Індуктивно-ємнісний інтегральний датчик прискорення

Реферат: UA 78516 U UA 78516 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 [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 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 варіанту. [MEMS ACCELEROMETER HAVING FLUX CONCENTRATOR BETWEEN PARALLEL MAGNETS US2010/0170341 Al 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 великі габаритні розміри, незначний вплив індуктивного перетворювача на вихідний сигнал. Задачею даної корисної моделі є 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; плоских котушок індуктивності та обкладинок конденсаторів, розміщених на корпусі та масі, новим є те, що котушки індуктивності виготовлені у формі три-, чотири- або багатокутника (наприклад Фіг. 2, 3, 4). Використання плоских котушок індуктивності, які виконані у формі три-, чотири- або багатокутника, дозволяє контролювати чутливість датчика до перехресних прискорень, збільшувати площу, яка зайнята котушками індуктивності і, як наслідок, підвищується вплив індуктивного елемента на вихідний сигнал, покращуються метрологічні характеристики. На Фіг. 1 показано головний розріз індуктивноємнісного інтегрального датчика прискорення з плоскими котушками довільної форми. На Фіг. 2, 3, 4 показано місцевий розріз індуктивно-ємнісного інтегрального датчика прискорення з плоскими котушками у формі три-, чотири - та багатокутника. На Фіг. 4 показано місцевий розріз індуктивно-ємнісного інтегрального датчика прискорення з плоскими котушками довільної форми в динаміці. Інтегральний датчик для вимірювання прискорень містить (Фіг. 2, 3, 4) 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. 2,3,4). На корпусі розміщено обкладинки 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. 5). На Фіг. 6 показано один із варіантів ввімкнення плоских котушок індуктивності та ємнісних перетворювачів в схему вимірювання. Використання котушок три-, чотири- або багатокутної форми дозволяє значно краще використовувати площу поверхонь інерційної маси та корпусу, на яких розміщені котушки індуктивності, та збільшити кількість та довжину витків плоских котушок індуктивності. Це дозволяє збільшити індуктивність котушок 5, 6, 7 та 8 на L1, L 2, L3 , L 4 (що призводить до зміни амплітуди вихідного сигналу Uв их ) та взаємну індуктивність між котушками 5, 6, 7 та 8 на M12 _гр , M34 _ гр (що призводить до зміни амплітуди вихідного сигналу Uв их ). Переміщення обкладинок конденсаторів, які розміщено на масі, відносно нерухомих обкладинок, які розміщено на корпусі, викликає зміну ємнісних опорів конденсаторів C1, C2 , C3 та C 4 , що призводить до зміни амплітуди вихідного сигналу Uв их . Взаємне переміщення котушок індуктивності 5 та 6 викликає зміну їх основної взаємної індуктивності M12 1 UA 78516 U та взаємної індуктивності викликаної збільшенням геометричних розмірів M12 _ гр , що призводить до зміни індуктивного опору L12 та, як наслідок, амплітуди вихідної напруги Uв их . Взаємне переміщення котушок індуктивності 7 та 8 викликає зміну їх основної взаємної індуктивності M34 та взаємної індуктивності викликаної збільшенням геометричних розмірів 5 10 M34 _ фо , що призводить до зміни індуктивного опору L 34 та, як наслідок, амплітуди вихідної напруги Uв их . Індуктивні опори L12 та L 34 , при проведенні розрахунків електричних кіл, завжди мають протилежний знак з ємнісними опорами С12 та С 34 . Таким чином, при використанні, наприклад, мостової схеми ввімкнення, як показано формулою 1, використання котушок три-, чотири- або багатокутної форми призведе до зменшення знаменника рівняння 1 та збільшення амплітуди вихідного сигналу. U0R 4 U0R 3 , (1) Uв их   1 1 R2  R4  R1  R 3   jw 0L 34 jw 0 C12  jw 0L12 jw 0 C34 C12  C1  C2 , C34  C3  C 4 , L12  L1  L 2  L1  L 2  2 * M12  2 * M12 _ гр , L 34  L 3  L 4  L 3  L 4  2 * M34  2 * M34 _ гр 15 де: Uв их - напруга вихідного сигналу, В; U0 - напруга вхідного сигналу, В; 20 25 Гн; R1 , R 2 - активні опори котушок індуктивності, обкладинок конденсаторів та доріжок, Ом; R 3 , R 4 - активні опори мостової схеми, Ом; w 0 - кутова частота напруги живлення, 1/с; C1, C2 , C3 , C4 - ємність конденсаторів 9, 10, 11 та 12, Ф; L1,L 2 ,L 3 ,L 4 - індуктивність котушок 5, 6, 7 та 8, Гн; M12 - взаємна індуктивність котушок 5 та 6, Гн; M34 - взаємна індуктивність котушок 7 та 8, Гн; L1 , L 2 , L 3 , L 4 - індуктивність, яка привноситься збільшенням геометричних розмірів, M12 _ гр - зміна взаємної індуктивності котушок 5 та 6, яка привноситься збільшенням геометричних розмірів, Гн; M34 _ гр - зміна взаємної індуктивності котушок 7 та 8, яка привноситься збільшенням 30 геометричних розмірів, Гн; 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 корпусу; плоскі котушки індуктивності розміщені з двох боків маси, перпендикулярно до осі чутливості, та з двох боків в середині корпусу, перпендикулярно до осі чутливості, який відрізняється тим, що плоскі котушки виготовлені три-, чотири- або багатокутної форми. 2 UA 78516 U 3 UA 78516 U 4 UA 78516 U Комп’ютерна верстка В. Мацело 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 5