МНОГОБАЛОЧНЫЙ АКСЕЛЕРОМЕТР - АНАЛИЗАТОР СПЕКТРА МЕХАНИЧЕСКИХ КОЛЕБАНИЙ НА ОСНОВЕ ТЕНЗОРЕЗИСТИВНЫХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ
MULTIBEAM ACCELEROMETRE - ANALYZER OF MECHANICAL OSCILLATIONS SPECTRUM BASED ON PIEZORESISTIVE CONVERTERS

Предлагаемое изобретение относится к полупроводниковым приборам для преобразования механических воздействий в электрический сигнал, измерение которого позволяет определить ускорение или силу ударов.
Полупроводниковые датчики величины и направления ускорения - акселерометры находят все более широкое распространение в интегрированных микросистемах благодаря возможности их объединения с остальными компонентами микросистем методами микроэлектроники и создания микроминиатюрных приборов для контроля и управления в автоматизированных комплексах различного назначения.
В настоящее время интенсивно развиваются /1/ интегральные полупроводниковые акселерометры маятникого типа с тензорезистивными и емкостными преобразователями механического перемещения инерционной массы под действием ускорения в электрический сигнал за счет изменения сопротивления тензорезисторов или емкости между подвижными и неподвижными элементами.
Известен кремниевый тензоакселерометр /2/, содержащий корпус с консольно закрепленной в нем кремниевой балкой с инерционной массой на конце балки. В монокристаллической балке со стороны рабочей поверхности методами изготовления интегральных схем сформированы диффузионные тензорезисторы, номинал которых изменяется под воздействием механических напряжений при изгибе балки вследствие действия силы инерции со стороны инерционной массы при движении устройства с ускорением. Основным недостатком данного акселерометра является его низкая чувствительность вследствие прогиба всей толщины балки.
Данный недостаток устранен в интегральном кремниевом акселерометре, изготовленном с применением анизотропного травления /3/. С помощью травления формируется утонение балки, в котором происходит концентрация напряжений, повышающая тензоэффект. Тензорезисторы в виде моста размещаются на концентраторе, а контактные площадки - на закрепленной части балки. Незакрепленная часть балки служит инерционной массой, которая при движении с ускорением в направлении, перпендикулярном рабочей поверхности кристалла, изгибает концентратор. Напряжения в концентраторе вызывают разбаланс моста, подключенного к напряжению питания. Разность напряжений на плечах моста является выходным сигналом. Недостатками данного акселерометра являются низкий показатель качества (произведение чувствительности на квадрат резонансной частоты) и высокая поперечная чувствительность. При увеличении инерционной массы повышается чувствительность и одновременно снижается резонансная частота, как за счет увеличения массы, так и за счет увеличения расстояния от концентратора до центра тяжести инерционной массы. Высокая поперечная чувствительность определяется несовпадением центра инерционной массы с нейтральной плоскостью, проходящей посередине между поверхностями концентратора.
В интегральном балочном преобразователе, изготавливаемом на кремниевых пластинах с плоскостью, ориентированной по кристаллографическому направлению (100) /4/, введена упрощенная прямоугольная конфигурация закрепленной части балки и инерционной массы. Центры резисторов тензомоста на концентраторе располагаются на одной линии посередине между закрепленной частью балки и инерционной массой и имеют кристаллографическое направление (110). Контактные площадки кроме обычной алюминиевой металлизации имеют область, покрытую припоем, для облегчения монтажа кристаллов в аппаратуру.
Сквозные фигуры совмещения обеспечивают повышение точности совмещения при монтаже кристаллов на основание. Вокруг p+ тензорезисторов сформированы n+ области охраны от утечек. Эти конструктивные и технологические усовершенствования позволяют повысить выход годных кристаллов с заданными метрологическими характеристиками.
В акселерометре /5/ между корпусом и инерционной массой введена демпфирующая жидкость, удерживаемая силами поверхностного натяжения и обеспечивающая повышение показателя качества.
Повышение чувствительности и линейности выходного сигнала в интегральном балочном преобразователе /6/ достигается введением второго концентратора. Тензорезисторы располагаются по два на каждом концентраторе вдоль или поперек балки. Между концентраторами располагается третье основание и оно является инерционной массой. Два крайних основания жестко закреплены. Перемещение одного из закрепленных оснований приводит к изгибу балки и формированию сигнала на мосте из тензорезисторов. Техническим результатом введения второго концентратора является повышение чувствительности и линейности выходного сигнала мостовой схемы тензопреобразователя при его использовании в устройствах для измерения силы или микроперемещений параллелограммного типа.
В патенте США /7/ предлагаются структура и способ изготовления монокристаллического кремниевого сенсора с высоким коэффициентом преобразования и линейностью. Изобретение обеспечивает формирование структуры полупроводникового емкостного сенсора в слое монокристаллической пластины в виде балки, ограниченной плоскостями: двумя противоположно расположенными исходными горизонтальными неосновными и двумя противоположно расположенными вертикальными главными поверхностями, изготавливаемыми плазменным глубинным травлением. Соотношение площадей поверхностей главной и неосновной поверхностей составляет 5:1. Под балкой располагается носитель с углублением, над которым подвешивается сенсор.
В патенте /8/ предлагается резистивный акселерометр, в котором инерционная масса вращается в двух рамках. Акселерометр имеет первую рамку для поддержания инерционной массы на паре внешних связей, расположенных вдоль одной оси. Внутри первой рамки имеется другая рамка со связями вдоль одной или нескольких осей. Фиксируется перемещение и вращение масс.
В патенте /9/ предлагается резистивный акселерометр с вращением в одной рамке груза на двух противолежащих балках с сопротивлениями. При измерениях фиксируются резонансные частоты.
Повышение показателя качества и снижение поперечной чувствительности достигается в интегральном кремниевом тензоакселерометре /10/. Этот акселерометр содержит выполненные из единой монокристаллической кремниевой подложки два основания и соединяющий их концентратор механических напряжений, представляющий собой утоненную часть подложки со стороны нерабочей поверхности. На рабочей стороне концентратора сформированы диффузионные тензорезисторы, соединенные металлизацией в мостовую схему. Первое основание закреплено в корпусе, а на втором установлен дополнительный груз. Груз закреплен таким образом, что общий центр масс второго основания и груза был равно удален от плоскостей рабочей и нерабочей поверхностей концентратора. Масса груза больше массы второго основания.
Недостатки этого прибора определяются тем, что для повышения основной чувствительности и снижения поперечной чувствительности на подвижном основании закреплен груз. Наличие груза приводит к снижению резонансной частоты и показателя качества (произведение чувствительности на квадрат резонансной частоты). Высокая поперечная чувствительность зависит от точности закрепления груза. При изготовлении акселерометров на кремниевых пластинах с плоскостью, ориентированной по кристаллографическому направлению (100), два резистора тензомоста на концентраторе расположены вдоль балки, а два другие - поперек. Различие положения тензорезисторов на концентраторе приводит к начальному разбалансу моста. Измерение разности потенциалов в мосте производится на частотах перемещения маятниковой структуры груз - балка, далекой от резонансной частоты.
Известен частотомер /11/ тока в сети, который содержит ряд упругих пластин, закрепленных на общем основании и нагруженных на концах сосредоточенными массами разной величины. Резонансная частота упругих пластин с массами имеет величину (50±n 0,5) Гц. Для возбуждения колебаний используется электромагнит сетевого тока, колебания от которого передаются на основание. Совпадение частоты колебаний тока с резонансной частотой одной из пластин фиксируется визуально.
Известен частотомер /12/ механических колебаний, который содержит ряд упругих пластин разной длины, закрепленных на общем колеблющемся основании и нагруженных на концах равными сосредоточенными массами. Совпадение частоты механических колебаний основания с резонансной частотой одной из пластин фиксируется визуально.
Наиболее близким аналогом, принятым нами за прототип, является патент /13/ на двухбалочный акселерометр. Интегральный кремниевый тензоакселерометр изготавливается на единой монокристаллической кремниевой подложке в виде двух основных частей. Одна часть закреплена на объекте, испытывающем механические колебания. Вторая, подвижная часть, служит инерционной массой. Между основными частями расположен концентратор механических напряжений, на котором сформированы диффузионные тензорезисторы, соединенные металлизацией в мостовую схему. Для получения высокого показателя качества и уменьшения начального разбаланса тензомоста акселерометр дополнительно снабжен второй подвижной инерционной массой и вторым концентратором. Вторая пара инерционной массы и концентратора расположена идентично с первой относительно закрепленной части. Направление движения инерционных масс с ускорением одинаково, а длинная сторона резисторов направлена по кристаллографическому направлению (111).
Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является повышение качества измерений ускорения или силы ударов, создающих колебания в основании.
Технические результаты, достигаемые при осуществлении изобретения, выражаются в получении высокого показателя качества в интегральном кремниевом тензоакселерометре и получении спектральной характеристики механического воздействия. Предложенное решение позволяет обеспечить у реального изделия широкий диапазон рабочих частот за счет изменения инерционной массы, длины, ширины, толщины концентратора, места расположения и размеров перемычки, коэффициента демпфирования.
Суть изобретения состоит в изменении конструкции интегрального кремниевого тензоакселерометра за счет создания набора резонансных структур, состоящих из инерционных масс, концентраторов и перемычек между концентраторами и инерционными массами, расположенных идентично относительно основной измерительной оси и направления движения с ускорением и идентичного расположения одинаково направленных тензорезистивых мостов на концентраторах. Показатель качества повышается за счет двух факторов. Чувствительность повышается за счет измерения на резонансной частоте каждой из резонансных структур. Режим резонанса обеспечивает получение максимальной чувствительности. Измерительная схема настроена на резонансную частоту каждой данной инерционной массы, что обеспечивает получение спектральной характеристики воздействующих механических колебаний.
Идентичность расположения тензорезисторов обеспечивается точностью процесса фотолитографии при формировании резисторов в интегральном исполнении. Идентичность расположения резисторов обеспечивает минимальный начальный разбаланс тензомоста.
Поскольку концентратор имеет такую же толщину, как и инерциальная масса, поперечная чувствительность сведена к минимуму.
На фиг.1 представлена конструкция многобалочного акселерометра с переменной величиной массы, на фиг.2 представлена конструкция многобалочного акселерометра с переменной длиной или шириной концентратора между массами одинаковой величины, на фиг.3 представлена конструкция многобалочного акселерометра с переменным положением перемычки между массами одинаковой величины, схема включения напряжения дана на фиг.4, типовые амплитудно-частотные характеристики преобразователей приведены на фиг.5, спектральная характеристика многобалочного акселерометра показана на фиг.6.
На фиг.1 показана структура многобалочного акселерометра, где прибор состоит из n- инерционных масс (1) из подложки первого типа проводимости, имеющих разную массу, n- концентраторов напряжений (2) из подложки первого типа проводимости, n- тензомостов (3) из диффузионного слоя второго типа проводимости, из закрепленной части монокристаллической подложки первого типа проводимости (4).
На фиг.2 показана структура многобалочного акселерометра, где прибор состоит из n- инерционных масс (1) из подложки первого типа проводимости, n- концентраторов напряжений (2) из подложки первого типа проводимости, имеющих разную длину (5) или ширину (6), n- тензомостов (3) из диффузионного слоя второго типа проводимости, из закрепленной части монокристаллической подложки (4) и ограничителей (7).
На фиг.3 показана структура многобалочного акселерометра, где прибор состоит из n- инерционных масс (1) из подложки первого типа проводимости, n- концентраторов напряжений (2) из подложки первого типа проводимости, n- тензомостов (3) из диффузионного слоя второго типа проводимости, из закрепленной части монокристаллической подложки первого типа проводимости (4), из n-1 - перемычек между концентраторами или инерционными массами (8).
На фиг.4 дана схема включения тензорезистивного моста Уитстона, состоящего из тензорезисторов R1 (9), R2 (10), R3 (11), R4 (12). На контактную площадку общего вывода Uобщ (14) подается нулевой потенциал. На контактную площадку питания Епит (15) подается напряжение питания Епит. С контактной площадки выхода U(Fn) (13) снимается потенциал с левого плеча моста, а с контактной площадки выхода -U(Fn) (16) снимается потенциал с правого плеча моста.
При воздействии силы инерции на инерционные массы в направлении поверхности прибора происходит перемещение масс и изгиб балок в области концентраторов. Изгиб концентраторов создает в них механические напряжения.
Зависимость коэффициента динамичности Кд от относительной частоты сигнала
Y=F / Fрез при различных значениях коэффициента демпфирования ξ показан на фиг.5. Резонансной является частота Fрез, на которой акселерометр обладает максимальной чувствительностью. Частота собственных колебаний чувствительного элемента (ЧЭ) является самой низкой частотой синусоидально возбуждения, на которой ЧЭ отстает от перемещения корпуса на фазовый угол, равный 90°. По мере того, как частота возбуждения повышается до частоты собственных колебаний и далее переходит за нее, фазовый угол увеличивается с 90 до 180° и остается равным 180° в достаточно широкой полосе частот. В недемпфированном акселерометре (коэффициент демпфирования ξ≤0,1) частоты, соответствующие максимальной чувствительности и сдвигу фаз на 90°, практически совпадают. Частоту, соответствующую максимальной чувствительности демпфированных акселерометров (ξ≅0,7), обычно указывают как частоту собственных колебаний, соответствующую фазовому сдвигу на 90°.
Для получения резонансного режима работы акселерометра коэффициент демпфирования должен быть менее 0,5.
В резонансном режиме при воздействии колебаний большой амплитуды возможно нарушение прочности балок. Для ограничения амплитуды колебаний между инерционными массами размещаются ограничители перемещения (7), показанные на фиг.2.
Пример конкретного выполнения многобалочного акселерометра с рабочим диапазоном от 20 до 10000 Гц, который перекрывается при помощи десяти двухоктавных поддиапазонов
Кремниевая монокристаллическая подложка имеет толщину 300 мкм. Акселерометр содержит 11 инерционных масс с размером 1,6×1,6×0,3 мм. Подвеска инерционных масс выполнена на балках длиной 8 мм с сечением 0,3×0,01 мм, которые служат концентраторами механических напряжений. Первая балка не имеет перемычки. Между второй и третьей балкой установлена перемычка на расстоянии h=3 мм от места закрепления. Собственная частота первой инерционной массы 20 Гц, второй инерционной массы 40 Гц. Далее между балками установлены перемычки на расстоянии h=4,86; 6; 6,77; 7,23; 7,52; 7,7; 7,81; 7,88 мм от места закрепления. При этом собственная частота каждой последующей инерционной массы увеличивается в два раза.
На одном краю концентратора напряжения растягивающие, а на другом сжимающие. Поэтому знак тензочувствительности разный и сопротивление на одном краю увеличивается, а на другом краю уменьшается. Изменение падения напряжения на резисторах при механическом воздействии ускорения 20 g при ориентации резисторов вдоль кристаллографического направления [111] составляет 10 мВ, т.е. чувствительность равна S=0,5 мВ/g.
На фиг.6 представлена спектральная зависимость выходного сигнала dU, снимаемого с тензорезистивных мостов многобалочного акселерометра при действии на основание переменной механической нагрузки с частотой F.
Источники информации
1. Микроэлектромеханические системы. Принципы построения и конструкции акселерометров / В.-Я.Распопов // Датчики и системы, №7, 2005 г., С.22-33.
2. Тензоакселерометр, А/С 504978, от 07.10.1974, МКИ G01P 15/12.
3. Интегральные тензопреобразователи, Ваганов В.И., М. Энергоиздат, 1983.
4. Интегральный балочный тензопреобразователь, Данилова Н.Л., Зимин В.Н., Синицин Б.В., Салахов Н.З., Шелепин Н.А., Небусов В.М., Патент РФ 2006993.
5. Акселерометр, Брехов Р.С., Патент РФ №2091797.
6. Интегральный балочный тензопреобразователь, Зимин В.Н., Салахов Н.З., Шабратов Д.В., Шелепин Н.А., Небусов В.М., Синицин Б.В., Патент РФ 2035090.
7. Патент Peterson and al. № US 6,084,257 May 24, 1995
8. Патент Kvisteroey et al. №. EP 00305807.0 Jul 20, 2000
9. Патент Kvisteroey et al. №. EP 00305111.7 Jun 16, 2000
10. Интегральный кремниевый тензоакселерометр, Шелепин Н.А., Брехов Р.С. Патент РФ №94006873.
11. Колебания и волны, Горелик Г.С., М.: Физмат, с.508, 1959.
12. Приборы для измерения и регистрации колебаний, Гевондян Т.А., Киселев Л.Т., М.: Машгиз, с.318, 1962.
13. Двухбалочный акселерометр, Красюков А.Ю., Погалов А.И., Тихонов Р.Д., Суханов B.C. Патент РФ №2324192 - прототип.