МИКРОМЕХАНИЧЕСКИЙ ДАТЧИК

Полезная модель относится к измерительной технике и может применяться в микромеханических датчиках линейных ускорений. Известен микромеханический датчик линейных ускорений, содержащий корпус, чувствительный элемент, выполненный из каркасной катушки подвешенный в корпусе на металлических растяжках, датчик перемещения каркасной катушки.
Недостатком этого устройства является сложность конструкции, нетехнологичность, низкая точность из-за чувствительности к перекрестным связям. [1].
Известен другой микромеханический датчик, у которого чувствительный элемент выполнен из плавленого кварца.
Недостатком этого устройства является трудоемкость изготовления чувствительного элемента из-за наличия в механической обработке его упругих элементов, трудоемкой установке в корпус, сложной регулировке, высоких нулевых сигналов [2].
Наиболее близким по технической сути является микромеханический датчик, содержащий корпус, чувствительный элемент из монокристаллического кремния с маятником и внешней рамкой с площадками крепления к стеклянной подложке и контактной площадкой для электрического соединения, крестообразные торсионы и двумя стеклянными подложками [3].
Одним из недостатков известного датчика является то, что в процессе изготовления чувствительного элемента отсутствует технологическая перемычка, которая удерживает инерционную массу в нейтральном положении. При изготовлении, а именно травлении, окислении и диффузии т.е. высокотемпературных техпроцессов возникают напряжения в упругом подвесе, которые ведут к непроизвольному перемещению инерционной массы от своего нейтрального положения и как правило после окончательной сборки к высокому уровню нулевого сигнала. Вследствие чего возникнет погрешность измерения.
Другим недостатком является то, что анодное соединение диэлектрической пластиной (стеклянная подложка типа ЛК-105) с кремниевым чувствительным элементом осуществляется при высокой температуре. Это существенным образом влияет на стабильность упругих свойств последних, а именно на стык «кремний-стекло».
Так при присоединении возникающее напряжения влияют на упругий подвес, за счет чего увеличивается нестабильность смещения нуля и, как следствие, понижается точность прибора в целом.
После остывания конструкции проявляется ее несимметричность. Это приводит к тому, что при воздействии возмущающих факторов, в частности плюсовых и минусовых температур, конструкция чувствительного элемента будет деформирована, что приведет к появлению нестабильности нулевого сигнала, его высокому уровню. Изменится так же жесткость торсионов и как следствие уход крутизны преобразователя перемещений. Все это существенно снижает точность прибора в целом.
Задачей, на решение которой направлена полезная модель, является увеличение точности микромеханического датчика.
Для достижения этого в микромеханическом датчике, содержащим корпус, чувствительный элемент из монокристаллического кремния с маятником и внешней рамкой с площадками крепления к стеклянной подложке и контактной площадкой для электрического соединения, крестообразные торсионы и двумя стеклянными подложками, маятник соединен с внешней рамкой двумя технологическими перемычками в нижней части маятника, в стороне противоположной месту крепления крестообразных торсионов с внешней рамкой, при этом внешняя рамка в месте сопряжения с технологическими перемычками имеет форму петли как показано на фиг.2, а контактная площадка на чувствительном элементе из монокристаллического кремния выполнена в стороне противоположной месту закрепления крестообразных торсионов на внешней рамке, причем две площадки крепления сформированы на боковых сторонах внешней рамки, третья на нижней стороне.
Признаком, отличающим предложенный датчик от известного является то, что чувствительный элемент выполнен с двумя технологическими перемычками. Их закрепление осуществляется на петле как показано на фиг.2, расположенной в нижней части внешней рамки и инерционной массой, в стороне противоположной закреплению крестообразных торсионов. Это исключает упругодеформационное состояние крестообразных торсионов в процессе изготовления чувствительного элемента и снижает погрешность изготовления, что в конечном итоге повышает точность измерения.
Использование двух технологических перемычек по бокам, симметрирует конструкцию в целом. При этом воздействие технологических факторов компенсируются и удерживает инерционную массу в нейтральном положении. После операции анодного соединения со стеклянными подложками, технологические перемычки легко удаляются известным способом, например механическим путем или лазером. Это позволяют петли как показано на фиг.2, обращенные наружу на внешней рамке, так как стеклянные подложки крепятся так, чтобы обеспечить свободный доступ к обеим технологическим перемычкам. В ходе операции удаления, высвобожденные частички кремния не проникают в емкостный зазор и легко удаляются например очищенной струей сжатого воздуха. Разнесенные площадки для соединения со стеклянными подложками, обеспечивают минимальное влияние контактных напряжений на крестообразные торсионы, и минимизирует воздействие напряженного состояния после анодной посадки. Вынесение контактной площадки для электрического соединения на противоположную сторону внешней рамки уменьшает тяжения на крестообразный торсион со стороны проводника закрепленного на этой контактной площадке и соединяющий со схемой обработки датчика. Все это в целом увеличивает точность измерения полезного сигнала в целом.
Предложенный микромеханический датчик иллюстрируется чертежами, представленными на фиг.1, 2. На фиг.1 изображен кремниевый чувствительный элемент в сборе со стеклянными подложками.
Где:
1 - чувствительный элемент;
2 - стеклянная подложка;
3 - контактные площадки на стеклянной подложке;
4 - контактные площадки на кремниевом чувствительном элементе.
На фиг.2, чувствительный элемент из монокристаллического кремния, в плане.
Где:
5 - маятник;
6 - внешняя рамка;
7 - площадки крепления к стеклянным подложкам;
8 - крестообразные торсионы;
9 - технологические перемычки;
10 - петля как показано на фиг.2
Микромеханический датчик содержит чувствительный элемент (1), выполненный из монокристаллического кремния низкой проводимости, соединенный со стеклянными подложками (2), на которых находятся электроды (не показано) емкостного преобразователя. Подвод питания и съем сигнала осуществляется через контактные площадки (3) на стеклянных подложках и контактной площадки (4) на кремниевом чувствительном элементе (1). Чувствительный элемент (1) состоит из маятника (5), соединенного с внешней рамкой (6) через крестообразные торсионы (8), площадки крепления к стеклянным подложкам(2). Чувствительный элемент (1) соединен со стеклянными подложками (2) через площадки крепления (7), расположенными на внешней рамке (6). На внешней рамке (6) расположены петли как показано на фиг.2 (10), которые через технологические перемычки (9) соединены с маятником (5).
Микромеханический датчик работает следующим образом. При воздействии линейного ускорения, маятник 5, кремниевого чувствительного элемента 1, отклоняется от своего нейтрального положения. При этом крестообразные торсионы закручиваются на определенный угол. На стеклянных подложках 2 и маятнике 5, реализована схема обработки сигнала. При воздействии линейного ускорения возникает дисбаланс между верхом низом, со стороны стеклянных подложек. Величина этого дисбаланса пропорциональна измеряемому ускорению.
При воздействии вредных технологических факторов, расположенные технологические перемычки (9), резко уменьшает нулевой сигнал и его нестабильность, а при одновременном воздействии еще измеряемого ускорения уменьшает погрешность крутизны характеристики прибора в целом. После полного цикла технологические перемычки (9) выламываются, что позволяет осуществить петли как показано на фиг.2 (10), так как, после сборки последние выступают за пределы стеклянных обкладок.
Проведенные макетные испытания показали положительный эффект данного устройства и по технологичности и по точности.
Источники информации:
1. Акселерометр капиллярный АК5-15, ТУ 611.781.ТУ. 1984 г.
2. Патент США №3702073
3. Патент РФ (ПМ) №106001 (прототип).