ИНТЕГРАЛЬНЫЙ МИКРОМЕХАНИЧЕСКИЙ АКСЕЛЕРОМЕТР-КЛИНОМЕТР Российский патент 2006 года по МПК G01P15/02 

Изобретение относится к области измерительной и микросистемной техники, а более конкретно к интегральным измерительным элементам величин ускорения и угла наклона.

Известен интегральный микромеханический акселерометр [A.Selvakumar, F.Ayazi, K.Najafi, A High Sensitivity Z-Axis Torsional Silicon Accelerometer, Digest, IEEE International Electron Device Meeting (IEDM'96), San Francisco, CA, December 1996, p.765, fig.1a], содержащий диэлектрическую подложку и инерционную массу, расположенную с зазором относительно диэлектрической подложки, выполненную в виде пластины с гребенчатой структурой с одной стороны из полупроводникового материала и связанную с подложкой с помощью упругих балок, выполненных из полупроводникового материала, которые одними концами жестко соединены с инерционной массой, а другими - с опорами, выполненными из полупроводникового материала и расположенными непосредственно на диэлектрической подложке, неподвижный электрод емкостного преобразователя перемещений с гребенчатой структурой с одной стороны, выполненный из полупроводникового материала и расположенный на диэлектрической подложке с зазором относительно инерционной массы так, что образует плоский конденсатор в плоскости ее пластины через боковые зазоры и взаимопроникающие друг в друга гребенки электродов.

Данный акселерометр позволяет измерять величину ускорения вдоль оси Z, направленной перпендикулярно плоскости подложки акселерометра.

Признаками аналога, совпадающими с существенными признаками, являются инерционная масса, упругие балки, выполненные из полупроводникового материала и расположенные с зазором относительно подложки, опоры, выполненные из полупроводникового материала и расположенные непосредственно на подложке, неподвижный электрод емкостного преобразователя перемещений с гребенчатой структурой с одной стороны, выполненный из полупроводникового материала и расположенный непосредственно на подложке.

Причинами, препятствующими достижению технического результата, является невозможность измерения величины ускорения вдоль двух взаимно перпендикулярных осей Х и Y, расположенных в плоскости подложки и угла наклона инерционной массы относительно линии горизонта.

Функциональным аналогом заявляемого объекта является интегральный микромеханический акселерометр [J.W.Weigold, K.Najafi, S.W.Pang, Design and Fabrication of Submicrometer, Single Crystal Si Accelerometer, Journal of Microelectromechanical Systems, vol.10, №4, 2001, p.520, fig.2], содержащий полупроводниковую подложку и инерционную массу, расположенную с зазором относительно подложки, выполненную в виде пластины с матрицей прямоугольных отверстий и гребенчатыми структурами из полупроводникового материала, и связанную с полупроводниковой подложкой с помощью упругих балок, выполненных из полупроводникового материала, которые одними концами жестко соединены с инерционной массой, а другими - с опорами, выполненными из полупроводникового материала и расположенными непосредственно на подложке, и два неподвижных электрода, выполненных из полупроводникового материала с гребенчатыми структурами и расположенных непосредственно на подложке с зазором относительно инерционной массы так, что образуют плоские конденсаторы в плоскости ее пластины через боковые зазоры и взаимопроникающие друг в друга гребенки электродов, используемые в качестве емкостных преобразователей перемещений.

Данный акселерометр позволяет измерять величину ускорения вдоль оси X, расположенной в плоскости подложки.

Признаками аналога, совпадающими с существенными признаками, являются полупроводниковая подложка, инерционная масса, упругие балки, выполненные из полупроводникового материала и расположенные с зазором относительно подложки, опоры, выполненные из полупроводникового материала и расположенные непосредственно на подложке, неподвижные электроды емкостных преобразователей перемещений с гребенчатыми структурами, выполненные из полупроводникового материала и расположенные непосредственно на полупроводниковой подложке.

Причинами, препятствующими достижению технического результата, является невозможность измерения величины ускорения вдоль осей Z, направленной перпендикулярно плоскости подложки акселерометра, и Y, расположенной перпендикулярно оси Х в плоскости подложки акселерометра, а также угла наклона инерционной массы относительно линии горизонта.

Из известных наиболее близким по технической сущности к заявляемому объекту является интегральный микромеханический акселерометр [M.A.Lernkin, B.E.Boser, D.Auslander, J.H.Smith, A 3-Axis Force Balanced Accelerometer Using a Single Proof-Mass, International Conference on Solid-State Sensors and Actuators (Transducers'97), Chicago, June 16-19, 1997, р.1186, fig.1], содержащий полупроводниковую подложку с расположенным на ней неподвижным электродом, выполненным из полупроводникового материала, и инерционную массу, расположенную с зазором относительно подложки, выполненную в виде пластины из полупроводникового материала, образующую с неподвижным электродом плоский конденсатор за счет их полного перекрытия, используемый в качестве емкостного преобразователя перемещений, и связанную с полупроводниковой подложкой с помощью упругих балок, выполненных из полупроводникового материала, которые одними концами жестко соединены с инерционной массой, а другими - с опорами, выполненными из полупроводникового материала и расположенными непосредственно на подложке, и неподвижные электроды, выполненные из полупроводникового материала с гребенчатыми структурами и расположенные непосредственно на подложке с зазором относительно инерционной массы так, что образуют плоские конденсаторы в плоскости ее пластины через боковые зазоры и взаимопроникающие друг в друга гребенки электродов, используемые в качестве емкостных преобразователей перемещений.

Данный акселерометр позволяет измерять величину ускорения вдоль осей Х и Y, расположенных взаимно перпендикулярно в плоскости подложки, и оси Z, направленной перпендикулярно плоскости подложки.

Признаками аналога, совпадающими с существенными признаками, являются полупроводниковая подложка, инерционная масса, упругие балки, выполненные из полупроводникового материала и расположенные с зазором относительно подложки, опоры, выполненные из полупроводникового материала и расположенные непосредственно на подложке, неподвижные электроды емкостных преобразователей перемещений, выполненные из полупроводникового материала и расположенные на полупроводниковой подложке.

Причиной, препятствующей достижению технического результата, является невозможность измерения угла наклона инерционной массы относительно линии горизонта.

Задачей предлагаемого изобретения является возможность измерения величины ускорения вдоль осей Х и Y, расположенных взаимно перпендикулярно в плоскости подложки, и оси Z, направленной перпендикулярно плоскости подложки, а также угла наклона инерционной массы относительно линии горизонта.

Технический результат, достигаемый при осуществлении предлагаемого изобретения, заключается в возможности измерения величины ускорения вдоль осей Х и Y, расположенных взаимно перпендикулярно в плоскости подложки, и оси Z, направленной перпендикулярно плоскости подложки, а также угла наклона инерционной массы относительно линии горизонта.

Технический результат достигается за счет введения слоя дополнительной инерционной массы, выполненного из задубленного фоторезиста и расположенного непосредственно на инерционной массе, трех дополнительных неподвижных электродов емкостных преобразователей перемещений, выполненных из полупроводникового материала и расположенных непосредственно на полупроводниковой подложке так, что они образуют с инерционной массой плоские конденсаторы за счет их полного перекрытия, четырех дополнительных подвижных электродов емкостных преобразователей перемещений, выполненных в виде пластин с гребенчатыми структурами из полупроводникового материала и расположенных с зазором относительно полупроводниковой подложки так, что они образуют плоские конденсаторы с дополнительными неподвижными электродами емкостных преобразователей перемещений в плоскости их пластин через боковые зазоры и взаимопроникающие друг в друга гребенки электродов, причем упругие балки расположены в пределах маленьких промежутков инерционной массы.

Для достижения необходимого технического результата в интегральный микромеханический акселерометр, содержащий полупроводниковую подложку с расположенным на ней неподвижным электродом, выполненным из полупроводникового материала, инерционную массу, расположенную с зазором относительно подложки, выполненную в виде пластины из полупроводникового материала, образующую с неподвижным электродом плоский конденсатор за счет их полного перекрытия, используемый в качестве емкостного преобразователя перемещений, упругие балки, выполненные из полупроводникового материала, опоры, выполненные из полупроводникового материала и расположенные непосредственно на подложке, и неподвижные электроды, выполненные из полупроводникового материала с гребенчатыми структурами и расположенные непосредственно на подложке, введены слой дополнительной инерционной массы, выполненный из задубленного фоторезиста и расположенный непосредственно на инерционной массе, три дополнительных неподвижных электрода емкостных преобразователей перемещений, выполненных из полупроводникового материала и расположенных непосредственно на полупроводниковой подложке так, что они образуют с инерционной массой плоские конденсаторы за счет их полного перекрытия, четыре дополнительных подвижных электрода емкостных преобразователей перемещений, выполненных в виде пластин с гребенчатыми структурами из полупроводникового материала и расположенных с зазором относительно подложки так, что они образуют плоские конденсаторы с неподвижными дополнительными электродами емкостных преобразователей перемещений в плоскости их пластин через боковые зазоры и взаимопроникающие друг в друга гребенки электродов, причем упругие балки расположены в пределах маленьких промежутков инерционной массы.

Сравнивая предлагаемое устройство с прототипом, видим, что оно содержит новые признаки, то есть соответствует критерию новизны. Проводя сравнение с аналогами, приходим к выводу, что предлагаемое устройство соответствует критерию "существенные отличия", так как в аналогах не обнаружены предъявляемые новые признаки.

На фиг.1 приведена топология предлагаемого интегрального микромеханического акселерометра-клинометра и показаны сечения. На фиг.2 приведена структура предлагаемого интегрального микромеханического акселерометра-клинометра.

Интегральный микромеханический акселерометр-клинометр (фиг.1) содержит полупроводниковую подложку 1 с расположенными на ней восемью неподвижными электродами емкостных преобразователей перемещений 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, выполненными из полупроводникового материала, четыре подвижных электрода емкостных преобразователей перемещений 10, 11, 12, 13, выполненных в виде пластин с гребенчатыми структурами из полупроводникового материала и расположенных с зазором относительно полупроводниковой подложки 1, образующие конденсаторы с неподвижными электродами емкостных преобразователей перемещений 2, 3, 4, 5 в плоскости их пластин через боковые зазоры и взаимопроникающие друг в друга гребенками электродов, и связанных с полупроводниковой подложкой 1 с помощью упругих балок 14, 15, 16, 17, 18, 19, 20, 21, выполненных из полупроводникового материала, которые одними концами жестко соединены с подвижными электродами емкостных преобразователей перемещений 10, 11, 12, 13, а другими - с опорами 22, 23, 24, 25, выполненными из полупроводникового материала и расположенными непосредственно на полупроводниковой подложке 1, инерционную массу 26, выполненную в виде пластины из полупроводникового материала, расположенную с зазором относительно полупроводниковой подложки 1, образующую с расположенными на полупроводниковой подложке 1 неподвижными электродами емкостных преобразователей перемещений 6, 7, 8, 9 плоские конденсаторы за счет их полного перекрытия, и связанную с подвижными электродами емкостных преобразователей перемещений 10, 11, 12, 13 с помощью упругих балок 27, 28, 29, 30, выполненных из полупроводникового материала, с расположенным на ней слоем дополнительной инерционной массы 31, выполненным из задубленного фоторезиста.

Работает устройство следующим образом.

При возникновении ускорения полупроводниковой подложки 1 вдоль оси X, расположенной в плоскости полупроводниковой подложки 1, инерционная масса 26 с расположенным на ней слоем дополнительной инерционной массы 31 под действием сил инерции начинает перемещаться вдоль оси Х в плоскости полупроводниковой подложки 1, за счет s-образного изгиба упругих балок 14, 15, 18, 19, которые одними концами жестко соединены с подвижными электродами емкостных преобразователей перемещений 10, 12, а другими - с опорами 22, 23, 24, 25, соответственно, и упругих балок 28, 30. Разность напряжений, генерируемых на емкостных преобразователях перемещений, образованных неподвижными электродами емкостных преобразователей перемещений 2, 4 и подвижными электродами емкостных преобразователей перемещений 10, 12, соответственно, за счет изменения их площади взаимного перекрытия, характеризует величину ускорения.

При возникновении ускорения полупроводниковой подложки 1 вдоль оси Y, расположенной в плоскости полупроводниковой подложки 1, инерционная масса 26 с расположенным на ней слоем дополнительной инерционной массы 31 под действием сил инерции начинает перемещаться вдоль оси Y в плоскости полупроводниковой подложки 1, за счет s-образного изгиба упругих балок 16, 17, 20, 21, 27, 29. Разность напряжений, генерируемых на емкостных преобразователях перемещений, образованных неподвижными электродами емкостных преобразователей перемещений 3, 5 и подвижными электродами емкостных преобразователей перемещений 11, 13, соответственно, за счет изменения их площади взаимного перекрытия, характеризует величину ускорения.

При возникновении ускорения полупроводниковой подложки 1 вдоль оси Z, направленной перпендикулярно плоскости полупроводниковой подложки 1, инерционная масса 26 с расположенным на ней слоем дополнительной инерционной массы 31 под действием сил инерции начинает перемещаться перпендикулярно плоскости полупроводниковой подложки 1, за счет s-образного изгиба упругих балок 27, 28, 29, 30 и кручения упругих балок 14, 15, 16, 17, 18, 19, 20, 21. Напряжения, генерируемые на емкостных преобразователях перемещений, образованных неподвижными электродами емкостных преобразователей перемещений 6, 7, 8, 9 и инерционной массой 26, соответственно, за счет изменения величины зазора между ними, характеризуют величину ускорения.

При наклоне полупроводниковой подложки 1 на некоторый угол α вокруг оси X, расположенной в плоскости полупроводниковой подложки 1, относительно линии горизонта, инерционная масса 26 с расположенным на ней слоем дополнительной инерционной массы 31 под действием силы тяжести отклоняется в противоположном направлении на некоторый угол β вокруг оси Х относительно плоскости полупроводниковой подложки 1 за счет s-образного изгиба упругих балок 14, 15, 18, 19, 28, 30, расположенных перпендикулярно оси X, и кручения упругих балок 16, 17, 20, 21, 27, 29, расположенных параллельно оси X. Разность напряжений, генерируемых на емкостных преобразователях перемещений, образованных неподвижными электродами емкостных преобразователей перемещений 6, 7, 8, 9 и инерционной массой 26, соответственно, за счет изменения величины зазора между ними, характеризует величину угла поворота β.

При наклоне полупроводниковой подложки 1 на некоторый угол γ вокруг оси Y, расположенной в плоскости полупроводниковой подложки 1, относительно линии горизонта, инерционная масса 26 с расположенным на ней слоем дополнительной инерционной массы 31 под действием силы тяжести отклоняется в противоположном направлении на некоторый угол ϕ вокруг оси Y относительно плоскости полупроводниковой подложки 1 за счет s-образного изгиба упругих балок 16, 17, 20, 21, 27, 29, расположенных перпендикулярно оси Y, и кручения упругих балок 14, 15, 18, 19, 28, 30, расположенных параллельно оси Y. Разность напряжений, генерируемых на емкостных преобразователях перемещений, образованных неподвижными электродами емкостных преобразователей перемещений 6, 7, 8, 9 и инерционной массой 26, соответственно, за счет изменения величины зазора между ними характеризует величину угла поворота ϕ.

Таким образом, предлагаемое устройство представляет собой интегральный микромеханический акселерометр-клинометр, позволяющий измерять величину ускорения вдоль осей Х и Y, расположенных в плоскости подложки, и оси Z, направленной перпендикулярно плоскости подложки, а также угла наклона инерционной массы относительно линии горизонта.

Введение слоя дополнительной инерционной массы, выполненного из задубленного фоторезиста и расположенного непосредственно на инерционной массе, трех дополнительных неподвижных электродов емкостных преобразователей перемещений, выполненных из полупроводникового материала и расположенных непосредственно на полупроводниковой подложке так, что они образуют с инерционной массой плоские конденсаторы за счет их полного перекрытия, четырех дополнительных подвижных электродов емкостных преобразователей перемещений, выполненных в виде пластин с гребенчатыми структурами из полупроводникового материала и расположенных с зазором относительно полупроводниковой подложки так, что они образуют плоские конденсаторы с дополнительными неподвижными электродами емкостных преобразователей перемещений в плоскости их пластин через боковые зазоры и взаимопроникающие друг в друга гребенки электродов, причем упругие балки расположены в пределах маленьких промежутков инерционной массы, позволяет измерять величину ускорения вдоль осей Х и Y, расположенных взаимно перпендикулярно в плоскости полупроводниковой подложки, и оси Z, направленной перпендикулярно плоскости полупроводниковой подложки, а также величину угла наклона инерционной массы относительно линии горизонта, что позволяет использовать предлагаемое изобретение не только в качестве интегрального измерительного элемента величины ускорения, но и в качестве интегрального элемента определения положения.

Таким образом, по сравнению с аналогичными устройствами, предлагаемый интегральный микромеханический акселерометр-клинометр позволяет сократить площадь полупроводниковой подложки, используемую под размещение измерительных элементов величин ускорения и угла наклона, так как для измерения этих величин используется только один интегральный микромеханический акселерометр-клинометр, а также за счет размещения упругих балок в пределах маленьких промежутков подвижной инерционной массы, что в свою очередь позволяет значительно повысить чувствительность предложенного измерительного устройства к ускорению и отклонению инерционной массы относительно линии горизонта.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения ускорения и угла наклона. Технический результат - расширение функциональных возможностей. Для достижения данного результата введена дополнительная инерционная масса, выполненная из фоторезиста, три дополнительных неподвижных электрода емкостных преобразователей перемещений, выполненных из полупроводникового материала и расположенных непосредственно на полупроводниковой подложке так, что они образуют с инерционной массой плоские конденсаторы. При этом четыре дополнительных подвижных электрода емкостных преобразователей перемещений выполнены в виде пластин с гребенчатыми структурами из полупроводникового материала и расположены с зазором относительно полупроводниковой подложки. 2 ил.

Интегральный микромеханический акселерометр, содержащий полупроводниковую подложку с расположенным на ней неподвижным электродом, выполненным из полупроводникового материала, инерционную массу, расположенную с зазором относительно подложки, выполненную в виде пластины из полупроводникового материала, образующую с неподвижным электродом плоский конденсатор за счет их полного перекрытия, используемый в качестве емкостного преобразователя перемещений, упругие балки, выполненные из полупроводникового материала, опоры, выполненные из полупроводникового материала и расположенные непосредственно на подложке, и неподвижные электроды, выполненные из полупроводникового материала с гребенчатыми структурами и расположенные непосредственно на подложке, отличающийся тем, что в него введены слой дополнительной инерционной массы, выполненный из задубленного фоторезиста и расположенный непосредственно на инерционной массе, три дополнительных неподвижных электрода емкостных преобразователей перемещений, выполненные из полупроводникового материала и расположенные непосредственно на полупроводниковой подложке так, что они образуют с инерционной массой плоские конденсаторы за счет их полного перекрытия, четыре дополнительных подвижных электрода емкостных преобразователей перемещений, выполненных в виде пластин с гребенчатыми структурами из полупроводникового материала и расположенных с зазором относительно подложки так, что они образуют плоские конденсаторы с неподвижными дополнительными электродами емкостных преобразователей перемещений в плоскости их пластин через боковые зазоры и взаимопроникающие друг в друга гребенки электродов, причем упругие балки расположены в пределах маленьких промежутков инерционной массы.