НАНОЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКАЯ СИСТЕМА ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ ДВИЖЕНИЯ И СПОСОБ ЕЕ ИЗГОТОВЛЕНИЯ
NANOELECTROMECHANICAL SYSTEM FOR MEASUREMENT OF MOTION PARAMETERS AND METHOD OF ITS MANUFACTURING

Изобретение относится к области приборостроения. Оно может быть использовано в датчиках ускорения.
Известен датчик измерения параметров движения - двухосный акселерометр на основе магниторезистивного преобразователя и полидиметилсилоксановой структуры, выполняющей роль пружины, на которой закреплен миниатюрный магнит [K.L. Phan, A. Mauritz and F.G.A. A novel elastomer-based magnetoresistive accelerometer. Sensors and Actuators A: Physical, Volumes 145-146, July-August 2008, Pages 109-115]. Чувствительный элемент представляет собой полимерную структуру в форме гриба, магнит изготовлен из полидиметилсилоксановой структуры и заполнен магнитным порошком. Отклонение магнита от положения равновесия под действием ускорения воспринимается магниторезистивным преобразователем и преобразуется в электрический сигнал.
Основным недостатком данной конструкции является сложность технологии получения полидиметилсилоксановой структуры, низкие измеряемые ускорения и низкие частоты.
Наиболее близким по совокупности существенных признаков (прототипом) изобретения является техническое решение датчика микроперемещений, описанное в заявке на изобретение РФ №95103486 (МПК H01L 27/20, опубл. 10.01.1997 г.). Интегральная схема датчика микроперемещений представляет собой чувствительный элемент, выполненный в виде консоли в объеме материала полупроводниковой подложки с постоянными магнитами, размещенными над структурами магниточувствительных элементов, сформированными в объеме материала дополнительной полупроводниковой подложки, образующей с первой конструктивно единое целое, причем постоянный магнит расположен на чувствительном элементе.
С существенными признаками заявляемого изобретения совпадают следующие существенные признаки прототипа: выполнение составным из двух оснований, одно из которых содержит чувствительный элемент в виде консоли и размещенный на нем постоянный магнит, а другое -  магниточувствительный элемент, постоянный магнит размещен над магниточувствительным элементом.
Получению требуемого технического результата препятствуют конструктивное и технологическое исполнение чувствительного элемента в объеме полупроводникового материала подложки, влияющее на порог чувствительности из-за повышенного уровня шума, свойственного полупроводниковым структурам.
Задачей изобретения является повышение потребительских характеристик наноэлектромеханических систем для измерения параметров движения и соответствующих способов изготовления.
Технический результат заключается в расширении динамического диапазона измерений, снижении порога чувствительности системы, упрощении изготовления системы, возможности использования более широкого спектра готовых элементов.
Для достижения вышеуказанного технического результата по первому объекту изобретения система для измерения параметров движения содержит первое твердотельное основание из немагнитного материала, на котором закреплен чувствительный элемент в виде консольной балки, состоящий из активной и пассивной частей, разделенных между собой канавкой, на свободном конце активной части чувствительного элемента размещен постоянный магнит, и соединенное с ним второе основание с магниторезистивным элементом, при этом пассивная часть чувствительного элемента в виде консольной балки закреплена на первом основании, а активная часть чувствительного элемента в виде консольной балки расположена за пределами первого основания с размещением канавки вдоль ребра первого основания, второе основание размещено со стороны активной части чувствительного элемента с расположением поверхности магниторезистивного элемента в плоскости, проходящей через постоянный магнит, расположенный на свободном конце активной части чувствительного элемента, причем магнитное поле постоянного магнита перпендикулярно направлению оси легкой намагниченности магниторезистивного элемента.
В частных случаях выполнения изобретения по первому объекту второе основание выполнено в виде монтажной платы с наклеенным магниторезистивным элементом.
В частных случаях выполнения изобретения по первому объекту система дополнительно содержит схему усиления, размещенную на втором основании.
В частных случаях выполнения изобретения по первому объекту первое твердотельное основание выполнено кубической формы.
Для достижения вышеуказанного технического результата по второму объекту изобретения способ изготовления системы для измерения параметров движения заключается в формировании чувствительного элемента в виде консольной балки, состоящего из активной и пассивной частей, путем анизотропного жидкостного травления поперечной канавки в монокристаллическом кремнии, разделяющей активную и пассивную части чувствительного элемента, закреплении на свободном конце активной части чувствительного элемента постоянного магнита, закреплении пассивной части чувствительного элемента в виде консольной балки на первом основании с размещением канавки вдоль ребра первого основания, прикреплении второго основания с размещенным на нем магниторезистивным элементом к первому основанию со стороны активной части чувствительного элемента с расположением поверхности магниторезистивного элемента в плоскости, проходящей через постоянный магнит, расположенный на свободном конце активной части чувствительного элемента, и направлением магнитного поля постоянного магнита перпендикулярно направлению оси легкой намагниченности магниторезистивного элемента.
В частных случаях выполнения изобретения по второму объекту закрепление элементов производят путем приклеивания.
От прототипа система отличается тем, что чувствительный элемент, в виде консольной балки, состоит из активной и пассивной частей, разделенных между собой канавкой, при этом пассивная часть чувствительного элемента в виде консольной балки закреплена на первом основании, а активная часть чувствительного элемента в виде консольной балки расположена за пределами первого основания с размещением канавки вдоль ребра первого основания, также второе основание размещено со стороны активной части чувствительного элемента с расположением поверхности магниторезистивного элемента в плоскости, проходящей через постоянный магнит, расположенный на свободном конце активной части чувствительного элемента, причем магнитное поле постоянного магнита перпендикулярно направлению оси легкой намагниченности магниторезистивного элемента. По способу изготовления заявляемое изобретение отличается от прототипа способом формирования чувствительного элемента путем анизотропного жидкостного травления поперечной канавки в монокристаллическом кремнии, разделяющей активную и пассивную части чувствительного элемента; закреплением пассивной части чувствительного элемента в виде консольной балки на первом основании с размещением канавки вдоль ребра первого основания, прикреплением второго основания с размещенным на нем магниторезистивным элементом к первому основанию со стороны активной части чувствительного элемента с расположением поверхности магниторезистивного элемента в плоскости, проходящей через постоянный магнит, расположенный на свободном конце активной части чувствительного элемента, и направлением магнитного поля постоянного магнита перпендикулярно направлению оси легкой намагниченности магниторезистивного элемента.
Между совокупностью существенных признаков и достигаемым техническим результатом существует причинно-следственная связь.
Формирование канавки на чувствительном элементе в виде консольной балки, разделяющей чувствительный элемент на пассивную и активную части, приводит к более точному позиционированию чувствительного элемента на первом основании, т.к. канавка размещается вдоль ребра первого основания.
Наличие канавки приводит к увеличению чувствительности элемента, выполненного в виде консольной балки, т.к. обеспечивает более легкую подвижность активной части. Расположение поверхности магниторезистивного элемента в плоскости, проходящей через постоянный магнит, расположенный на свободном конце активной части чувствительного элемента, с направлением магнитного поля постоянного магнита перпендикулярно направлению оси легкой намагниченности магниторезистивного элемента, обеспечивает повышенную чувствительность магниторезистивного элемента. Таким образом, получается синергетический эффект по повышению чувствительности за счет формирования канавки и размещения магниторезистивного элемента.
Изобретение поясняется чертежами, где
на фиг.1 представлена система для измерения параметров движения в аксонометрии,
на фиг.2 представлена схема по фиг.1 вид сбоку.
Система для измерения параметров движения содержит первое твердотельное основание 1 из немагнитного материала, и соединенное с ним второе основание 2 (фиг.1, 2). На первом основании 1 закреплен чувствительный элемент 3, в виде консольной балки, состоящий из активной 4 и пассивной 5 частей, разделенных между собой канавкой 6. Пассивная часть 5 чувствительного элемента в виде консольной балки 3 закреплена на первом основании 1, а активная часть чувствительного элемента 4 расположена за пределами первого основания 1 с размещением канавки 6 вдоль ребра первого основания l. Ha свободном конце активной части 4 чувствительного элемента 3 размещен постоянный магнит 7.
На втором основании 2 размещен магниторезистивный элемент 8. Второе основание 2 размещено со стороны активной части 4 чувствительного элемента 3 с расположением поверхности магниторезистивного элемента 8 в плоскости, проходящей через постоянный магнит 7, расположенный на свободном конце активной части 4 чувствительного элемента 3. Магнитное поле постоянного магнита 7 перпендикулярно направлению оси легкой намагниченности магниторезистивного элемента 8.
Чувствительный элемент 3 в виде консольной балки представляет собой прямоугольный модуль из монокристаллического кремния с поперечным углублением заданных размеров, полученным методом анизотропного жидкостного травления в растворе КОН с образованием канавки 6.
Преобразовательный магниторезистивный элемент 8 изготавливается на подложке монокристаллического кремния. Вначале формируется первая магниторезистивная структура с направлением оси легкой намагниченности, определяемым направлением постоянного магнитного поля при напылении, а затем, после защиты первой магниторезистивной наноструктуры, в перпендикулярном, относительно первого напыления, направлении постоянного магнитного поля напыляется вторая магниторезистивная микроструктура с перпендикулярным направлением оси легкой намагниченности, представляющая собой микромагниты, служащие для увеличения чувствительности магниторезистивного преобразователя. После травления защитного слоя формируются магниточувствительные элементы мостовой схемы магниторезистивного преобразователя, защитные и проводящие слои.
Твердотельное основание 1 изготавливается из немагнитного материала методом механической обработки.
Второе основание изготавливается в виде монтажной платы на основе стеклотекстолита FR4 с толщиной фольги 35 мкм.
Постоянный магнит 7 выбирается таким образом, чтобы обеспечивать смещение поля магнитной индукции на преобразовательном магниторезистивном элементе 8 от 1 до 5 мТл.
Процесс сборки конструкции включает в себя следующие операции:
- формирование чувствительного элемента 3 в виде консольной балки, состоящего из активной 4 и пассивной частей 5, путем анизотропного жидкостного травления поперечной канавки 6 в монокристаллическом кремнии, разделяющей активную и пассивную части чувствительного элемента,
- закрепление на свободном конце активной части 4 чувствительного элемента 3 постоянного магнита 7,
- закрепление пассивной части 5 чувствительного элемента 3 на первом основании 1 с размещением канавки 6 вдоль ребра первого основания 1,
- размещение магниторезистивного элемента 8 на втором основании 2,
- присоединение второго основания 2 с размещенным на нем магниторезистивным элементом 8 к первому основанию 1 со стороны активной части 4 чувствительного элемента 3 с расположением поверхности магниторезистивного элемента 8 в плоскости, проходящей через постоянный магнит 7, и направлением магнитного поля постоянного магнита 7 перпендикулярно направлению оси легкой намагниченности магниторезистивного элемента 8.
Для закрепления и соединения элементов можно использовать клей ВК-9 г.