МИКРОСИСТЕМНЫЙ ЁМКОСТНОЙ ДАТЧИК ИЗМЕРЕНИЯ ФИЗИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИН
MICROSYSTEM CAPACITIVE SENSOR FOR MEASURING PHYSICAL QUANTITIES

Область техники
Изобретение относится к области микроэлектроники - устройствам микросистемной техники, выполненным по технологиям микрообработки кремния, и может выполнять роль исполнительного элемента датчиковой аппаратуры в части измерения параметров перемещения, ускорения, температуры, механической силы, массы, электрической мощности, потока, освещенности и влажности.
Уровень техники
Из уровня техники известно устройство «MEMS sensor suite on chip», представляющее собой интегрированный на одном устройстве чип на основе микроэлектромеханических устройств [Л1]. Датчик позволяет измерять температуру, влажность и ускорение по двум осям, тем самым объединяя в своей конструкции одновременно датчик влажности, температуры и акселерометр. Датчик влажности образован конденсатором, чувствительным к влажности, температурный датчик представляет собой терморезистор. Датчики изготавливаются в едином технологическом цикле, что позволяет интегрировать их в единый чип. Возможности подключения позволяют считывать показания датчиков, устанавливать диапазон измерения и обрабатывать входные/выходные сигналы. Точность измерения влажности - 0,1%, температуры - 0,5°C, ускорения - 0,2 g.
Недостатком изобретения является ограниченный диапазон температурных измерений: - 40°C, сложность конструкции, обусловленная различными принципами функционирования каждого из входящих в систему датчиков и невозможность функционирования в жестких условиях, в частности в условиях открытого космоса.
Из уровня техники известно устройство «Integrated MEMS 3D multi-sensor», представляющее собой аппарат для измерения ускорения и магнитных полей по трем осям [Л2]. Принцип функционирования основан на измерении емкости сформированных в структуре мостов. Всего сформировано 4 моста, объединенные попарно и соединенные пружинами. Каждая из пар способна проводить измерение по двум осям, пары мостов находятся в перпендикулярных плоскостях, тем самым позволяя организовать измерения по всем трем осям.
Основным недостатком данного технического решения является ограниченное количество измеряемых физических величин, сложность конструкции и невозможность функционирования в жестких условиях, в частности в условиях открытого космоса.
Из уровня техники известно устройство «MEMS-based micro and nano grippers with two-axis force sensors», представляющее собой микрозонд с возможностью определения усилий на зажимах по двум осям [Л3]. Данный датчик способен определять как усилие зажима, так и силы, приложенные к концевикам захватов вдоль нормального к ним направления. Захватывающие движения создаются одним или несколькими термоэлектрическими актюаторами. Разрешение датчика достигает единиц нН. Конструкция позволяет организовать единый технологический процесс изготовления устройства.
Недостатком известной конструкции является ограниченное количество измеряемых физических величин, узкий диапазон их измерения, а также невозможность функционирования в жестких условиях, в частности в условиях открытого космоса.
Раскрытие изобретения
Техническим результатом заявленного изобретения является:
- совмещение в одной конструкции датчиков различных физических величин, в частности: перемещения, ускорения, температуры, механической силы, массы, электрической мощности, потока, освещенности и влажности;
- возможность функционирования в условиях открытого космоса и устойчивость к жестким температурным условиям эксплуатации;
- возможность изготовления датчика групповыми методами по стандартным технологиям микрообработки кремния и механообработки элементов конструкции;
- широкие возможности по унификации и созданию типоразмерного ряда датчиков с различными пределами измерения необходимых физических величин;
- возможность подстройки датчика за счет активного режима работы;
- применение в качестве датчика обратной связи для систем на основе подвижных термомеханических микроактюаторов.
Технический результат достигается тем, что микросистемный емкостной датчик измерения физических величин включает:
- основание из диэлектрического материала,
- один или более исполнительных элементов в виде подвижных термомеханических микроактюаторов, расположенных на основании;
при этом над слоем полиимида подвижных термомеханических микроактюаторов на боковых противоположных гранях кремниевых канавок, заполненных полиимидом, сформированы металлические обкладки конденсатора, параллельно соединенные между собой проводниками, идущими вдоль подвижного хвостовика термомеханического микроактюатора до его основания;
на основании и/или внутри основания сформированы металлизированные дорожки для электрического контакта к площадкам подвижного термомеханического микроактюатора, выполненным с возможностью измерения емкости между обкладками сформированного на подвижном термомеханическом микроактюаторе конденсатора.
В предпочтительном варианте, подвижные термомеханические микроактюаторы выполнены в виде сформированной в меза-структуре упруго-шарнирной консольной балки, состоящей из параллельных трапециевидных вставок из монокристаллического кремния с ориентацией [100], расположенных перпендикулярно основной оси консольной балки и соединенных полиимидными прослойками, образованными полиимидной пленкой, при этом полиимидная пленка выполнена из слоя полипиромеллитимида, прилегающего к параллельным трапециевидным вставкам. Полиимидные прослойки, образованные полиимидной пленкой между параллельными трапециевидными вставками, выполнены в V-образной или трапециевидной форме в поперечном сечении с расстоянием между соседними параллельными трапециевидными вставками, равным или отличным от нуля. На нижней поверхности подвижного термомеханического микроактюатора, обращенной к основанию, сформирован слой металлизации, обладающий омическим контактом с кремнием и представляющий собой две параллельные шины, а на основании дополнительно сформированы металлизированные дорожки, обеспечивающие электрический контакт к данному слою металлизации посредством навесного монтажа металлическими проводниками.
Краткое описание чертежей
Признаки и сущность заявленного изобретения поясняются в последующем детальном описании, иллюстрируемом чертежами, где показано следующее.
На фиг.1 представлена конструкция заявленного микросистемного емкостного датчика измерения физических величин на основе подвижного термомеханического микроактюатора, где:
а - общий вид конструкции микросистемного емкостного датчика измерения физических величин;
б - укрупненное изображение сечения микросистемного емкостного датчика измерения физических величин в канавке, сформированной в кремнии и заполненной полиимидом, где:
U - электрическое напряжение, подаваемое на контакты подвижного термомеханического микроактюатора;
C - емкость, измеряемая между обкладками конденсатора, сформированного на боковых противоположных гранях канавок подвижного термомеханического микроактюатора и образующего встречно-штыревую структуру;
α - угол отклонения хвостовика подвижного термомеханического микроактюатора от плоскости основания из диэлектрического материала;
n - количество канавок в структуре подвижного термомеханического микроактюатора.
На фигуре 1 обозначено следующее:
1 - подвижной термомеханический микроактюатор;
2 - основание из диэлектрического материала с металлизированными дорожками и контактными площадками;
3 - металлические обкладки конденсатора с проводящими дорожками;
4 - полиимид;
5 - кремний.
Осуществление и примеры реализации
Заявленное изобретение способно проводить измерения физических величин через измерение характеристики сформированного в структуре подвижного термомеханического микроактюатора конденсатора.
Емкость конденсатора, сформированного в структуре подвижного термомеханического микроактюатора, определяется как сумма емкостей различной природы. В частности, определяющими, оказывающими основное влияние на суммарную емкость, являются: воздушная емкость между боковыми гранями кремниевых канавок со слоем металлизации, контактная емкость между полупроводником и нижним слоем металлизации, емкость через полиимидный слой между верхним и нижним проводником, емкость между соседними кремниевыми канавками в случае отсутствия нижней металлизации, а также иные побочные емкости, значение которых много меньше вышеназванных.
Как видно на фиг.1, при изгибе балки подвижного термомеханического микроактюатора, происходит в определенной степени равномерное изменение расстояния между обкладками в каждой из канавок, заполненных полиимидным слоем, за счет изменения угла между боковыми гранями кремниевых канавок. При этом изгиб балки может происходить в результате воздействия сил различной природы, в том числе: прямого механического воздействия на хвостовик подвижного термомеханического микроактюатора, либо теплового воздействия как от внешнего источника, так и от электрического сигнала, поданного на нагреватели подвижного термомеханического микроактюатора. Перемещение в результате температурного воздействия возможно благодаря биморфной структуре подвижного термомеханического микроактюатора, содержащей материалы с резко различающимися коэффициентами температурного расширения. Таким образом, зная первоначальное положение подвижного термомеханического микроактюатора и значение емкости на конденсаторе, можно с определенной точностью установить положение хвостовика подвижного термомеханического микроактюатора относительно основания, на котором он установлен. Это, в свою очередь, дает возможность определить следующие физические величины: перемещение, ускорение, усилие, массу и поток в случае прямого механического воздействия, температуру в случае внешнего или внутреннего температурного воздействия, электрическую мощность в случае нагрева от внутреннего нагревателя подвижного термомеханического микроактюатора. В последнем случае, датчик устанавливается в разрез электрической линии, на которой необходимо измерить мощность, эквивалентную в данном случае, установившейся на подвижном термомеханическом микроактюаторе, температуре. К изменению емкости датчика также приводит и изменение влажности воздуха окружающей среды. Кроме того, благодаря наличию кремния в структуре устройства, имеет место фотоэффект, возникаемый при воздействии на датчик светового излучения. Стоит отметить, что подобная универсальность заявленного датчика оказывает не только положительное влияние, но и вносит ряд ограничений на его использование. При необходимости определить какую-либо из величин возникает проблема фильтрации побочного влияния иных факторов, на которые датчик также реагирует.
Наличие нагревателя в структуре подвижного термомеханического микроактюатора в виде кремниевых балок дает возможности для регулирования первоначального положения балки подвижного термомеханического микроактюатора относительно основания, что полезно при подстройке датчика под различные условия измерения, позволяя также исключить паразитное влияние внешнего температурного поля (температуры окружающей среды) и регулировать чувствительность в случае измерения потока.
Изготовленные по предложенной конструкции образцы позволили получить датчики со значением емкости в диапазонах 0,7-0,8 пФ (без слоя металлизации нагревателя) и 40-42 пФ (со слоем металлизации нагревателя). При этом перемещение хвостовика подвижного термомеханического микроактюатора приводит к изменению емкости до 2,7% от исходной величины, увеличение освещенности приводит к увеличению емкости до 1,5%, увеличение влажности приводит к увеличению емкости до 6,1%.
Таким образом, заявленное изобретение обеспечивает создание основных элементов датчиковой аппаратуры с возможностью функционирования как самостоятельно, так и в составе различных измерительных устройств и устройств с обратной связью по параметрам: перемещения, ускорения, температуры, механической силы, массы, электрической мощности, потока, освещенности и влажности.
Источники информации
1. Патент США на изобретение US 7748272. MEMS sensor suite on chip / M.S. Kranz (US), R.F. Elliot, M.R. Whitley and other; Morgan Research Corporation (US). - Опубл. 06.07.2010. - 15 с. - [Л1].
2. Патент США на изобретение US 7784344. Integrated MEMS 3D multi-sensor / I. Pavelescu (RO), I. Georgescu (RO), D.E. Guran (RO), C.P. Cobianu (RO); Honeywell International Inc. (US). - Опубл. 31.08.2010. - 14 с. - [Л2].
3. Патент США на изобретение US 8317245. MEMS-based micro and nano grippers with two-axis force sensors / Y. Sun (CA), K. Kim (CA). - Опубл. 27.11.2012. - 7 c. - [Л3].