ИНТЕГРАЛЬНЫЙ ТУННЕЛЬНЫЙ АКСЕЛЕРОМЕТР
INTEGRAL TUNNEL ACCELEROMETER

Предлагаемое изобретение относится к области измерительной техники и микросистемной техники, а более конкретно к интегральным измерительным элементам величины линейного ускорения.
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 с гребенчатой структурой с одной стороны, выполненный из полупроводникового материала и расположенный на диэлектрической подложке с зазором относительно инерционной массы.
Данный акселерометр позволяет измерять величину линейного 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 с гребенчатой структурой с одной стороны, выполненный из полупроводникового материала и расположенный непосредственно на подложке.
Недостатком конструкции акселерометра является невозможность измерения величин линейного ускорения вдоль двух взаимно перпендикулярных осей X и Y, расположенных в плоскости подложки.
Функциональным аналогом заявляемого объекта является интегральный микромеханический акселерометр [J.P. Lynch, A. Partridge, K.Н. Law, T.W. Kenny, A.S. Kiremidjian, E. Carryer, Design of Piezoresistive MEMS-Based Accelerometer for Integration with Wireless Sensing Unit for Structural Monitoring, Journal of Aerospace Engineering, July 2003, p. 110, fig. 1], содержащий подложку, неподвижный электрод, инерционную массу, выполненную в виде пластины из полупроводникового материала, расположенную с зазором относительно подложки, упругую балку, которая одним концом жестко соединена с инерционной массой, а другим - жестко закреплена относительно подложки, дополнительный неподвижный электрод, причем подложка, инерционная масса, упругая балка выполнены из полупроводникового материала, инерционная масса в плоскости подложки имеет форму сектора, неподвижные электроды представляют собой полупроводниковые области первого типа проводимости.
Данный акселерометр позволяет измерять величину линейного ускорения вдоль оси Z, направленной перпендикулярно плоскости подложки акселерометра.
Признаками аналога, совпадающими с существенными признаками, являются полупроводниковая подложка, инерционная масса, упругая балка, выполненные из полупроводникового материала и расположенные с зазором относительно подложки.
Недостатком конструкции акселерометра является невозможность измерения величин линейного ускорения вдоль двух взаимно перпендикулярных осей X и Y, расположенных в плоскости подложки.
Из известных наиболее близким по технической сущности к заявляемому объекту 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 с расположенными на ней двумя неподвижными электродами, выполненными с гребенчатыми структурами из полупроводникового материала, инерционную массу, выполненную в виде пластины с перфорацией и гребенчатыми структурами из полупроводникового материала, расположенную с зазором относительно подложки и связанную с полупроводниковой подложкой с помощью четырех упругих балок, выполненных из полупроводникового материала, расположенных с зазором относительно подложки, которые одними концами жестко соединены с инерционной массой, а другими - с опорами, выполненными из полупроводникового материала и расположенными непосредственно на подложке.
Данный акселерометр позволяет измерять величину линейного 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, неподвижные электроды, выполненные из полупроводникового материала и расположенные непосредственно на полупроводниковой подложке.
Недостатком конструкции акселерометра является невозможность измерения величин линейного ускорения вдоль осей Z, направленной перпендикулярно плоскости подложки акселерометра, и Y, расположенной перпендикулярно оси X в плоскости подложки акселерометра.
Задачей предлагаемого изобретения является возможность измерения величин линейного ускорения вдоль осей X и Y, расположенных взаимно перпендикулярно в плоскости подложки, и оси Z, направленной перпендикулярно плоскости подложки.
Технический результат, достигаемый при осуществлении предполагаемого изобретения, заключается в возможности измерения величин линейного ускорения вдоль осей X и Y, расположенных взаимно перпендикулярно в плоскости подложки, и оси Z, направленной перпендикулярно плоскости подложки.
Технический результат достигается за счет введения четырех дополнительных неподвижных электродов, выполненных с гребенчатыми структурами из полупроводникового материала и расположенных непосредственно на полупроводниковой подложке, четырех подвижных электродов, выполненных в виде пластин с перфорацией и гребенчатыми структурами из полупроводникового материала и расположенных с зазором относительно полупроводниковой подложки, так что они образуют туннельные контакты с дополнительными неподвижными электродами в плоскости их пластин, второй и третьей дополнительных инерционных масс, выполненных в виде пластин с перфорацией из полупроводникового материала и расположенных с зазором относительно полупроводниковой подложки, так что они образуют туннельные контакты с неподвижными электродами в плоскости их пластин, двенадцати дополнительных упругих балок, выполненных из полупроводникового материала и расположенных с зазором относительно полупроводниковой подложки, двух торсионов, выполненных из полупроводникового материала и расположенных с зазором относительно полупроводниковой подложки, двух дополнительных опор, выполненных из полупроводникового материала и расположенных непосредственно на полупроводниковой подложке.
Для достижения необходимого технического результата в интегральный микромеханический акселерометр, содержащий полупроводниковую подложку с расположенными на ней двумя неподвижными электродами, выполненными с гребенчатыми структурами из полупроводникового материала, инерционную массу, выполненную в виде пластины с перфорацией и гребенчатыми структурами из полупроводникового материала, расположенную с зазором относительно подложки, четыре упругие балки, выполненные из полупроводникового материала, расположенные с зазором относительно подложки, опоры, выполненные из полупроводникового материала и расположенные непосредственно на подложке, введены четыре дополнительных неподвижных электрода, выполненные с гребенчатыми структурами из полупроводникового материала и расположенные непосредственно на полупроводниковой подложке, четыре подвижных электрода, выполненные в виде пластин с перфорацией и гребенчатыми структурами из полупроводникового материала и расположенные с зазором относительно полупроводниковой подложки, так что они образуют туннельные контакты с дополнительными неподвижными электродами в плоскости их пластин, вторую и третью дополнительные инерционные массы, выполненные в виде пластин с перфорацией из полупроводникового материала и расположенные с зазором относительно полупроводниковой подложки, так что они образуют туннельные контакты с неподвижными электродами в плоскости их пластин, двенадцать дополнительных упругих балок, выполненные из полупроводникового материала и расположенные с зазором относительно полупроводниковой подложки, два торсиона, выполненные из полупроводникового материала и расположенные с зазором относительно полупроводниковой подложки, две дополнительные опоры, выполненные из полупроводникового материала и расположенные непосредственно на полупроводниковой подложке.
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 туннельного акселерометра и показаны сечения. На Фиг. 2 приведена структура предлагаемого интегрального туннельного акселерометра.
Интегральный туннельный акселерометр (Фиг. 1) содержит полупроводниковую подложку 1 с расположенными на ней шестью неподвижными электродами 2, 3, 4, 5, 6, 7, выполненными с гребенчатыми структурами из полупроводникового материала, четыре подвижных электрода 8, 9, 10, 11, выполненные в виде пластин с перфорацией и гребенчатыми структурами из полупроводникового материала и расположенные с зазором относительно полупроводниковой подложки 1, образующие туннельные контакты с неподвижными электродами 2, 3, 4, 5 в плоскости их пластин и связанных с полупроводниковой подложкой 1 с помощью упругих балок 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19, выполненных из полупроводникового материала, которые одними концами жестко соединены с подвижными электродами 8, 9, 10, 11, а другими - с опорами 20, 21, 22, 23, выполненными из полупроводникового материала и расположенными непосредственно на полупроводниковой подложке 1, первую инерционную массу 24, выполненную в виде пластины с перфорацией из полупроводникового материала, расположенную с зазором относительно полупроводниковой подложки 1, связанную с подвижными электродами 8, 9, 10 с помощью упругих балок 25, 26, 27, 28, выполненных из полупроводникового материала, расположенных с зазором относительно полупроводниковой подложки 1, вторую инерционную массу 29, выполненную в виде пластины с перфорацией из полупроводникового материала, расположенную с зазором относительно полупроводниковой подложки 1, связанную с подвижными электродами 8, 9, 11 с помощью упругих балок 30, 31, 32, 33, выполненных из полупроводникового материала, расположенных с зазором относительно полупроводниковой подложки 1, третью инерционную массу 34, выполненную в виде пластины с перфорацией и гребенчатыми структурами из полупроводникового материала, расположенную с зазором относительно полупроводниковой подложки 1, связанную с первой и второй инерционными массами 24, 29 с помощью торсионов 35, 36, выполненных из полупроводникового материала, расположенных с зазором относительно полупроводниковой подложки 1, образующую туннельные контакты с неподвижными электродами 6, 7 в плоскости их пластин, опоры 37, 38, выполненные из полупроводникового материала, расположенные непосредственно на полупроводниковой подложке 1.
Работает устройство следующим образом.
При подаче напряжения питания на подвижные структуры акселерометра, включающие в себя подвижные электроды 8, 9, 10, 11, инерционные массы 24, 29, 34 относительно неподвижных электродов 2, 3, 4, 5, 6, 7, на которые подан нулевой потенциал, из-за малости воздушного зазора, разделяющего гребенки подвижных электродов 8, 9, 10, 11, инерционной массы 34 и гребенки неподвижных электродов 2, 3, 4, 5, 6, 7, электроны, имеющие достаточную вероятность прохождения сквозь потенциальный барьер, образованный зазором между гребенками, туннелируют в области подвижных электродов 8, 9, 10, 11, инерционной массы 34 и создают туннельные токи.
При возникновении линейного ускорения вдоль оси X, расположенной в плоскости полупроводниковой подложки 1, инерционные массы 24, 29, 34 под действием сил инерции перемещаются вдоль оси X за счет изгиба упругих балок 12, 13, 16, 17, которые одними концами соединены с подвижными электродами 8, 9 соответственно, а другими - с опорами 20, 21, 22, 23, и изгиба упругих балок 25, 26, 30, 31. Изменения туннельных токов, протекающих между гребенками подвижных 8, 9 и неподвижных 2, 3 электродов, за счет изменения величины зазора между ними характеризуют величину линейного ускорения.
При возникновении линейного ускорения вдоль оси Y, расположенной в плоскости полупроводниковой подложки 1, инерционные массы 24, 29, 34 под действием сил инерции перемещаются вдоль оси Y за счет изгиба упругих балок 14, 15, 18, 19, 27, 28, 32, 33. Изменения туннельных токов, протекающих между гребенками подвижных 10, 11 и неподвижных 4, 5 электродов, за счет изменения величины зазора между ними характеризуют величину линейного ускорения.
При возникновении линейного ускорения вдоль оси Z, направленной перпендикулярно плоскости полупроводниковой подложки 1, инерционная масса 34 под действием сил инерции отклоняется перпендикулярно плоскости полупроводниковой подложки 1 за счет кручения торсионов 35, 36. Изменения туннельных токов, протекающих между гребенками инерционной массы 34 и неподвижных электродов 6, 7, за счет изменения величины их площади перекрытия характеризуют величину линейного ускорения.
Опоры 37, 38 выполняют роль ограничителей движения инерционных масс 24, 29, 34 в плоскости полупроводниковой подложки 1.
Таким образом, предлагаемое устройство представляет собой интегральный туннельный акселерометр, позволяющий измерять величины линейного ускорения вдоль осей X и Y, расположенных в плоскости подложки, и оси Z, направленной перпендикулярно плоскости подложки.
Введение четырех дополнительных неподвижных электродов, выполненных с гребенчатыми структурами из полупроводникового материала и расположенных непосредственно на полупроводниковой подложке, четырех подвижных электродов, выполненных в виде пластин с перфорацией и гребенчатыми структурами из полупроводникового материала и расположенных с зазором относительно полупроводниковой подложки, так что они образуют туннельные контакты с дополнительными неподвижными электродами в плоскости их пластин, двух дополнительных инерционных масс, выполненных в виде пластин с перфорацией из полупроводникового материала и расположенных с зазором относительно полупроводниковой подложки, двенадцати дополнительных упругих балок, выполненных из полупроводникового материала и расположенных с зазором относительно полупроводниковой подложки, двух торсионов, выполненных из полупроводникового материала и расположенных с зазором относительно полупроводниковой подложки, двух дополнительных опор, выполненных из полупроводникового материала и расположенных непосредственно на полупроводниковой подложке, позволяет измерять величины линейного ускорения вдоль осей X и Y, расположенных взаимно перпендикулярно в плоскости полупроводниковой подложки, и оси Z, направленной перпендикулярно плоскости полупроводниковой подложки.
Таким образом, по сравнению с аналогичными устройствами, предлагаемый интегральный туннельный акселерометр позволяет сократить площадь полупроводниковой подложки, используемую под размещение измерительных элементов величин линейного ускорения, так как для измерения линейного ускорения по трем осям используется только один интегральный туннельный акселерометр.