МИКРОМЕХАНИЧЕСКИЙ ДАТЧИК УДАРА
MICROMECHANICAL SHOCK SENSOR

Изобретение относится к измерительной технике и может использоваться для регистрации механического ударного воздействия.
Известен МЭМС-датчик, изготовленный из КНИ-пластины с помощью процесса DRIE (глубокого реактивного ионного травления), который позволяет сформировать необходимую геометрию /1/. Датчик является одним из множества аналогичных датчиков, изготовленных на одной и той же пластине, при этом все датчики после изготовления разделяются для использования в качестве отдельных датчиков удара. Датчик, вытравленный в верхнем слое кремния, включает в себя центральную стойку, окруженную тороидальной массой и соединенную со стойкой посредством ряда упругих элементов. Массу полностью окружает множество отдельных элементов в форме клина - электродов, которые защелкиваются при воздействии удара. Чтобы работать в качестве датчика разнонаправленного удара, масса и упругие элементы, электроды должны свободно перемещаться и, следовательно, не должны иметь какого-либо нижележащего изолирующего слоя диоксида кремния. Один из способов удаления нижележащего изолирующего слоя - использование травителя, например, плавиковой кислотой, которая растворяет диоксид кремния. Травитель за относительно короткий период времени растворяет изоляцию под электродами, а также под упругими элементами, поскольку они имеют небольшую ширину, тем самым освобождая их для движения. Чтобы сократить время растворения диоксида кремния под массой, масса снабжена рядом отверстий, которые проходят от верхней поверхности до изолирующего слоя, тем самым обеспечивая прямой доступ травителя к нижней поверхности массы.
Изобретение используется для широкого диапазона воздействующего удара от 50 g до около 3000 g. Разработанный датчик удара регистрирует удары в плоскости с любого направления без источника электроэнергии.
Недостатком данной конструкции является наличие защелкивание контактов при воздействии удара, а значит невозможность повторного использования после удара. Также не гарантируется стойкость к ударам, перпендикулярным плоскости основания.
Известен датчик, изготовленный из КНИ-структуры, геометрия чувствительного элемента формируется с помощью процесса DRIE (глубокого реактивного ионного травления), хорошо отработанный процесс микрообработки, который широко используется в устройствах MEMS на основе кремния /2/. Предложенный датчик имеет две массы, которые подвешены на торсионах, которые перемещаются при воздействии удара в двух взаимно перпендикулярных направлениях. Массы контактируют с блокирующим элементом, которые запирается при воздействии удара определенной величины, при этом предотвращается перемещение обратно в исходное положение. Травитель за относительно короткий период времени растворяет изоляцию под торсионами, поскольку они имеют небольшую ширину, тем самым освобождая их для перемещения. Чтобы сократить время растворения диоксида кремния под оставшимися подвижными компонентами, они снабжены рядом отверстий, которые проходят от верхней поверхности до изолирующего слоя, тем самым открывая травителю прямой доступ к нижней поверхности этих компонентов.
Недостатком данной конструкции является невозможность повторного использования датчика после удара (за счет защелкивания). Конструкция не обеспечивает стойкость к ударам, перпендикулярным плоскости основания.
Наиболее близким по технической сути является МЭМС датчик с измерением по оси z /3/. Датчик создается на подложке из монокристаллической кремниевой пластины (можно использовать другие материалы), на которой формируются один или несколько проводящих слоев (например, поликремний, германий, кремний-германий), сформированные поверх или между диэлектрическими слоями, далее при помощи методов фотолитографии и травления формируется необходимая геометрия чувствительного элемента. Структура МЭМС включает в себя подвижную массу, сформированную над электродами и имеющую возможность перемещаться вдоль оси z и крышки, сформированной из проводящих или непроводящих материалов, которые позволяют электрически соединять или изолировать ее от подложки. В некоторых вариантах исполнения крышка может быть прикреплена к подложке для образования герметичного уплотнения. Крышка может включать один или несколько стопоров, которые предотвращают слишком большое перемещение подвижной массы в направлении z и контакта с другими компонентами или частями во время удара.
Основным недостатком описанного устройства является малая площадь контакта подвижной массы и крышки при замыкании, что может приводить к ухудшению детектирования удара. Используемые материалы не обладают достаточно низким электрическим сопротивлением.
Задачей, на решение которой направлено изобретение, является повышение ударопрочности, уменьшение электрического сопротивления в замкнутом виде, возможность многоразового использования датчика, обеспечение герметичности для динамических характеристик датчика.
Для решения поставленной задачи разработан микромеханический датчик удара, представляющий собой нормально разомкнутый ключ, имеющий два электрода, замыкающиеся при воздействии перегрузки, подвижный электрод, подвешенный на упругих элементах, представляющих собой изогнутую балку прямоугольного сечения, закрепленных с одной стороны в неподвижную часть основания, а с другой стороны - в инерционную массу, отличающийся тем, что на инерционной массе и на крышке, формирующих электроды, нанесено металлическое покрытие, места закрепления упругих элементов к инерционной массе расширены втрое по площади, инерционная масса имеет смещенный центр тяжести, что позволяет фиксировать перегрузки при боковых ударах вдоль оси X и/или Y и ударах под углом к оси чувствительности Z, герметичность внутреннего рабочего объема датчика достигается сращиванием крышки с основанием по месту крепления крышки.
Многоразовость срабатывания датчика обеспечивается за счет размыкания контактов при снижении перегрузки ниже уровня срабатывания датчиков за счет жесткости упругих элементов.
Задача повышения ударопрочности решается расширением втрое по площади упругих элементов в месте их крепления к инерционной массе, в том числе к ударам, воздействующим вдоль осей X, Y, Z. При критических перегрузках места крепления упругих элементов к инерционной массе испытывают предельное усилие на сдвиг, расчеты показали, что увеличение ширины подвеса в этом месте в 2 раза является минимально необходимым для сохранения целостности структуры, было принято решение сделать запас по прочности что привело к увеличение площади в 3 раза, дальнейшее увеличение площади заделки приводит к увеличению массы чувствительного элемента и, как следствие, к изменению номинала срабатывания.
Уменьшение электрического сопротивления в замкнутом виде достигается напылением металла на контактирующие поверхности электродов, металлы обладают меньшим электрическим сопротивлением чем конструктивные материалы чувствительного элемента. Уменьшение сопротивления контакта за счет применения металла, приводит к уменьшению силы тока, возникающей при замыкании цепи, следовательно, уменьшается нагрев зоны контакта, уменьшается энергопотребление и увеличивается быстродействие датчика.
Герметичность конструкции обеспечивается сращиванием крышки с основанием.
Предложенный чувствительный элемент микромеханического датчика иллюстрируется чертежом фиг. 1, где:
1 - инерционная масса;
2 - металлизация на инерционном элементе, формирующая электрод;
3 - основание для крепления упругих элементов;
4 - упругие элементы;
5 - место для крепления крышки;
6 - крышка;
7 - металлизация на крышке, формирующая электрод.
При воздействии удара вдоль оси чувствительности (оси Z) инерционная масса (1) с нанесенной металлизацией (2) со смещенным центром тяжести, подвешенная с помощью упругих элементов (4), расширенных втрое по площади в месте их крепления к инерционной массе (3), перемещается и контактирует с металлизацией на крышке (7) при ударе вдоль оси чувствительности. При воздействии бокового удара вдоль оси X или Y инерционная масса также контактирует с металлизацией на крышке (7). Крышка (6) герметично соединена с основанием по месту крепления крышки (5).
Таким образом, в предложенном микромеханическом датчике удара устранены все недостатки конструкций, указанных в прототипах. Жесткость упругих элементов и их расширение в месте крепления к инерционной массе обеспечивают многоразовость срабатывания и повышение ударопрочности в том числе к ударам, перпендикулярным плоскости основания. Изготовленные датчики имеют широкий диапазон уровня срабатывания 0,5…300g, обладают стойкостью к механическому удару одиночного действия до 30000g. Напыление металла на контактирующие поверхности электродов позволяет уменьшить электрическое сопротивление. Сопротивление датчика удара в замкнутом положении 300 Ом (для датчика с уровнем срабатывания 200g), в разомкнутом положении 2МОм. Использование крышки позволяет обеспечить герметичность изделия, тем самым улучшив динамические характеристики датчика: уменьшается время реакции на воздействие, улучшается качество регистрации кратковременных ударов.
Источники информации:
1. Патент США №7159442.
2. Патент США №7194889.
3. Патент США №8939023 - прототип.