ИНТЕГРАЛЬНЫЙ МИКРОМЕХАНИЧЕСКИЙ ТЕНЗОРЕЗИСТОРНЫЙ АКСЕЛЕРОМЕТР-КЛИНОМЕТР

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения ускорения и угла наклона.
Известен 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, p.1186, fig.1]. Данный акселерометр позволяет измерять величину ускорения вдоль осей Х и Y, расположенных взаимно перпендикулярно в плоскости подложки, и оси Z, направленной перпендикулярно плоскости подложки. Его недостатком является невозможность измерения угла наклона инерционной массы относительно линии горизонта.
Наиболее близким к предполагаемому изобретению является интегральный микромеханический акселерометр-клинометр [патент РФ №2279092, 2005 г.], содержащий полупроводниковую подложку с расположенными на ней четырьмя неподвижным электродами, выполненными из полупроводникового материала, инерционную массу, расположенную с зазором относительно подложки, выполненную в виде пластины из полупроводникового материала, образующую с неподвижными электродами плоские конденсаторы за счет их полного перекрытия, используемые в качестве емкостных преобразователей перемещений и наклона, слой инерционной массы, выполненный из задубленного фоторезиста и расположенный непосредственно на инерционной массе, упругие балки, выполненные из полупроводникового материала, опоры, выполненные из полупроводникового материала и расположенные непосредственно на подложке, четыре неподвижных электрода, выполненных из полупроводникового материала с гребенчатыми структурами и расположенных непосредственно на подложке, четыре подвижных
электрода емкостных преобразователей перемещений, выполненные в виде пластин с гребенчатыми структурами из полупроводникового материала и расположенные с зазором относительно полупроводниковой подложки так, что они образуют плоские конденсаторы с неподвижными электродами с гребенчатыми структурами емкостные преобразователи перемещений в плоскости их пластин через боковые зазоры и взаимопроникающие друг в друга гребенки электродов.
Известное устройство характеризуется недостаточной чувствительностью, недостаточно малыми габаритами и высокой стоимостью изготовления в связи со сложностью конструкции.
Техническая задача - усовершенствование измерительного устройства.
Технический результат - повышение чувствительности измерительного устройства к ускорению и отклонению инерционной массы относительно линии горизонта, уменьшение габаритов и упрощение конструкции устройства.
Технический результат достигается тем, что в известном устройстве в качестве чувствительных элементов введены тензорезисторы, имплантированные в упругие балки.
Предлагаемый интегральный микромеханический тензорезисторный акселерометр-клинометр иллюстрируется чертежами, представленными на фиг.1 (общий вид и сечения по линиям А-А, Б-Б, В-В).
Интегральный микромеханический тензорезисторный акселерометр-клинометр содержит полупроводниковую подложку 1, инерционную массу 2, выполненную в виде пластины из полупроводникового материала, размещенную с зазором относительно полупроводниковой подложки 1, с расположенным на ней слоем дополнительной инерционной массы 3 из задубленного фоторезиста. Инерционная масса 2 с помощью упругих балок 4, 5, 6, 7, выполненных из полупроводникового материала, связана с концами упругих балок 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, выполненных из полупроводникового материала, которые другими концами жестко соединены с опорами 16, 17, 18, 19,
выполненными из полупроводникового материала и расположенными непосредственно на полупроводниковой подложке 1. Полупроводниковые тензорезисторы 20, 21, 22, 23, 24, 25, 26, 27, 28, 29, 30, 31 получены диффузионным способом на упругих балках 4, 5, 6, 7. Тензорезисторы имеют начальную деформацию за счет незначительного принудительного изгиба упругих балок 4, 5, 6, 7 в процессе их формирования, что обеспечивает при эксплуатации устройства увеличение или уменьшение их электрического сопротивления в зависимости от направления изгиба упругих балок. Для увеличения чувствительности устройства тензорезисторы 20 и 22, 21 и 23, 24 и 27, 28 и 31, а также тензорезисторы 25, 26, 29 и 30 в электрической схеме соединены между собой последовательно.
Устройство позволяет производить измерение величины ускорения в направлениях X, Y (в плоскости подложки), Z (перпендикулярно плоскости подложки) и отклонения инерционной массы относительно линии горизонта в направлениях X, Y.
Устройство работает следующим образом.
При возникновении ускорения полупроводниковой подложки 1 вдоль оси X, расположенной в плоскости полупроводниковой подложки 1, инерционная масса 2 с расположенным на ней слоем дополнительной инерционной массы 3 под действием сил инерции начинает перемещаться вдоль оси Х в плоскости полупроводниковой подложки 1 за счет s-образного изгиба упругих балок 8, 9, 12, 13, которые одними концами жестко соединены с упругими балками 4, 6, а другими - с опорами 16, 17, 18, 19 соответственно, и упругих балок 5, 7. В зависимости от направления ускорения начальная деформация тензорезисторов 21 и 23 увеличивается или уменьшается. Изменение деформации преобразуется в изменение электрического сопротивления, которое характеризует величину ускорения. Последовательное включение двух тензорезисторов 21 и 23 в электрическую схему позволяет удвоить чувствительность.
При возникновении ускорения полупроводниковой подложки 1 вдоль оси Y, расположенной в плоскости полупроводниковой подложки 1, инерционная масса 2 с
расположенным на ней слоем дополнительной инерционной массы 3 под действием сил инерции начинает перемещаться вдоль оси Х в плоскости полупроводниковой подложки 1 за счет s-образного изгиба упругих балок 10, 11, 14, 15, которые одними концами жестко соединены с упругими балками 5, 7, а другими - с опорами 17, 18, 16, 19 соответственно, и упругих балок 4, 6. В зависимости от направления ускорения начальная деформация тензорезисторов 20 и 22 увеличивается или уменьшается. Изменение деформации преобразуется в изменение электрического сопротивления, которое характеризует величину ускорения. Последовательное включение двух тензорезисторов 20 и 22 в электрическую схему позволяет удвоить чувствительность.
При возникновении ускорения полупроводниковой подложки 1 вдоль оси Z, направленной перпендикулярно плоскости полупроводниковой подложки 1, инерционная масса 2 с расположенным на ней слоем дополнительной инерционной массы 3 под действием сил инерции начинает перемещаться перпендикулярно плоскости полупроводниковой подложки 1, за счет s-образного изгиба упругих балок 4, 5, 6, 7 и кручения упругих балок 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15. В зависимости от направления ускорения начальная деформация тензорезисторов 24, 25, 26, 27, 28, 29, 30, 31 увеличивается или уменьшается, что соответственно влияет на изменение их сопротивления. Тензорезисторы 25, 26, 29 и 30 включены последовательно в электрическую схему, что позволяет вчетверо увеличить чувствительность. Изменения сопротивлений последовательно соединенных тензорезисторов 24, 27, деформированных в противоположных направлениях, взаимно компенсируют друг друга. Аналогично работают тензорезисторы 28 и 31.
При наклоне полупроводниковой подложки 1 на некоторый угол а вокруг оси X, расположенной в плоскости полупроводниковой подложки 1, относительно линии горизонта, инерционная масса 2 с расположенным на ней слоем дополнительной инерционной массы 3 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 8, 9, 12, 13, 5, 7, расположенных перпендикулярно оси X, и кручения упругих балок 10, 11, 14, 15, 4, 22, расположенных параллельно оси X. В результате изгиба упругих балок 5, 7 изменяется деформация тензорезисторов 24, 25, 26, 27, причем у тензорезисторов 24 и 27 деформация изменяется одинаково в одном направлении, а у тензорезисторов 25 и 26 - одинаково в противоположных направлениях. Изменение электрического сопротивления последовательно соединенных в электрической схеме тензорезисторов 24 и 27, возникающее вследствие изменения их деформации, характеризует величину наклона полупроводниковой подложки 1 вокруг оси X. Изменение электрического сопротивления последовательно соединенных в электрической схеме тензорезисторов 25 и 26 взаимно компенсируется.
При наклоне полупроводниковой подложки 1 на некоторый угол γ вокруг оси Y, расположенной в плоскости полупроводниковой подложки 1, относительно линии горизонта, инерционная масса 2 с расположенным на ней слоем дополнительной инерционной массы 3 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 10, 11, 14, 15, 4, 6, расположенных перпендикулярно оси Y, и кручения упругих 8, 9, 12, 13, 5, 7, расположенных параллельно оси Y. В результате изгиба упругих балок 4, 6 изменяется деформация тензорезисторов 28, 29, 30, 31, причем у тензорезисторов 28 и 31 деформация изменяется одинаково в одном направлении, а у тензорезисторов 29 и 30 - одинаково в противоположных направлениях. Изменение электрического сопротивления последовательно соединенных в электрической схеме тензорезисторов 28 и 31, возникающее вследствие изменения их деформации, характеризует величину наклона полупроводниковой подложки 1 вокруг оси Y. Изменение электрического сопротивления
последовательно соединенных в электрической схеме тензорезисторов 29 и 30 взаимно компенсируется.
Использование в предлагаемом интегральном микромеханическом тензорезисторном акселерометре-клинометре в качестве чувствительных элементов тензорезисторов выгодно отличает предлагаемый акселерометр от известных устройств, так как оно обладает большей чувствительностью, более компактное и простое по конструкции.