика прискорення. На фіг. 3 показано місцевий розріз індуктивно-ємнісного інтегрального датчика прискорення в динаміці. На фіг. 4 показано один із варіантів ввімкнення плоских котушок індуктивності в схему вимірювання. 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 обкладки ємнісних перетворювачів 9, 10, 11, 12 та дві котушки індуктивності 5 та 7 (Фіг. 2). На корпусі розміщено обкладки ємнісних перетворювачів 9, 10, 11, 12 та дві котушки індуктивності 6 та 8 (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. Переміщення обкладок конденсаторів, які розміщено на масі, відносно нерухомих обкладок, які розміщено на корпусі, викликає зміну ємнісних опорів конденсаторів C1, С2, С3 та С4, що приводить до зміни амплітуди вихідного сигналу U вих. Взаємне переміщення котушок індуктивності 5 та 6 викликає зміну їх взаємної індуктивності М 12, що приводить до зміни індуктивного опору L12 та, як наслідок, амплітуди вихідної напруги Uвих. 1 UA 97773 C2 5 Взаємне переміщення котушок індуктивності 7 та 8 викликає зміну їх взаємної індуктивності М 34, що приводить 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, ввімкнення плоских котушок індуктивності до схеми вимірювання зміни ємності ємнісного перетворювача призведе до зменшення знаменника рівняння 1 та збільшення амплітуди вихідного сигналу. Uвих = U0R 4 U0R 3 , 1 1 R 2+R 4 + -jw 0L12 R1+R3+ -jw 0L 34 jw0C12 jw0C34 С12=С1+С 2 , С34=С3+С 4, (1) L12=L1+L 2+2*M12, L 34=L 3+L 4+2*M34, 10 15 де: Uвих - напруга вихідного сигналу, В; U0 - напруга вхідного сигналу, В; R1, R2 - активні опори котушок індуктивності, обкладок конденсаторів та доріжок, Ом; R3, R4 - активні опори мостової схеми, Ом; w0 - кутова частота напруги живлення, 1/с; C1, 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. ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 20 25 Інтегральний датчик прискорення, який складається з нерухомого корпусу та маси; пружних балок, які кріплять масу до корпусу, котушок індуктивності, розміщених на масі та корпусі, який відрізняється тим, що котушки індуктивності (5, 7; Фіг. 2) виготовлені плоскими з двох боків маси, перпендикулярно до осі чутливості та з двох боків (6, 8; Фіг. 2) всередині корпусу, перпендикулярно до осі чутливості, таким чином, щоб при переміщенні маси вони не торкались одна одної (Фіг.1,3), причому на масі (9, 10, 11, 12; фіг. 2) та корпусі розміщено обкладки конденсаторів, які між собою утворюють ємнісний зазор. 2 UA 97773 C2 3 UA 97773 C2 Комп’ютерна верстка Л. Ціхановська 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