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) микромеханического акселерометра, 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 [1].
Недостатком данного устройства является то, что при производстве микромеханических акселерометров, а именно ЧЭ возникают механические напряжение в ЧЭ. Эти напряжения приводят к значительным погрешностям микромеханического акселерометра. При изготовлении 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 датчика, а также основания корпуса микромеханического акселерометра и клея- герметика увеличивают смещение нулевого сигнала акселерометра, а это уменьшает точность микромеханического акселерометра.
Известна конструкция, содержащая опоры, крепежные элементы, гибкие балки. Гибкие балки предназначены фильтровать деформации основания, тем самым минимизировать передачу термомеханических напряжений от основания к ЧЭ микромеханического акселерометра [2].
Это решение позволяет улучшить характеристики статической развязки термомеханических напряжений между ЧЭ микромеханического акселерометра и его основанием. Однако, это решение полностью не устраняет влияние термомеханических напряжений на ЧЭ потому, что крепежная конструкция является гиперстатической, то есть имеется больше точек крепления, чем строго необходимо для подавления всех степеней свободы. Несмотря на статическую развязку, обеспечиваемую гибкими балками, некоторая деформация основания все равно будет передаваться ЧЭ микромеханического акселерометра.
Известно устройство, где чувствительный элемент механически отсоединен от основания микромеханического датчика через разделительный слой. Одной из форм такого разделительного слоя является каркас вокруг внешней рамки чувствительного элемента [3]. Такая конструкция является высокоэффективной, но ее недостаток заключается в том, что каркас вокруг внешней рамки значительно увеличивает размер устройства. Кроме того, сборку, то есть собранный чувствительный элемент перед сращиванием или анодным соединением необходимо точно позиционировать. Погрешность позиционирования приведет к дисбалансу всей колебательной системы и соответственно к возникновению напряжений и, следовательно, к значительному увеличению передающихся деформаций.
Следовательно, 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, разделительный слой должен обладать достаточной упругостью и достаточной жесткостью, не должен быть абсолютно жестким. 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, соединенной через упругий подвес с внешней рамкой, разделительный слой и клей - герметик, согласно изобретению, разделительный слой состоит из развязывающей плоскости, стеклянной подложки, стеклянных микрошариков размером не более 500 мкм, с одной стороны в развязывающей плоскости сформированы микролунки или канавки или углубления, с другой стороны сформированы площадки крепления к нижней крышки чувствительного элемента, выполненные по периферии развязывающей плоскости, стеклянные микрошарики установлении в микролунки или канавки или углубления, причем стеклянные микрошарики размещены в микролунки или канавки или углубления на не менее 1/3, клей - герметик нанесен между развязывающей плоскостью - стеклянными микрошариками - стеклянной подложкой.
2. Микромеханический акселерометр по п. 1, согласно изобретению, в развязывающей плоскости, с одной стороны сформированы площадки крепления к стеклянной подложки, выполненные по периметру развязывающей плоскости, а с другой сформированы микролунки или канавки или углубления для установки стеклянных микрошариков, клей -герметик нанесен между развязывающей плоскостью - стеклянными микрошариками - нижней крышкой чувствительного элемента.
3. Микромеханический акселерометр по п. 1, согласно изобретению, в развязывающей плоскости с обеих сторон сформированы микролунки или канавки или углубления для установки стеклянных микрошариков, клей -герметик нанесен между развязывающей плоскостью - стеклянными микрошариками - нижней крышкой чувствительного элемента и между развязывающей плоскостью - стеклянными микрошариками - стеклянной подложкой.
Отличительными признаками заявленного устройства является то, что разделительный слой состоит из развязывающей плоскости, стеклянной подложки, стеклянных микрошариков размером не более 500 мкм, с одной стороны в развязывающей плоскости сформированы микролунки или канавки или углубления, с другой стороны сформированы площадки крепления к нижней крышки чувствительного элемента, выполненные по периферии развязывающей плоскости, стеклянные микрошарики установленны в микролунки или канавки или углубления, причем стеклянные микрошарики углублены в микролунки или канавки или углубления на не менее 1/3, клей - герметик нанесен между развязывающей плоскостью - стеклянными микрошариками - стеклянной подложкой.
Допустимо, что, в развязывающей плоскости, с одной стороны сформированы площадки крепления к стеклянной подложки, выполненные по периметру развязывающей плоскости, а с другой сформированы микролунки или канавки или углубления для установки стеклянных микрошариков., клей - герметик нанесен между развязывающей плоскостью - стеклянными микрошариками - нижней крышкой чувствительного элемента.
Допустимо, что в развязывающей плоскости с обеих сторон сформированы микролунки или канавки или углубления для установки стеклянных микрошариков, клей - герметик нанесен между развязывающей плоскостью - стеклянными микрошариками - нижней крышкой чувствительного элемента и между развязывающей плоскостью - стеклянными микрошариками - стеклянной подложкой.
Применение стеклянных микрошариков, а именно их укладка в микролунки или канавки или углубления и укладка клея - герметика при воздействии температур в широком диапазоне препятствуют деформациям, передающимся от основания к ЧЭ. Тем самым, уменьшается смещение нулевого сигнала от воздействия положительных и отрицательных температуры. Размещение калиброванных стеклянных микрошариков в развязывающей плоскости с одной или с другой стороны или с обеих сторон, а также использование стеклянной подложки как дополнительный фильтр -барьер, препятствуют передающийся деформации от основания, обеспечивая высокую надежность при вибрациях, ударах (улучшают ударную вязкость) и термоциклах. Размещение стеклянных микрошариков диаметром не более 500 мкм в микролунки или канавки или углубления и укладка клея - герметика эффективно обеспечивает такое свойство разделительного слоя. Стеклянные микрошарики, установленные в микролунки или канавки или углубления взаимно соединяются в клее-герметике, обеспечивая сопротивление разным силам, прикладываемым к поверхности ЧЭ, таким как растяжение, сжатие или изгиб, и улучшают структурную целостность. Условием выполнения положительного эффекта заявляемого устройства является применение стеклянных микрошариков и их размещение в специально сформированных микролунках или канавках или углублениях. Кроме микролунок, вмещающих 1-5 стеклянных микрошариков, могут быть канавки, сформированные вдоль развязывающей плоскости или углубления, размещенные на развязывающей плоскости. Таким образом, обеспечивается надежная фиксация между развязывающей плоскостью и стеклянной подложкой или между развязывающей плоскостью и нижней крышкой ЧЭ или между развязывающей плоскостью и стеклянной подложкой и нижней крышкой ЧЭ.
Предлагаемое изобретение иллюстрируется чертежами фиг. 1а, 1б, 1в; фиг. 2а, 2б, 2в, фиг. 3, фиг. 4а, 4б.
На фиг. 1а, 1б, 1в изображен микромеханический акселерометр с разными вариантами размещения микрошариков на развязывающей плоскости. На фиг. 2а, 2б, 2в, 2г изображен пример реализации развязывающей плоскости с различными сформированными вытравленными структурами. Например на фиг. 2а с сформированными микролунками. На фиг. 2б сформированные канавки, вытравленные в кремниевой монокристаллической пластине, например на глубину 1/3 диаметра, применяемых стеклянных микрошариков. На фиг. 2в. 2г сформированные углубления, которые по линейным размерам больше микролунок и канавок. На фиг. 3а, 3б, изображены варианты размещения стеклянных микрошариков с обеих сторон развязывающей плоскости. Так на фиг. 3а стеклянные микрошарики смещены относительно друг друга с обеих сторон. На фиг. 3в изображена развязывающая плоскость с размещением стеклянных микрошариков в углубление с одной стороны и площадок крепления к нижней крышке ЧЭ или к стеклянной подложки с другой стороны. На фиг. 4а, 4б изображена сторона развязывающей плоскости с вариантами размещения площадок крепления к нижней крышки ЧЭ и площадок крепления к стеклянной подложки, где:
1 - инерционная масса;
2 - верхняя крышка;
3 - нижняя крышка;
4 - упругий подвес;
5 - микролунки;
6 - стеклянные микрошарики;
7 - внешняя рамка ЧЭ;
8 - развязывающая плоскость;
9 - площадки крепления к нижней крышки ЧЭ;
10 - площадки крепления к стеклянной подложки;
11 - стеклянная подложка;
12 - основание.
Микромеханический акселерометр содержит чувствительный элемент, состоящий из инерционной массы 1, заключенной между верхней 2 и нижней крышками 3. Инерционная масса 1 соединена с внешней рамкой ЧЭ 7 через упругий подвес 4. Внешняя рамка ЧЭ 7 соединена с верхней крышкой 2 и нижней крышкой 3 методом анодной сварки или прямого сращивания. Между чувствительным элементом, его нижней крышкой 3 и основанием 12 расположен разделительный слой, состоящий из развязывающей плоскости 8, с размещенными на ней в микролунках 5 стеклянных микрошариков 6 и стеклянные подложки 11, а также клея-герметика. В одном варианте площадки крепления нижней крышки ЧЭ 9 фиксируют развязывающую плоскость 8 к нижней крышке 3 чувствительного элемента. Во втором варианте площадки крепления стеклянной подложке 10 фиксируют развязывающую плоскость 8 к стеклянной подложки 11. В третьем варианте в развязывающей плоскости 8 с обеих сторон сформированы микролунки 5 и размещенными в них стеклянными микрошариками 6 с клеем - герметиком фиксируют нижнюю крышку ЧЭ 3 и стеклянную подложку 11 к развязывающей плоскости 8 с обеих сторон. Стеклянная подложка 11 через эластичный клей размещена на основании 12.
Микромеханический акселерометр работает следующим образом. При действии ускорения инерционная масса 1 поворачивается на угол, определяемый свойствами упругих подвесов 4 и величиной измеряемого ускорения и, измеряя отклонение инерционной массы 1, например емкостным способом, можно судить о величине воздействующего ускорения.
Стеклянные микрошарики 6 при воздействии внешних вредных факторов, в том числе положительных и отрицательных температур препятствуют деформациям, передающимся от основания 12 к ЧЭ. Минимизируют смещение нулевого сигнала от действия температуры. Установленные в микролунки 5 например как изображены на фиг.2а или канавки например как изображены на фиг.26 или углубления например как изображены на фиг.2в, 2 г с клеем - герметиком стеклянные микрошарики 6 препятствуют передаваемой деформации от основания 12, обеспечивая высокую надежность при вибрациях, ударах (улучшают ударную вязкость) и термоциклах, причем по всем направлениям. Именно размещение стеклянных микрошариков 6 диаметром не более 500 мкм в микролунки 5 или канавки или углубления с клеем - герметиком эффективно обеспечивает такое свойство разделительного слоя. Стеклянные микрошарики 6, установленные в микролунки 5(вместо микролунок могут использоваться или канавки или углубления) взаимно соединяются в клее-герметике, обеспечивая сопротивление разным силам, прикладываемым к поверхности ЧЭ, таким как растяжение, сжатие или изгиб, и улучшают структурную целостность. Обязательным условием является применение стеклянных микрошариков 6 и их размещение в сформированных микролунках 5 или канавках или углублениях. Причем кроме микролунок 5, вмещающих 1-5 стеклянных микрошариков, например как изображено на фиг. 2а могут быть канавки, сформированные вдоль развязывающей плоскости 8, например как изображено на фиг. 2б или углубления, размещенные на развязывающей плоскости 8, например как изображено на фиг. 2в. Тем самым, обеспечивается надежная фиксация между развязывающей плоскостью 8 и стеклянной подложкой 11 или между развязывающей плоскостью 8 и нижней крышкой ЧЭ 3 или между развязывающей плоскостью 8 и стеклянной подложкой 11 и нижней крышкой ЧЭ 3. Кроме того стеклянные микрошарики 6, размещенные в разделительном слое обеспечивают высокоточную параллельность установки ЧЭ на основание 12 и стабильность этой параллельности при воздействии температур, а также временную стабильность параллельности. Клей-герметик проникает минимальными слоями в межшариковое пространство. Обеспечивает вязкость слоя необходимую для максимального гашения различных деформаций, передающихся от основания 12 на чувствительный элемент. Эффективность применения схемы установки стеклянных микрошариков в микролунки или канавки или углубления еще и в том, что заявленная конструкция помимо повышения точности измеряемого параметра то есть линейного ускорения повышает устойчивость ЧЭ микромеханического акселерометра к боковым вибрациям и ударам.
Таким образом, обеспечивается приемлемая жесткость и упругость, обеспечивающая высокую эффективность разделительного слоя, состоящего из развязывающей плоскости 8 со сформированными микролунками 5, стеклянной подложки 11 и стеклянных микрошариков 6, размещенными в микролунках 5, тем самым повышается точность и качество микромеханического акселерометра.
Проведенные макетные испытания показали положительный эффект данного микромеханического акселерометра, 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 не легированными упругими подвесами //Датчики и системы. 2002. №2. С. 22-24.
2. Патент ЕР 2447209
3. Патент ЕР 1847509 - прототип.