магнитоэлектрический преобразователь силы

Формула изобретения

Магнитоэлектрический преобразователь силы, включающий маятниковый узел, выполненный из единого монокристалла кремния и содержащий подвижный элемент на упругих подвесах и опорную рамку, из которой выходят упругие подвесы, с контактными площадками и прорезью, постоянный магнит и магнитопроводы, в зазоре которых находится подвижный элемент и постоянный магнит, отличающийся тем, что маятниковый узел изготовлен из проводящего кремния, в центре подвижного элемента выполнено отверстие, в котором с зазором помещен постоянный магнит, а в опорной рамке выполнена дополнительная прорезь.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к измерительной технике и может применяться для силового управления чувствительными массами микромеханических датчиков, например акселерометров, гироскопов или датчиков давления.

Известен магнитоэлектрический преобразователь силы [1], применяемый в акселерометре КАМ, который содержит чувствительный элемент, состоящий из рамки-маятника и торсионного подвеса, интегрально изготовленных из аморфного плавленного кварца SiO₂. Торсионный подвес рамки состоит из двух кварцевых металлизированных струн, работающих на кручение. Подвижный узел базируется на жестком основании из SiO₂, закрепленном на корпусе прибора (сплав 29НК) массивным хомутом. Рамка с металлизацией - напыление алюминия с 3-х сторон (верхняя часть без напыления). Магнитная система состоит из двух магнитов из кобальт-самариевого сплава CoSm, установленных на магнитопровод, в рабочем зазоре системы движется металлизированная планка подвижного узла, таким образом реализован одновитковый датчик момента. Демпфирование подвижного узла - контурное, посредством электрического КУ (корректирующего устройства).

Недостатком данного преобразователя является большая вибрационная погрешность из-за отсутствия демпфирования по неизмерительным осям, нестабильность упругих свойств торсионов, наличие вредных моментов вследствие наличия металлизации на торсионах и их конструктивного исполнения.

Известен также магнитоэлектрический преобразователь силы [2], применяемый в акселерометре КА-400, который содержит маятниковый узел, выполненный из единой пластины монокристалла кремния и содержащий подвижную лопасть на упругом подвесе и опорную рамку. Прибор имеет две магнитные системы, каждая их которых включает магнитопровод, постоянный магнит и полюсный наконечник. Две катушки датчика момента с выводами расположены каждая в зазоре соответствующей магнитной системы и закреплены на соответствующих сторонах подвижной лопасти. Маятниковый узел акселерометра имеет гибкие токоподводы для подключения катушек датчика момента. В опорной рамке акселерометра выполнена прорезь для устранения влияния деформации корпусных деталей на стабильность нулевого сигнала.

Недостатком данного преобразователя также является его конструктивная сложность, вызванная необходимостью иметь катушки датчика момента, и отсюда низкая надежность. Кроме того, электрический контакт между катушками и рамкой обеспечивается за счет введения гибких токоподводов, что не только технологически сложно, но и приводит к "тяжению" упругих подвесов, т.е. возникновению на них вредных моментов, которые ведут к деформации упругого подвеса, а следовательно, к снижению точности.

Задачами, на решение которых направлено изобретение, являются упрощение конструкции преобразователя силы, повышение его надежности и точности датчика, в котором он используется.

Для достижения этих технических результатов в магнитоэлектрическом преобразователе силы, содержащем маятниковый узел, выполненный из единого монокристалла кремния и содержащий подвижный элемент на упругих подвесах и опорную рамку, из которой выходят упругие подвесы, с контактными площадками и прорезью, постоянный магнит и магнитопроводы, в зазоре которых находится подвижный элемент и постоянный магнит, маятниковый узел изготовлен из проводящего кремния, в центре подвижного элемента выполнено отверстие, в котором с зазором помещен постоянный магнит, а в опорной рамке выполнена дополнительная прорезь.

Отличительными признаками заявленного решения является выполнение маятникового узла преобразователя из проводящего низкоомного кремния, благодаря чему отпадает необходимость в использовании любых токоподводов (гибких, как в прототипе, или в виде металлических дорожек на упругом подвесе, что также широко распространено), что упрощает устройство и позволяет использовать в качестве токоподводов сам маятниковый узел. Кроме того, отпадает необходимость в использовании катушек, т.к. роль возвращающей обмотки может выполнять сам подвижный элемент, обладающий электропроводностью и находящийся в зазоре магнитопроводов, причем отверстие в центре подвижного элемента служит для установки постоянного магнита. Прорези (основная и дополнительная) служат для электрического разделения рамки на две отдельные части, каждая из которых имеет свою контактную площадку для подвода управляющего напряжения.

Предлагаемый магнитоэлектрический преобразователь силы иллюстрируется чертежами, представленными на фиг.1-3.

Фиг. 1 и 2 относятся к варианту, когда предложенный преобразователь работает в составе микроэлектромеханического гироскопа, а на фиг.3 - вариант реализации предложенного преобразователя в составе микроэлектромеханического акселерометра. Обозначение позиций чертежа на фиг.1-3 сквозные и одинаковые позиции обозначены одинаковыми цифрами. На фиг.1 показан вид предлагаемого магнитоэлектрического преобразователя в разрезе, а на фиг.2 и 3 - его вид в плане.

Магнитоэлектрический преобразователь силы содержит магнитопровод 1 из электротехнической стали (на фиг.2 и 3 условно не показан). Маятниковый узел преобразователя выполнен из единого монокристалла проводящего низкоомного кремния и содержит подвижный элемент 3, упругие подвесы 7 и опорную рамку 4. Подвижный элемент 3 с помощью упругих подвесов 7 крепится к опорной рамке 4. На опорной рамке 4 имеются контактные площадки 6, служащие для подвода управляющего напряжения U_упр. В подвижном элементе 3 выполнено сквозное отверстие 9, в котором с зазором помещен постоянный магнит 2, изготовленный, например, из кобальт-самариевого сплава. Подвижный элемент 3 выполняет одновременно роль возвращающей обмотки преобразователя и помещен в зазоре магнитопровода 1. Маятниковый узел преобразователя своей опорной рамкой 4 крепится к стеклянному основанию 5 прибора с помощью электростатической сварки. Опорная рамка 4 электрически разделяется на две части с помощью выполненных в ней травлением прорезей 8, причем в каждой части рамки 4 имеется своя контактная площадка 6.

Для описания работы предложенного преобразователя в составе микрогироскопа (фиг. 2) рассмотрим случай линейного перемещения подвижного элемента 3 под действием электромагнитной силы F. Пусть управляющий ток j течет по направлению стрелок, тогда электромагнитная сила F будет перемещать подвижный элемент 3 в направлении стрелки справа налево (правило левой руки). Величина силы F определяется формулой

F = BIL,

где В - магнитная индукция в зазоре магнитопровода 1;

I - сила тока, текущего по цепи нижняя контактная площадка 6 - подвесы 7 - подвижный элемент 3 - подвесы 7 - верхняя контактная площадка 6;

L - длина части подвижного элемента 3, находящейся в зазоре магнитопровода 1.

Для описания работы преобразователя в составе микроакселерометра (фиг.3) также рассмотрим случай линейного перемещения подвижного элемента (маятника) 3 под действием электромагнитной силы F. Предположим, что управляющий ток j течет по направлению, указанному на фиг.3 стрелкой, тогда сила F (сила Лоренца), действующая на проводник с током, будет направлена, как показано на чертеже (правило левой руки). При этом сила F будет создавать момент

М = Fl = BILl,

где В - магнитная индукция в зазоре магнитопровода 1;

I - сила тока, текущего по цепи;

L - длина проводника, находящегося в зазоре;

l - плечо подвижного элемента (маятника) 3.

Таким образом, выполнение маятникового узла из проводящего кремния и размещение магнита в центральном отверстии подвижного элемента позволило упростить конструкцию преобразователя за счет исключения токоподводов и компенсирующей обмотки и за счет этого повысить его надежность.

Источники информации

1. В.Е. Мельников, В.А. Романцов. Основы расчета статических и динамических характеристик кварцевых акселометров. Учебное пособие. - М., 1982.

2. Акселерометр КА-400, описан в статье С.Ф. Коновалова, Т.К. Лаптева и др. "Опыт разработки навигационных приборов на базе монокристалла кремния". Журнал "Микросистемная техника", 2001, 4, с.22 (прототип).