ЭМИССИОННЫЙ ДАТЧИК МЕХАНИЧЕСКИХ И ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИН Российский патент 2007 года по МПК G01P15/08 G01D5/14 B81B3/00 

Изобретение относится к микроструктурным устройствам, содержащим гибкие элементы, в частности подвижные относительно друг друга электроды, что позволяет использовать их как датчики механических и термодинамических величин, таких как ускорение, температура, давление.

В настоящее время для измерения различных физических величин широко используются высокочувствительные датчики, изготавливаемые с использованием микроструктурной технологии, основанные на регистрации изменения тока при изменении расстояния d между электродами, к которым приложена разность электрических потенциалов U. Пропорциональность изменения расстояния d между электродами измеряемому параметру обеспечивается конструкцией датчика. В качестве характерного масштаба можно указать, что при d˜10÷100 мкм основную роль играет емкостной ток, при d˜0,1 мкм - ток холодной эмиссии электронов, а при d˜1 нм - туннельный ток. Соответственно разработаны три типа датчиков: емкостные, эмиссионные и туннельные.

Существует широкий спектр емкостных датчиков механических и термодинамических величин (см., например, патент Германии №10151376 А1, МПК⁷ В 81 В 3/00, публ. 25.04.02; патент Германии №19954022 А1, МПК⁷ В 81 В 3/00, публ. 18.05.00). Одним из наиболее известных разработчиков и производителей подобных датчиков является фирма Analog Devices Inc. (www.analog.com). Одна из ее последних разработок - акселерометр ADXL311 имеет уровень шумов не более 300 mkg/√Гц, амплитудный диапазон ±2 g, где g - ускорение свободного падения, равное 9,8 мс^-2, частотный диапазон в пределах 100 Гц. Стоимость датчика составляет порядка 2,5 доллара США.

При гармонических колебаниях ускорение а, смещение х и частота ω связаны соотношением:

а=х·ω².

Из данного соотношения следует, что в заданном частотном диапазоне чувствительность к ускорению будет тем выше, чем меньше измеряемое перемещение х. Отсюда видно, что емкостные датчики обладают самой низкой чувствительностью из перечисленных трех типов датчиков, а предельно высокой чувствительностью должны обладать туннельные датчики.

Зависимость туннельного тока от расстояния d между электродами используется для измерения различных физических величин. В последние годы появился ряд работ, использующих этот эффект для создания сверхчувствительных туннельных акселерометров (P.M.Zavracky, B.McClennand, K.Warner, et al. Design and process considerations for a tunneling tip accelerometer. J.Micromech. Microeng., 6, p.352 (1996); C.H.Liu, A.M.Barzilai, J.K.Reynolds, et al. Characterization of high-sensitivity micromachined tunneling accelerometer with micro-g resolution. J. of Microelectromech. System, 7, p.235 (1998); M.A.McCord, A.Dana, R.F.W.Pease. The micromechanical tunneling transistor. J.Micromech. Microeng., 8, p.209 (1998); B.L.Kubena, G.M.Atkinson, W.P.Robinson, F.P.Stratton. A new miniaturized surface micromachined tunneling accelerometer. IEEE Electron Dev. Lett., 17, p.306 (1996); J.H.Daniel, D.F.Moore. A microaccelerometer structure fabricated in silicon-on-insulator using a focused ion beam process. Sensors and Actuators, 73, p.201 (1999); Cheng-Hsien Liu and Thomas W. Kenny. A high-precision, wide-bandwidth micromachined tunneling accelerometer. J. of Microelectromech. System, 10, p.425 (2001); Thomas В.Gabrielson. Mechanical-thermal noise in micromachined acoustic and vibration sensors. IEEE Transactions on Electron transducer. Devices, 40, p.903 (1993); S. Vatannia, J.L.Schiano, G.Gildenblat, D.M.Ginsberg. Resonant tunneling displacement IEEE Transactions on Electron Devices, 45, p.1616 (1998); патент США №5563344, МПК⁶ G 01 P 15/13, публ. 08.10.1996; патент WO 02/10063 A2, МПК⁷ В 81 В 3/00, публ. 07.02.2002). Эти устройства имеют предел обнаружения (чувствительность) до 2·10^-8 g/√Гц на частотах менее 1 кГц. Основным фактором, ограничивающим чувствительность туннельных акселерометров, являются шумы фликкерного и термомеханического происхождения (Thomas В.Gabrielson. Mechanical-thermal noise in micromachined acoustic and vibration sensors. IEEE Transactions on Electron Devices, 40, p.903, 1993). Определенный вклад в ограничение чувствительности может вносить и дробовой шум.

Туннельный акселерометр, как правило, состоит из инерционной массы, выполненной в виде консоли, и иголки на корпусе или инерционной массе (см., например, патент США №5563344, МПК⁶ G 01 P 15/13, публ. 08.10.1996; патент WO 02/10063 A2, МПК⁷ В 81 В 3/00, публ. 07.02.2002). Иголка является одним из электродов туннельного контакта и характеризуется радиусом закругления вершины. Вершина иглы устанавливается на расстоянии d от противоположного электрода. Между электродами прикладывается разность электрических потенциалов U. Ускорение датчика вызывает изменение расстояния d между электродами, что приводит к изменению туннельного тока I. Характерное расстояние между туннельными электродами d˜1 нм, ток I˜1 нА при напряжениях U˜1 В. Согласно (А.Ван Дер Зил. Флуктуации в радиотехнике и физике. Госэнергоиздат. М., Л. 1958, с.66.) выражение для среднеквадратичной флуктуации тока I имеет вид:

〈I²〉=2eI·δν,

где е - элементарный заряд, δν - рабочая полоса частот. Малая величина туннельного тока I, как видно из данного выражения, существенным образом ограничивает чувствительность датчика при расширении частотного диапазона. Другой принципиальной особенностью туннельных акселерометров является наличие петли обратной связи, поддерживающей туннельное расстояние d при помощи исполнительного устройства: кулоновского или пьезоэлектрического двигателя. Сигнал системы обратной связи является одновременно регистрируемым сигналом. Однако для детектирования модуляции такого слабого тока (I˜1 нА) требуется предусилитель, который должен быть расположен вблизи туннельного промежутка для минимизации шумов и наводок, что затрудняет работу туннельных акселерометров в условиях повышенной температуры и/или радиации. К другим недостаткам туннельного акселерометра относится сложность его изготовления, обуславливающая его высокую стоимость.

Существует ряд работ (M.I.Marques, P.A.Serena, D.Nicolaescu, J.Itoh. Modeling of a pressure sensor based on an array of wedge emitters. Applied Surface Science, 146. p.239, 1999; D.Nicolaescu. Modeling of the field emitter triode (FET) as a displacement / pressure sensor. Applied Surface Science, 87/88, p.61, 1995), где для измерения малых смещений в датчике давления используется ток холодной эмиссии электронов, так называемый эмиссионный датчик. В этом датчике, выбранном в качестве прототипа, расстояние между электродами составляет величину d˜0,1 мкм, при этом оказывается возможным отказаться от использования управляющей петли обратной связи, обязательно присутствующей в туннельном датчике, что существенно упрощает конструкцию эмиссионного датчика и измерительной системы в целом. Конструкция эмиссионного датчика-прототипа содержит два электрода, один из которых выполнен плоским, а другой (катод) содержит несколько остроконечных вершин. При изменении внешних параметров (ускорения, давления и т.д.) электроды изгибаются, расстояние d между вершинами остриев катода и плоскостью изменяется, что ведет к соответствующему изменению тока в измерительной цепи. Изменение эмиссионного тока регистрируется и является искомым полезным сигналом с датчика.

Достоинством эмиссионного датчика является возможность использования малых рабочих напряжений, ввиду того, что вблизи вершины каждого острия катода даже при низком приложенном напряжении возникает высокая напряженность электрического поля (обратно пропорциональная квадрату радиуса закругления острия), которая обеспечивает достаточно высокую плотность эмиссионного тока.

Однако сильная зависимость напряженности поля от радиуса острия оборачивается существенным недостатком датчика-прототипа - слабой зависимостью тока I от расстояния d между электродами, а соответственно, и невысокой чувствительностью известного эмиссионного датчика. Другим недостатком данного датчика является сложность конструкции, требующая особого дорогостоящего оборудования.

Задачей, на решение которой направлено заявленное изобретение, является повышение чувствительности эмиссионного датчика и расширение его амплитудно-частотного диапазона при упрощении конструкции.

Технический результат в разработанном эмиссионном датчике обеспечивается тем, что разработанный эмиссионный датчик механических и термодинамических величин, так же как и датчик-прототип, содержит два электрода, расположенных в вакууме напротив друг друга на расстоянии d, по крайней мере один из которых является подвижным.

Новым в разработанном эмиссионном датчике является то, что оба электрода выполнены плоскими, с характерными размерами L₁ и L₂, удовлетворяющими соотношению h≪d<L₁≤L₂≪R, где h - характерный размер шероховатости электродов, R - радиус кривизны поверхности электрода, при этом подвижный электрод выполнен в виде участка металлизации на упругой пластине, установленной на опоре.

Эмиссионный датчик с плоскими электродами может быть выполнен в виде ряда модификаций для проведения различного рода измерений.

В первом частном случае для обеспечения работы эмиссионного датчика в резонансном режиме как датчика линейного ускорения целесообразно упомянутую упругую пластину дополнительно снабдить соответствующей инерционной массой.

Во втором частном случае, для измерения датчиком углового ускорения, целесообразно на общем основании, на расстоянии Н друг от друга установить два аналогичных подвижных электрода, к которым прикладывается одинаковая разность электрических потенциалов, а в качестве регистрируемой величины использовать разностный сигнал с этих электродов.

В третьем частном случае, для измерения температуры, упомянутую опору следует выполнить из материала с высоким коэффициентом теплового расширения.

В четвертом частном случае, также для измерения температуры, упомянутую пластину целесообразно выполнить двухслойной, из материалов с различными коэффициентами теплового расширения.

В пятом частном случае, для измерения давления, упругую пластину целесообразно выполнить в виде мембраны, закрепленной на опоре по периметру, а участок металлизации расположить по центру мембраны.

Как установлено авторами (В.И.Шашкин, Н.В.Востоков, Е.А.Вопилкин, А.Ю.Климов, Д.Г.Волгунов, В.В.Рогов, С.Г.Лазарев. О возможных конструкциях датчиков туннельно-эмиссионных акселерометров. Микросистемная техника, №5, с.3-6, 2003), наибольшая чувствительность эмиссионного датчика, основанного на принципе автоэлектронной эмиссии, достигается в случае использования плоских электродов. В этом случае зависимость плотности тока j от напряженности поля Е в межэлектродном промежутке описывается формулой Фаулера-Нордгейма (Модинос А. Авто-, термо- и вторично-электронная эмиссионная спектроскопия. М., Наука, 1990):

где ϕ - работа выхода, А(Е), В(Е) - параметры.

При этом имеет место следующая связь вариации тока δj со смещением х подвижного электрода:

где h - постоянная Планка, m - масса свободного электрона, E=U/d.

Как следует из приведенных соотношений (1), (2), (3), заметная автоэлектронная эмиссия возникает при напряженности поля ˜10⁶ В/см. Технически приемлемым (в частности, для соответствия действующим стандартам) является напряжение на межэлектродном промежутке ˜10 В. Соответственно, расстояние d между электродами должно составлять величину не более 100 нм (0,1 мкм). Реализуемость создания подобных зазоров путем селективного плазменного травления гетероструктур InGaAs/GaAs и AlAs/GaAs показана авторами в работе (G.L. Pakhomov, V.I. Shashkin, N.V. Vostokov, V.M. Danil'tsev, Yu.N. Drozdov and S.A. Gusev. Selective plasma etching III-V multilayer heterostructures. To be published in MICRO.tec 2003).

Таким образом технический результат, обеспечиваемый разработанным эмиссионным датчиком, достигается за счет изготовления методом селективного травления полупроводников подвижных плоских электродов, работающих в режиме автоэлектронной эмиссии. При этом чувствительность разработанного датчика близка к чувствительности туннельных датчиков, а частотный диапазон достигает сотен МГц.

Ввиду высокого значения чувствительности, широкого частотного диапазона и ожидаемой сравнительно низкой удельной стоимости, область промышленного применения заявляемого изобретения может быть весьма широкой.

В общем случае изготовления, описанном в п.1 формулы, конструкция эмиссионного датчика обеспечивает измерение всех указанных механических и термодинамических величин.

Разработанные конструкции эмиссионного датчика в частных случаях изготовления в соответствии с тем, как указано в зависимых пунктах формулы 2-:-6, позволяют создать наилучшие условия для измерения той или иной указанной величины и изготовить высокочувствительные измерители ускорения (п.2, 3 формулы), или температуры (п.4, 5 формулы), или давления (п.6 формулы).

На фиг.1 представлен вид сбоку разработанной конструкции эмиссионного датчика в общем случае его изготовления в соответствии с п.1 формулы изобретения и датчик температуры в соответствии с п.4 формулы изобретения.

На фиг.2 представлен вид сбоку разработанной конструкции эмиссионного датчика линейных ускорений в соответствии с п.2 формулы изобретения.

На фиг.3 представлен вид сбоку разработанной конструкции эмиссионного датчика угловых ускорений в соответствии с п.3 формулы изобретения.

На фиг.4 представлен вид сбоку разработанной конструкции эмиссионного датчика температуры в соответствии с п.5 формулы изобретения.

На фиг.5 представлен вид сбоку разработанной конструкции эмиссионного датчика давления в соответствии с п.6 формулы изобретения.

Конструкция эмиссионного датчика, представленная на фиг.1 и соответствующая п.1 формулы, содержит основание 1, с которым посредством опоры 2 соединена упругая пластина 3. Свободный (незакрепленный) конец пластины 3 снабжен плоским электродом 4 в виде участка металлизации с характерными размерами L₁ и L₂, а противолежащий ему участок основания 1 снабжен другим плоским электродом 5, с такими же характерными размерами L₁ и L₂, при этом расстояние d между плоскими электродами 4 и 5 выбрано больше, чем величина шероховатости h их поверхности, но меньше, чем L₁ и L₂, и составляет h≪d<L₁≤L₂. Электроды 4 и 5 являются плоскими, поскольку их характерный размер L₁≤L₂≪R, где R - радиус кривизны поверхности электродов 4 и 5. Пространство между основанием 1 и пластиной 3, где расположены электроды 4 и 5, вакуумируется, а сами электроды 4 и 5 соединены с клеммами 6, к которым подсоединяются соответствующие полюса источника питания. Основание 1, опора 2 и упругая пластина 3 изготовлены методом селективного травления, например, из гетероструктур на основе GaAs и AlGaAs. Электроды 4 и 5 изготовлены из металла или полупроводника методом напыления.

В первом частном случае изготовления эмиссионного датчика в соответствии с п.2 формулы, представленном на фиг.2, упругая пластина 3 дополнительно снабжена инерционной массой 7.

Во втором частном случае изготовления эмиссионного датчика в соответствии с п.3 формулы, представленном на фиг.3, на основании 1 посредством двух идентичных опор 2 укреплены две идентичные упругие пластины 3, каждая на своей опоре 2. Свободный конец каждой пластины 3 снабжен плоским электродом 4 в виде участка металлизации, с характерными размерами L₁ и L₂, а противолежащие им участки основания 1 снабжены плоскими электродами 5 таких же размеров, то есть на общем основании 1 изготовлены два одинаковых датчика, выходы которых соединены навстречу друг другу в блоке вычитания 8. В качестве искомой величины служит разностный сигнал с этих двух датчиков.

В третьем частном случае изготовления эмиссионного датчика в соответствии с п.4 формулы, представленном как и в общем случае на фиг.1, опора 2 выполнена из материала с высоким коэффициентом теплового расширения.

В четвертом частном случае изготовления эмиссионного датчика в соответствии с п.5 формулы, представленном на фиг.4, упругая пластина 3 выполнена двухслойной из материалов с различными коэффициентами теплового расширения, например биметаллической.

В пятом частном случае изготовления эмиссионного датчика в соответствии с п.6 формулы, представленном на фиг.5, упругая пластина 3 выполнена в виде мембраны, закрепленной на опоре 2 по всему периметру мембраны. Электрод 4 расположен по центру мембраны 3 напротив электрода 5, изготовленного на основании 1.

В примере конкретной реализации изготовлен эмиссионный датчик ускорения в соответствии с п.2 формулы, представленный на фиг.2, в котором основание 1, опора 2 и упругая пластина 3 с инерционной массой 7 выполнены из гетероструктур на основе GaAs и AlGaAs, при этом основание 1 и пластина 3 выполнены из AlGaAs, а опора 2 изготовлена методом селективного травления из GaAs. Электроды 4 и 5 изготовлены плоскими в виде участков металлизации с размерами L₁=0,5 мкм, L₂=1 мкм (площадью ˜0,5 мкм²) из золота методом напыления. Величина шероховатости h не превышает 1 нм. Электроды 4 и 5 расположены относительно друг друга на расстоянии d˜100 нм (0,1 мкм), т.е. выполнено условие h≪d<L₁≤L₂. Напряжение источника питания, который соединен с электродами 4 и 5, выбрано ˜10 В. Изменением инерционной массы 7, т.е. выбором ее материала и геометрии, можно подобрать требуемый диапазон частот, в котором работает датчик.

Разработанный датчик, представленный в общем случае изготовления на фиг.1, работает следующим образом.

При подаче на плоские электроды 4 и 5, установленные на расстоянии d≈0,1 мкм, напряжения питания между плоскими электродами 4 и 5 возникает ток I холодной эмиссии электронов, который, как теоретически и экспериментально установлено авторами, имеет очень сильную (экспоненциальную) зависимость от расстояния d между плоскими электродами. Малые взаимные перемещения электродов 4 и 5, т.е. малые изменения расстояния d, приводят к значительному изменению тока I холодной эмиссии, величина которого и является полезным сигналом. Чувствительность датчика пропорциональна площади плоских электродов 4 и 5 и может достигать значений, равных чувствительности туннельного датчика, что на 2 порядка выше чувствительности датчика-прототипа. Как показали эксперименты, разработанная конструкция эмиссионного датчика обеспечивает поддержание выбранного расстояния d≈0,1 мкм с достаточной точностью (±2 нм) без присутствия обязательной для аналога (туннельного акселерометра) системы отрицательной обратной связи. Благодаря чему разработанный высокочувствительный эмиссионный датчик является более надежным в работе и может быть использован в тяжелых условиях эксплуатации при повышенных температурах, при наличии радиации или загазованности.

Работа конструкции эмиссионного датчика линейных ускорений по п.2 формулы, представленной на фиг.2, также как и эмиссионного датчика по п.1, основана на регистрации изменений тока I холодной эмиссии при изменении расстояния d между плоскими электродами 4 и 5, которое в данном случае более всего изменяется по причине ускорений (вибраций) датчика. Ускорение эмиссионного датчика приводит к изгибу упругой пластины 3 с инерционной массой 7 и к изменению расстояния d между плоскими электродами 4 и 5. То обстоятельство, что в разработанной конструкции на упругой пластине 3 не требуется присутствия обязательного для аналога (туннельного акселерометра) исполнительного двигателя обратной связи, снимает ограничения на механическую жесткость упругой пластины 3. Вследствие этого данная конструкция эмиссионного датчика позволяет при ее использовании в качестве датчика линейных ускорений (вибраций) в соответствии с п.2 формулы определять вибрации на гораздо более высоких частотах, чем в аналоге и прототипе, вплоть до сотен МГц. Предельная рабочая частота определяется выбором материала и геометрии упругой пластины 3 и инерционной массы 7.

Отличительной особенностью работы конструкции эмиссионного датчика по п.3 формулы, представленной на фиг.3, является то, что выходным сигналом служит разностный сигнал двух датчиков линейных ускорений, изготовленных на общем основании 1. Поэтому при линейном ускорении оба упомянутых датчика дают одинаковый сигнал и разностный сигнал в блоке вычитания 8 равен нулю. При угловом ускорении один из микродатчиков дает более сильный сигнал, чем другой, поэтому разностный сигнал в блоке вычитания 8 отличен от 0.

Особенностью работы конструкции датчика по п.4 формулы, представленной на фиг.1, является то, что при изменении температуры среды, в которой находится датчик, опора 2 с большим коэффициентом теплового расширения изменяет свою толщину и высоту, что приводит к изменению расстояния d между плоскими электродами 4 и 5. Изменение расстояния d приводит к изменению тока I холодной эмиссии электронов, величина которого и является полезным сигналом датчика.

Особенностью работы конструкции эмиссионного датчика по п.3 формулы, представленной на фиг.4, является то, что при изменении температуры упругая пластина 3, выполненная двухслойной из материалов с различными коэффициентами теплового расширения, например биметаллической, изгибается, что приводит к изменению расстояния d между плоскими электродами 4 и 5. Это изменение в свою очередь приводит к изменению тока I холодной эмиссии электронов.

Особенностью работы конструкции эмиссионного датчика по п.6 формулы, представленной на фиг.5, является то, что при изменении давления на упругую пластину 3, закрепленную в виде мембраны по периметру на опоре 2, изменяется и прогиб мембраны (пластины 3), что приводит к изменению расстояния d между плоскими электродами 4 и 5. А изменение расстояния d в свою очередь приводит к изменению тока I холодной эмиссии электронов.

Таким образом, каждая из конструкций эмиссионного датчика в частных случаях его изготовления, описанная в одном из пунктов 2-:-6 формулы, обеспечивает измерение с наибольшей чувствительностью выбранной механической или термодинамической величины.

Ввиду того, что при изготовлении датчика используется технология, включающая в себя только процессы травления и напыления, можно ожидать, что при массовом производстве себестоимость разработанного эмиссионного датчика будет весьма низкой, ниже себестоимости аналогов, при существенно большем частотном диапазоне и высокой чувствительности.

Изобретение относится к микроструктурным устройствам, содержащим гибкие элементы, в частности подвижные относительно друг друга электроды, что позволяет использовать их как датчики механических и термодинамических величин, таких как ускорение, температура и давление. Эмиссионный датчик содержит два электрода, расположенных в вакууме напротив друг друга на расстоянии d, по крайней мере один из которых является подвижным и изготовлен в виде участка металлизации на упругой пластине, установленной на опоре. Оба упомянутых электрода выполнены плоскими, с характерными размерами L₁ и L₂, удовлетворяющими соотношению h≪d<L₁≤L₂≪R, где h - характерный размер шероховатости электрода, a R - радиус кривизны поверхности электрода. Изобретение обеспечивает повышение чувствительности эмиссионного датчика и расширение его амплитудно-частотного диапазона при упрощении конструкции. 5 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Эмиссионный датчик механических и термодинамических величин, содержащий два электрода, расположенных в вакууме напротив друг друга на расстоянии d, по крайней мере один из которых является подвижным, отличающийся тем, что оба электрода выполнены плоскими, с характерными размерами L₁ и L₂, удовлетворяющими соотношению h≪d<L₁≤L₂≪R, где h - характерный размер шероховатости электродов, a R - радиус кривизны поверхности электрода, при этом подвижный электрод выполнен в виде участка металлизации на упругой пластине, установленной на опоре.2. Эмиссионный датчик по п.1, отличающийся тем, что упомянутая упругая пластина дополнительно снабжена инерционной массой.3. Эмиссионный датчик по п.1, отличающийся тем, что на общем основании расположен второй неподвижный плоский электрод и посредством второй опоры, идентичной первой, укреплена вторая упругая пластина, идентичная первой, свободный конец которой снабжен плоским электродом, а в качестве регистрируемой величины используется разностный сигнал с подвижных электродов.4. Эмиссионный датчик по п.1, отличающийся тем, что упомянутая опора выполнена из материала с высоким коэффициентом теплового расширения.5. Эмиссионный датчик по п.1, отличающийся тем, что упомянутая упругая пластина выполнена двухслойной из материалов с различными коэффициентами теплового расширения.6. Эмиссионный датчик по п.1, отличающийся тем, что упомянутая упругая пластина выполнена в виде мембраны, закрепленной на опоре по периметру, а участок металлизации расположен по центру мембраны.