Микромеханический акселерометр
MICROMECHANICAL ACCELEROMETER

Изобретение относится к области приборостроения и может быть использовано при изготовлении микромеханических акселерометров, микрогироскопов, интегральных датчиков давления.
Известно устройство, где чувствительный элемент (ЧЭ) датчика, изготовлен из монокристаллического кремния и стеклянной подложки из боросиликатного стекла. Причем инерционная масса - маятник, рамка, упругие торсионы, площадки крепления к стеклянной подложки сформированы, заодно методом жидкостного травления и соединены через площадки крепления методом анодной посадки с подложкой из боросиликатного стекла. В корпусе датчика ЧЭ закреплен на основании при помощи клея - герметика. При этом клей - герметик наносят произвольно на всю площадь приклеиваемых поверхностей или ее каких-то частей [1]. Недостатком данного устройства является то, что возникают механические напряжение в ЧЭ. Эти напряжения приводят к значительным погрешностям микромеханического акселерометра. При производстве датчиков чувствительный элемент монтируется в корпусе простым приклеиванием поверхности ЧЭ к основанию. Боросиликатное стекло, применяемое для анодной сварки, при изготовлении ЧЭ имеет, низкую теплопроводность по сравнению с кремнием. Так при воздействии положительных и отрицательных температур в стеклянной подложке возникают большое напряжение, которое происходит во время переходного теплового режима. Такое относительно большое механическое напряжение приводит к погрешностям акселерометра, которое не могут быть компенсированы алгоритмически из-за временной зависимости переходного процесса. Другим недостатком является наличие клея - герметика на стеклянной подложке.
Клей - герметик, нанесенный на основание микромеханического акселерометра и соответственно на одну из сторон стеклянной подложки также является источником напряжений. Эти напряжения зависят от температуры и влияют на чувствительность датчика и на смещение нулевого сигнала. Чтобы обеспечить прочность соединения от вибраций, ударов область клеевого соединения должна быть достаточно большой, а увеличение площади клеевого соединения повышает воздействие напряжений на чувствительный элемент датчика. Таким образом напряжения, вызванные разницей между коэффициентами теплового расширения монокристаллического кремния, боросиликатного стекла из которых изготовлен чувствительный элемент микромеханического акселерометра, основания акселерометра и клея - герметика увеличивают смещение нулевого сигнала акселерометра, а это уменьшает точность микромеханического акселерометра.
Известен чувствительный элемент микромеханического акселерометра, содержащий двухплечевой маятник из монокристаллического кремния, стеклянную обкладку и внешнюю рамку с площадками крепления к стеклянной обкладке, Х-образные торсионы, соединенные с маятником и внешней рамкой, ось симметрии инерционной массы совмещена с осью, проходящей через крестообразные торсионы. Площадки крепления расположены в непосредственной близости Х-образных торсионов. Внешняя рамка одновременно выполняет роль жесткого каркаса чувствительного элемента, при этом соединение чувствительного элемента с неподвижным основанием акселерометра осуществляется через обратную сторону стеклянной обкладки [2].
Анодное соединение стеклянной подложки с монокристаллическим кремниевым чувствительным элементом осуществляется при повышенной температуре. После остывания конструкции «стеклянная подложка-монокристаллический кремниевый чувствительный элемент» происходит частичная деформация внешней рамки чувствительного элемента. Эта деформация передается на упругие торсионы. Это существенным образом влияет на стабильность упругих свойств последних
Так как чувствительный элемент закреплен на основании акселерометра, то воздействие положительных или отрицательных температур передается от основания через стеклянную обкладку на внешнюю рамку и соответственно на Х-образные торсионы. Вследствие этого Х-образные торсионы деформируются, и в результате происходит смещение маятника при отсутствии воздействия ускорения. Таким образом, происходит температурное смещение нулевого сигнала, а это снижает точность акселерометра. Изменится также жесткость торсионов и, как следствие, уход крутизны преобразователя перемещений. Это также существенным образом Другим недостатком данного устройства является нестабильность смещения нулевого сигнала вследствие высокого уровня контактных напряжений, возникающих в местах расположения площадок крепления и передающихся на Х-образный торсион.
Известны также устройства с симметричной конструкцией так, чтобы деформации, вызванные напряжениями, компенсировали друг друга. Однако это серьезно ограничивает конструкцию.
Наиболее близким по технической сущности является акселерометр, ЧЭ которого соединен с основанием через дополнительные разделительные слои и слоем клея. Дополнительные разделительные слои размещены между ЧЭ и основанием микромеханического акселерометра, совмещены строго симметрично с ЧЭ. Слой клея сформирован в центре симметрии дополнительного разделительного слоя и основания микромеханического акселерометра. Причем клеевой слой ограничен по площади его нанесения. [3].
В известном устройстве крепежный элемент ЧЭ, расположенного в центре симметрии монтируется непосредственно на поверхность основания через слой клея или припоя. Как следствие, оно также непосредственно подвергается нагрузкам, передаваемым основанием. В результате температурно-зависимые напряжения создаются между ЧЭ микромеханического акселерометра, крепежным материалом и материалом основания датчика.
Помимо этого, крепежный материал (клей или паяльный материал) является нестабильным со временем и подвержен пластичным деформациям, которые могут вызвать смещение выходного сигнала датчика при старении. Кроме того, требуется высокая точность позиционирования такой конструкции ЧЭ на основании - строго в центре симметрии. А это уже в свою очередь сильно влияет, на сколько успешно «отфильтруются» механические напряжения, приводящие к ухудшению точности датчика.
Таким образом, такая конструкция не устраняет полностью пластичные деформации, передающиеся от основания к ЧЭ датчика. А это вызывает смещение выходного сигнала в отсутствии измеряемого параметра и, следовательно, снижает точность микромеханического акселерометра.
Таким образом, дополнительный разделительный слой должен обладать достаточной упругостью и достаточной жесткостью, не должен быть абсолютно жестким. Дополнительный разделительный слой должен быть достаточно упругим, чтобы погасить, снизить до минимума деформацию, создаваемую механическими напряжениями, возникающими при воздействии вредных факторов на микромеханический акселерометр и далее на основание и затем на ЧЭ микромеханического акселерометра. Задачей, на решение которой направлено изобретение, является повышения точности микромеханического акселерометра.
1. Для достижения этого в микромеханическом акселерометре, содержащем основание, чувствительный элемент, состоящий из верхней и нижней крышек, инерционной массы, а также разделительный слой, обращенный к основанию и к одной из сторон чувствительного элемента и клея - герметика, согласно изобретению, разделительный слой дополнительно содержит развязывающую плоскость и стеклянную подложку, в развязывающей плоскости сформированы упруго-деформируемые балки, с расположенными на них площадками крепления к нижней крышки чувствительного элемента и стеклянной подложки, причем к стеклянной подложке с нижней стороны развязывающей плоскости, а к нижней крышки чувствительного элемента с верхней стороны развязывающей плоскости, площадки крепления сформированы для крепления к нижней крышки чувствительного элемента и расположены на противоположных друг от друга сформированных упруго-деформируемых балках, площадки крепления сформированы для крепления к стеклянной подложки и расположены на других противоположных друг от друга сформированных упруго-деформируемых балках, расположенных на развязывающей плоскости, упруго-деформируемые балки на участках между площадками крепления, а также на участках между площадками крепления и развязывающей плоскостью выполнены в форме меандра с п количеством изгибов. 2. Отличительными признаками заявленного устройства является то, что разделительный слой дополнительно содержит развязывающую плоскость и стеклянную подложку, в развязывающей плоскости сформированы упруго-деформируемые балки, с расположенными на них площадками крепления к нижней крышки чувствительного элемента и стеклянной подложки, причем к стеклянной подложке с нижней стороны развязывающей плоскости, а к нижней крышки чувствительного элемента с верхней стороны развязывающей плоскости, площадки крепления сформированы для крепления к нижней крышки чувствительного элемента и расположены на противоположных друг от друга сформированных упруго-деформируемых балках, площадки крепления сформированы для крепления к стеклянной подложки и расположены на других противоположных друг от друга сформированных упруго-деформируемых балках, расположенных на развязывающей плоскости, упруго-деформируемые балки на участках между площадками крепления, а также на участках между площадками крепления и развязывающей плоскостью выполнены в форме меандра с п количеством изгибов. В микромеханическом акселерометре чувствительный элемент монтируется на основании корпуса через разделительный слой, а именно через развязывающую плоскость, которая в свою очередь закреплена на стеклянной подложке (пьедестале) из боросиликатного стекла. В развязывающей плоскости по периметру раздельно друг от друга сформированы упруго-деформируемые балки и расположенные на них площадками крепления к ЧЭ и к стеклянной подложки. Сами упруго-деформируемые балки выполнены в форме меандра с п количеством изгибов одинаковыми и строго симметричны относительно продольной и поперечной осей симметрии чувствительного элемента. При этом площадки крепления к ЧЭ и стеклянной подложки сформированы по периферии развязывающей плоскости. К стеклянной подложке с нижней стороны. К нижней крышке чувствительного элемента с верхней стороны развязывающей плоскости. Площадки крепления к ЧЭ и стеклянному пьедесталу сформированы отдельно друг от друга на взаимно противоположных сторонах развязывающей плоскости, а также соединены с упруго-деформируемыми балками. Такое формирование площадок крепления с упруго-деформируемыми балками в развязывающей плоскости и закрепление на стеклянной подложки позволяет минимизировать деформацию от воздействия внешних факторов, действующих через основание. Так стеклянная подложка (пьедестал) закреплена на основании при помощи мягкого или эластомерного клея, который обеспечивает частичное снятие напряжения, но имеет определенные недостатки такие как зависящие от времени процессы отверждения. С другой стороны стеклянной подложки методом анодной сварки прикреплена развязывающая плоскость через площадки крепления.
Стеклянная подложка (пьедестал) изготовлена из боросиликатного стекла КТР которой почти равен кремнию. Тем самым дополнительно уменьшая термомеханические напряжения.
Другая сторона развязывающей плоскости закреплена к ЧЭ акселерометра. Закрепление может быть осуществлено при помощи прямого сращивания кремниевых деталей. Таким образом, развязывающая плоскость за счет упруго-деформируемых балок и сформированных заодно с ними площадок крепления дополнительно снимают напряжения, передающиеся от основания. Таким образом в совокупности мягкий или эластомерный клей - утолщенный стеклянный пьедестал (в 8 раз толще ЧЭ) - развязывающая плоскость с упруго-деформируемыми балками и площадками крепления позволяет минимизировать деформацию от воздействия внешних факторов, при этом деформация в зоне крепления упругих подвесов практически сведена к нулю, а симметричное расположение - компенсировать до минимума вредные воздействия, тем самым повышая точность микромеханического акселерометра.
Предлагаемое изобретение иллюстрируется чертежами фиг. 1, фиг. 2а и фиг. 2б.
На фиг. 1 изображен микромеханический акселерометр в сборе, в разрезе.
На фиг. 2а и фиг. 2б изображена развязывающая плоскость, где:
1 - инерционная масса;
2 - верхняя крышка;
3 - нижняя крышка;
4 - упругий подвес;
5 - внешняя рамка ЧЭ;
6 - развязывающая плоскость;
7 - площадки крепления к нижней крышке ЧЭ;
8 - площадки крепления к стеклянной подложки;
9 - упруго-деформируемые балки;
10 - стеклянная подложка;
11 - основание.
Микромеханический акселерометр содержит чувствительный элемент, состоящий из инерционной массы 1, заключенной между верхней 2 и нижней крышками 3, соединенными, например, методом анодной посадки или прямого сращивания или иным другим каким-либо методом. Между чувствительным элементом, его нижней крышкой 3 и основанием 11 расположен разделительный слой. Этот слой состоит из стеклянной подложки 10 и развязывающей плоскости 6. Развязывающая плоскость 6 закреплена к нижней крышки 3 ЧЭ, например методом прямого сращивания через площадки крепления к нижней крышки 7, но может быть и приклеена. Сборка ЧЭ - развязывающая плоскость закреплена на стеклянной подложке 10 через площадки крепления к стеклянной подложки 8. По периферии развязывающей плоскости 6 сформированы упруго-деформируемые балки 9. Стеклянная подложка 10 приклеена к основанию 11 эластичным клеем-герметиком (не показано).
При воздействии на микромеханический акселерометр вредных внешних факторов возникают напряжения в основании 11. Термомеханические напряжения передаются на стеклянную подложку 10. При этом напряжения частично уменьшаются в эластичном клее - герметике. Благодаря толстой по сравнению с кремниевым ЧЭ стеклянной подложки 10 напряжения тоже уменьшаются, но все-таки остаются. Напряжения от стеклянной подложки 10 переходящие в пластичную деформацию пере дается на развязывающую плоскость 6. Эта деформация через площадки крепления к стеклянной подложки 8 изгибает упруго - деформируемые балки 9. Далее остаточная деформация передается через те же упруго -деформируемые балки 9 и уже через площадки крепления к нижней крышки ЧЭ 7. Уже минимизированная деформация от нижней крышки 3 через внешнюю рамку ЧЭ 5 на упругий подвес 4. Влияние механических напряжений на упругие подвесы 4 практически сводится к нулю.
Отмеченные свойства подтверждают преимущества заявляемого изобретения перед известными решениями.
Работа устройства основана на хорошо известном принципе перемещения инерционной массы 1 под воздействием линейного ускорения и измерения этого перемещения, например емкостным способом.
Чувствительный элемент микромеханического акселерометра может изготавливаться из монокристаллического кремния с ориентацией пластины<100>÷<110>методом анизотропного травления или плазменного травления.
Проведенные макетные испытания показали положительный эффект как данного микромеханического датчика, так и его способа сборки и по технологичности, и по точности, то есть уменьшению смещения нулевого сигнала.
Источники информации:
1. Паршин В.А., Харитонов В.И. Особенности технологии мультисенсорных датчиков с нелегированными упругими подвесами //Датчики и системы. 2002. №2. С. 22-24.
2. Патент РФ 2251702.
3. Заявка US 20170107098-прототип.