close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

Патент BY5534

код для вставкиСкачать
ОПИСАНИЕ
ИЗОБРЕТЕНИЯ
К ПАТЕНТУ
РЕСПУБЛИКА БЕЛАРУСЬ
BY (11) 5534
(13) C1
(19)
7
(51) G 01L 1/22
(12)
НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР
ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ
СОБСТВЕННОСТИ
(54)
ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИЙ МИКРОДАТЧИК СИЛЫ
(21) Номер заявки: a 20001155
(22) 2000.12.26
(46) 2003.09.30
(71) Заявитель: Государственное научное
учреждение "ИНСТИТУТ ЭЛЕКТРОНИКИ НАЦИОНАЛЬНОЙ АКАДЕМИИ НАУК БЕЛАРУСИ" (BY)
(72) Авторы: Ефремов Георгий Игнатьевич;
Мухуров Николай Иванович (BY)
(73) Патентообладатель: Государственное научное учреждение "ИНСТИТУТ ЭЛЕКТРОНИКИ НАЦИОНАЛЬНОЙ АКАДЕМИИ НАУК БЕЛАРУСИ" (BY)
BY 5534 C1
(57)
1. Электромеханический микродатчик силы, содержащий жесткое основание, закрепленные на нем одними концами симметричные упругие держатели и упругую пластину с
электрочувствительным слоем между ними, отличающийся тем, что он содержит второе
жесткое основание, на котором закреплены вторые концы упругих держателей, при этом
оба основания, упругие держатели и пластина сформированы как одно единое целое из
диэлектрической платы, в которой упругие держатели выполнены в виде, по меньшей мере, одной пары дугообразных или V-образных стержней, стрелки которых направлены в
противоположные относительно продольной оси симметрии электромеханического микродатчика стороны, при этом пластина выполнена в виде одного или нескольких дугообразных или V-образных стержней со стрелкой, размещенных между средними частями
ближних к продольной оси симметрии стержней держателей, а на внешние и внутренние
перпендикулярные плоскостям электромеханического микродатчика стороны держателей
и пластин или части их сторон нанесены два изолированных друг от друга электрочувствительных слоя.
Фиг. 1
BY 5534 C1
2. Микродатчик по п. 1, отличающийся тем, что содержит две или более пары стрежней держателей, причем их средние части, расположенные с одной стороны продольной
оси симметрии электромеханического микродатчика, жестко соединены между собой.
3. Микродатчик по пп. 1 или 2, отличающийся тем, что стрелки упругих держателей
направлены наружу от продольной оси симметрии электромеханического микродатчика,
их величина hд равна
hд = (0,55…1,00)tд + Vд,
где tд - толщина прогиба держателей под действием приложенной внешней силы;
Vд - стрела прогиба держателей под действием приложенной внешней силы;
а величина стрелок пластин hп равна
hп = (0,55…1,00)tп,
где tп - толщина прогиба пластин под действием приложенной внешней силы.
4. Микродатчик по пп. 1 или 2, отличающийся тем, что стрелки упругих держателей
направлены наружу от продольной оси симметрии электромеханического микродатчика,
их величина равна
hд = (0,55…1,00)tд,
а величина стрелок пластин равна
hп = (0,55…1,00)tп + Vп,
где Vп - стрела прогиба пластин под действием приложенной внешней силы.
5. Микродатчик по пп. 1 или 2, отличающийся тем, что стрелки упругих держателей
направлены внутрь к оси симметрии электромеханического микродатчика, их величина
равна
hд = (0,55…1,00)tд,
а величина стрелок пластин равна
hп = (0,55…1,00)tп + Vп.
6. Микродатчик по пп. 1 или 2, отличающийся тем, что стрелки упругих держателей
направлены внутрь к оси симметрии электромеханического микродатчика, их величина
равна
hд = (0,55…1,00)tд,
а величина стрелок пластин равна
hп = (0,55…1,00)tп.
(56)
DE 3833158 A1, 1990.
DE 3814054 A1, 1989.
DE 3306729 A1, 1984.
RU 2105275 C1, 1998.
DE 3330879 A1, 1985.
DE 3103015 A1,1982.
DE 3150143 A1, 1983.
Изобретение относится к механике, электротехнике, автоматике и может быть использовано для измерения растягивающих и сжимающих сил и давлений, а также микроперемещений в системах контроля и регулировки силовых параметров в технологических процессах и режимах эксплуатации энергетических установок.
Известен чувствительный элемент [1], реагирующий на воздействие силы, состоящий
из корпуса в форме квадратной рамки и подвижного элемента квадратной формы. Подвижный элемент находится внутри квадратной рамки, а стороны подвижного элемента
повернуты на определенный угол по отношению к сторонам квадратной рамки. Подвижный элемент соединяется с квадратной рамкой четырьмя несущими элементами, которые
2
BY 5534 C1
выходят под прямым углом из стенок квадратной рамки, а затем поворачиваются под углом к стенкам подвижного элемента. Квадратная рамка, подвижный элемент и несущие
элементы изготовлены из монокристаллического полупроводникового материала. Несущие элементы значительно тоньше, чем квадратная рамка и подвижный элемент и на них
возле стенок квадратной рамки выполнены тензометрические датчики, соединенные по
электрической схеме моста. Под действием силы, направленной перпендикулярно к плоскости квадратной рамки, подвижный элемент перемещается, изгибая несущие элементы и
деформируя размещенные на них тензодатчики, изменение электросопротивления которых в связи с малой площадью последних выражается очень незначительной абсолютной
величиной.
Данный чувствительный элемент не может выполнять измерения малых усилий с высокой точностью, т.к. внутренние механические напряжения в тензодатчиках, возникающие при их формировании, погрешность расположения приводят к изменению их первоначального сопротивления, соизмеримому с тем, которое возникает в стадии начального
прогиба несущих элементов под нагрузкой.
Известен силовой сенсор [2], предназначенный для измерения давления и сжимающего или растягивающего усилия. Он включает в себя сенсорный и опорный элементы и
электронную микросхему обработки сигнала, смонтированные на едином кремниевом основании и выполненные по принципам пленочной микромеханической техники (ОММ Technik). Сенсорный элемент состоит из жесткой плоской электропроводящей подложки и
закрепленной над ней в изолирующем оксидном слое упругой поликремниевой дискообразной мембраны. Объем, заключенный между подложкой и мембраной, герметично изолирован от внешней среды и может быть вакуумирован или заполнен газом. Мембрана и
подложка соединены раздельными контактными дорожками с микросхемой обработки
сигнала. Аналогично выполнен опорный элемент, но вместо гибкой мембраны в нем предусмотрена жесткая крышка. При воздействии внешней нагрузки мембрана сенсорного
элемента прогибается, в то время как компоненты опорного элемента остаются неизменными. Сигнал о деформации мембраны в микросхеме обработки сопоставляется с данными опорного элемента и передается в исполняющую аппаратуру для выполнения заданной
программы. Предусматривается, что чувствительными параметрами, сигнализирующими
о деформации мембраны, могут быть изменение емкости, являющейся следствием увеличения или уменьшения межэлектродного промежутка между электропроводящей мембраной и подложкой, или изменение электрического сопротивления нанесенных на диэлектрическую мембрану тензодатчиков.
Данный силовой сенсор не может с высокой точностью измерять малые усилия в результате разброса механических свойств мембраны и ее деформации при сборке сенсорного элемента.
Наиболее близким по технической сущности является бистабильный датчик изгиба [3]
с пьезоэлектрическим фольговым элементом, расположенным между концами двух упругих держателей в виде плоских пружин. Другие концы держателей закреплены в жестком
основании. При воздействии на один из держателей механического усилия фольговый
элемент прогибается в ту или другую сторону перпендикулярно своей плоскости до ограничивающих упоров. Стрела прогиба фольгового элемента значительно превышает прогиб держателя, следовательно в этой конструкции деформирование чувствительного
фольгового элемента, а значит и точность измерения повышаются. Но это, в основном,
относится только к тем усилиям, которые превышают критическую нагрузку, приводящую к потере фольговым элементом устойчивости.
Данный бистабильный датчик изгиба не может выполнять измерение малых усилий с
высокой точностью.
Технической задачей изобретения является повышение точности измерения малых
усилий за счет резкого увеличения деформирования чувствительного слоя с нулевого значения прилагаемого усилия.
3
BY 5534 C1
Решение технической задачи достигается тем, в электромеханическом микродатчике
силы, содержащем жесткое основание, закрепленные на нем одними концами симметричные упругие держатели и упругую пластину с электрочувствительным слоем между ними,
он содержит второе жесткое основание, на котором закреплены вторые концы упругих
держателей, при этом оба основания, упругие держатели и пластина сформированы как
одно единое целое из диэлектрической платы, в которой упругие держатели выполнены в
виде, по меньшей мере, одной пары дугообразных или V-образных стержней, стрелки которых направлены в противоположные относительно продольной оси симметрии электромеханического микродатчика стороны, при этом пластина выполнена в виде одного
или нескольких дугообразных или V-образных стержней со стрелкой, размещенных между средними частями ближних к продольной оси симметрии держателей, а на внешние и
внутренние перпендикулярные плоскостям электромеханического микродатчика стороны
держателей и пластин или части сторон нанесены два изолированных друг от друга электрочувствительных слоя.
При этом микродатчик содержит две и более пары стержней держателей, причем их
средние части, расположенные с одной стороны продольной оси симметрии электромеханического микродатчика, жестко соединены между собой. Оптимальный вариант для конкретного применения достигается, когда:
стрелки упругих держателей направлены наружу от продольной оси симметрии электромеханического микродатчика, их величина hд равна hд = (0,55...1,00)tд + Vд, где tд толщина прогиба держателей под действием приложенной внешней силы, Vд - стрела прогиба держателей под действием приложенной внешней силы, а величина стрелок пластин
hп равна hп = (0,55...1,00)tп, где tп - толщина прогиба пластин под действием приложенной
внешней силы;
стрелки упругих держателей направлены наружу от продольной оси симметрии электромеханического микродатчика, их величина равна hд = (0,55...1,00)tд, а величина стрелок
пластин равна hп = (0,55...1,00)tп + Vп, где Vп - стрела прогиба пластин под действием приложенной внешней силы;
стрелки упругих держателей направлены внутрь к оси симметрии электромеханического микродатчика, их величина равна hд = (0,55...1,00)tд, а величина стрелок пластин
равна hп = (0,55...1,00)tп + Vп;
стрелки упругих держателей направлены внутрь к оси симметрии электромеханического микродатчика, их величина равна hд = (0,55...1,00)tд, а величина стрелок пластин
равна hп = (0,55...1,00)tп.
Предложенные особенности конструкции позволяют за счет увеличения передаточного отношения между изменением входных параметров (смещением основания) и изменением выходных параметров (стрелы прогиба пластин) существенно повысить деформацию несущих электрочувствительные слои элементов микродатчика, что обеспечивает в
комплексе с большой протяженностью электрочувствительных слоев высокую точность
измерения при малых значениях воздействующих сил как растяжения, так и сжатия.
Сущность изобретения поясняется фиг. 1, 2, 3, 4, 5.
На фиг. 1 представлен вид сверху на вариант электромеханического микродатчика силы с двумя парами держателей и двумя пластинами, на которой:
1 - основание,
2 - держатель,
3 - пластина,
4 - внутренняя сторона сечения,
5 - внешняя сторона сечения,
6, 7 - электрочувствительные слои,
8 - паз,
9, 10 - контактные площадки.
4
BY 5534 C1
Фиг. 2 - Схема электромеханического микродатчика сил растяжения в широком диапазоне.
Фиг. 3 - Схема электромеханического микродатчика сил сжатия в широком диапазоне.
Фиг. 4 - Схема электромеханического микродатчика сил растяжения в узком диапазоне с повышенной разрешающей способностью.
Рис. 5 - Схема электромеханического микродатчика сил сжатия в узком диапазоне с
повышенной разрешающей способностью.
Электромеханический микродатчик силы (фиг. 1) состоит из двух оснований 1 и расположенных между ними симметрично продольной оси электромеханического микродатчика двух пар держателей 2. Расположенные с одной стороны оси держатели 2 жестко соединены между собой в средних частях, между средними частями ближних к продольной
оси симметрии держателей размещены пластины 3. Основания 1, держатели 2, пластины 3
сформированы из одной цельной платы. Держатели 2 и пластины 3 выполнены в виде дугообразных или V-образных стержней, ширина которых равна толщине платы, а толщина
меньше толщины платы, что обеспечивает гибкость стержней и их прогиб в плоскости
электромеханического микродатчика. Количество пар держателей 2 и пластин 3 может
быть равно единице и более.
Оптимальное число определяется конкретными условиями работы электромеханического микродатчика и тем, что держатели 2 в сумме должны иметь жесткость больше, чем
пластины 3, чтобы деформировать пластины 3. Для увеличения усилия, воздействующего
на пластины 3, средние части держателей 2, расположенных с каждой стороны продольной оси симметрии, соединены между собой.
На внутренних сторонах сечения 4 и внешних сторонах сечения 5 держателей 2 и пластин 3 сформированы изолированные друг от друга электрочувствительные слои 6 и 7,
соответственно. Изоляция обеспечивается за счет пазов 8 и выполнения соединений на
противоположных плоскостях оснований 1. На основаниях 1 на концах слоев на разных
плоскостях размещены контактные площадки 9 и 10.
Для конкретных условий работы электромеханического микродатчика предусмотрены
следующие оптимальные варианты комбинаций исходных направлений стрелок держателей 2 и соотношения величин стрелок держателей 2 и пластин 3:
для электромеханического микродатчика сил растяжения в широком диапазоне: максимальная величина стрелок hд держателей 2, направленных в противоположные стороны
от оси симметрии, равна hд = (0,55...1,00)tд + Vд при минимальной величине стрелки hп
пластины 3, равной hп = (0,55...1,00)tп (фиг. 2);
для электромеханического микродатчика сил сжатия в широком диапазоне: минимальная величина стрелок hд держателей 2, направленных в противоположные стороны от
оси симметрии, равна hд = (0,55...1,00)tд, при максимальной величине стрелки hп пластины
3, равной hп = (0,55...1,00)tп + Vп (фиг. 3);
для электромеханического микродатчика сил растяжения в узком диапазоне: максимальная величина стрелок hд держателей 2, направленных к оси симметрии, равна
hд = (0,55...1,00)tд + Vд при максимальной величине стрелки hп пластины 3, равной
hп = (0,55...1,00)tп + Vп (фиг. 4);
для электромеханического микродатчика сил сжатия в узком диапазоне: минимальная
величина стрелок hд держателей 2, направленных к оси симметрии, равна hд = (0,55...1,00)tд
при минимальной величине стрелки hп пластины 3, равной hп = (0,55...1,00)tп (фиг. 5).
Предложенные сочетания позволяют получить наибольшие значения передаточного
отношения величины стрелы прогиба к смещению концов держателей и пластин, которое,
как известно, имеет место при минимальной кривизне дуг, и деформации сторон упругих
элементов электромеханического микродатчика.
Минимальная величина стрелок определена из условия возможности прогиба стержня
при приложении заданного минимального усилия, причем в нужном направлении, поэто5
BY 5534 C1
му она составляет 0,55...1,00 толщины стержня, т.е. более половины его толщины. Это
обеспечивает наличие плеча изгибающего момента в исходном состоянии, т.е. до приложения сил. Максимальная величина стрелок определяется суммой прогиба, являющегося
следствием геометрических параметров стержней, механических свойств материала (в частности, предела упругости), диапазона внешних нагрузок и минимальной величины
стрелки. Это соотношение гарантирует использование стержней в зоне минимальной кривизны, т.е. максимального передаточного отношения, и при этом исключает переход распрямляемых стержней в прямолинейную форму, чреватую их разрушением. Соединения
стержней между собой и с основаниями 1 при расчете величины прогибов Vд и Vп традиционными методами теории упругости могут рассматриваться как шарнирные, поскольку
стержни обладают большой длиной и гибкостью.
Элементы электромеханического микродатчика могут быть изготовлены из анодного
оксида алюминия, алюмооксидная технология которого, основанная на электрохимических операциях и фотолитографических процессах микроэлектроники, обеспечивает получение требуемой конфигурации деталей с прецизионной точностью. Электрочувствительные слои и контактные площадки могут быть сформированы методами плазменного
распыления.
Электромеханический микродатчик силы работает следующим образом.
При приложении нагрузки к основанию микродатчика держатели 2 под действием
внешней силы Р и реактивной силы R, создающих благодаря наличию плеча изгибающий
момент даже при самой малой нагрузке, деформируются, основания 1 сближаются на величину ∆s, стрелка держателей 2 возрастает (фиг. 1). Благодаря малой кривизне держателей 2 изменение величины стрелки ∆hд значительно превосходит сближение концов держателей 2.
Смещаясь, средние части держателей 2 распрямляют пластины 3, что в связи с малой
кривизной пластин 3 приводит к изменению hп, намного превосходящему ∆hд.
Двухступенчатое увеличение изменения расстояния между основаниями 1, например,
при длине держателей 2 и пластин 3, равной 5 мм, обеспечивает получение передаточного
отношения ∆hп/∆s при ∆s = 0,025 мм в диапазоне 200...40.
Растяжение одних сторон держателей 2 и пластин 3 и сжатие других, а следовательно
и нанесенных на них электрочувствительных слоев 6 и 7 происходит соответственно стреле прогиба. Абсолютную величину изменения параметров электрочувствительных слоев 6
и 7 из-за деформаций увеличивает большая протяженность чувствительных элементов,
располагаемых как на пластинах 3, так и на держателях 2. В результате существенно повышается чувствительность деформируемой системы. Изменение параметров слоев через
контактные площадки 9 и 10 поступает в управляющую электронную аппаратуру, где чувствительные слои могут быть включены как плечи мостовой схемы.
В микродатчиках по фиг. 2 сочетаются держатели максимальной, а пластины с минимальной стрелками и, наоборот, на фиг. 3. При выпрямлении одних другие, наоборот,
прогибаются больше, это обеспечивает относительную равномерность передаточного отношения в достаточно широком диапазоне.
В микродатчиках растяжения по фиг. 4 держатели и пластины выполнены с максимальной величиной стрелок, в микродатчиках сжатия по фиг. 5 - с минимальной. При этих
сочетаниях изменение кривизны идет в едином направлении, что резко повышает величину передаточного отношения, но при этом возрастает его градиент. Это обеспечивает повышенную точность измерений, но в более узком диапазоне.
6
BY 5534 C1
Источники информации:
1. Заявка ФРГ 3814054, МПК4 G 01D 5/12, G 01B 7/16.
2. Заявка ФРГ 19753874, МПК6 G 01L 9/00.
3. Заявка ФРГ 3833158, МПК4 H 01L 41/08.
Фиг. 2
Фиг. 3
Фиг. 4
Фиг. 5
Национальный центр интеллектуальной собственности.
220034, г. Минск, ул. Козлова, 20.
Документ
Категория
Без категории
Просмотров
0
Размер файла
319 Кб
Теги
by5534, патент
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа