ЧУВСТВИТЕЛЬНЫЙ ЭЛЕМЕНТ МИКРОМЕХАНИЧЕСКОГО АКСЕЛЕРОМЕТРА

Полезная модель относится к измерительной технике и может применяться в интегральных датчиках линейных ускорений и угловых скоростей. Известен микромеханический датчик ускорения, содержащий корпус, чувствительный элемент, выполненный из монокристаллического кремния в виде электропроводящей инерционной массы, представляющей собой маятник, имеющий два плеча и подвешенный с помощью торсионов, электрическую плату, представляющую собой диэлектрическую пластину с электродами. Торсионы выполнены крестообразными с поперечным сечением в виде X-образного профиля, электроды симметрично размещены относительно оси подвеса и расположены двумя парами-соответственно электроды емкостной системы съема и электроды датчика момента [1]. Недостатком данной конструкции является ее несимметричность. То есть, стеклянная подложка с электродами расположена с одной стороны двухплечевого маятника. 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 следств, уход крутизны преобразователя перемещений. Все это существенно снижает точность прибора в целом.
Известен также датчик угловой скорости и ускорения, содержащий две корпусные пластины и расположенный между ними чувствительный элемент [2].
Одним из недостатков известного датчика является то, что после изготовления групповыми методами корпусных пластин и чувствительного элемента производится операция разделения подложек на отдельные детали с последующей их индивидуальной сборкой. Последующая сборка не обеспечивает точности, и имеют большую трудоемкость, так как присутствуют непроизводительные, многократно повторяющиеся операции совмещения деталей датчика. Точное последовательное сопряжение деталей датчика влияет, в конечном счете, на точность прибора в целом. Из-за рассовмещения происходит смещение, например, электродов преобразователя перемещения и преобразователя моментов, что в свою очередь приводит к нелинейности прибора в целом. Операция сборки требует высокой квалификации рабочих-сборщиков и дорогостоящей оснастки. При этом резко снижается выход годных изделий, отвечающих заданным требованиям. Использование реперных знаков на корпусных пластинах для последовательного совмещения не дает должных результатов, так как при этом после совмещения и при дальнейшем зажимании полученной конструкции происходит взаимное смещение деталей относительно друг друга. Процесс сборки необходимо при этом повторять вновь. А подбор величины усилия зажима очень трудоемкая задача. Задачей, на решение которой направлена полезная модель, является увеличение точности и уменьшение трудоемкости сборки чувствительного элемента микромеханического акселерометра.
Для достижения заданного технического результата в чувствительном элементе микромеханического акселерометра, содержащем две корпусные пластины и расположенный между ними кристалл чувствительного элемента, на корпусных пластинах сформированы крестообразные выпуклости или вогнутости, находящиеся на поверхности корпусных деталей, прилегающих к кристаллу чувствительного элемента, а на кристалле чувствительного элемента с обеих сторон сформированы идентичные крестообразные вогнутости или выпуклости, расположенные соосно напротив крестообразных выпуклостей или вогнутостей корпусных деталей.
Признаком, отличающим предложенный чувствительный элемент микромеханического акселерометра от прототипа является то, что на корпусных пластинах сформированы крестообразные выпуклости или вогнутости, а на кристалле чувствительного элемента микромеханического акселерометра, соответственно, вогнутости или выпуклости. Таким образом, при последовательном сопряжении, например, нижней корпусной пластины и кристалла чувствительного элемента микромеханического акселерометра и верхней корпусной пластины с кристаллом чувствительного элемента микромеханического акселерометра обеспечивается их взаимное совмещение друг с другом. Причем вогнутости или выпуклости на кристалле чувствительного элемента микромеханического акселерометра расположены на внешней рамке кристалла чувствительного элемента на опорных площадках, обеспечивающих зазор между корпусными пластинами и кристаллом чувствительного элемента. А выпуклости или вогнутости на корпусных пластинах расположены таким образом, чтобы обеспечить точное взаимное совмещение всех деталей датчика для обеспечения заданных характеристик прибора в целом. Причем именно крестообразные выпуклости или вогнутости позволяют точно совместить сопрягаемые детали, так как сводят к минимуму перемещение вдоль осей OX и OY сопрягаемых деталей при сборке чувствительного элемента микромеханического акселерометра. Наличие дополнительных выпуклостей и вогнутостей на сопрягаемых деталях, тем самым, снижает трудоемкость сборки устройства, за счет исключения многократно повторяющихся трудоемких операций совмещения деталей и повышает точность их совмещения а, следовательно, точность прибора в целом.
Предложенный чувствительный элемент микромеханического акселерометра иллюстрируется чертежами, представленными на фиг. 1 и 2.
На фиг. 1 представлен чувствительный элемент микромеханического акселерометра в плане (без одной корпусной пластины), где:
1, 2 - корпусные пластины,
3 - кристалл чувствительного элемента микромеханического акселерометра,
4 - внешняя рамка,
5 - опорные площадки,
6 - крестообразная вогнутость,
7 - электрическая контактная площадка.
На фиг. 2 изображена корпусная пластина, где:
8 - крестообразная выпуклость,
9 - электрод преобразователя перемещений.
На фиг. 3 изображен вид А-А.
Чувствительный элемент микромеханического акселерометра содержит корпусные пластины 1 и 2, выполненные из стекла типа ЛК 105, с напыленными на них методом вакуумного напыления электродами преобразователя перемещений 9, кристалл чувствительного, элемента 3, изготовленный из монокристаллического кремния путем анизотропного травления, внешнюю рамку 4, на которой расположены опорные площадки 5, обеспечивающие зазор между корпусными пластинами 1, 2 и кристаллом чувствительного элемента микромеханического акселерометра 3. На корпусных пластинах выполнены крестообразные выпуклости 8. Соосно по отношению к ним на кристалле чувствительного элемента микромеханического акселерометра 3 сформированы крестообразные вогнутости 6.
2
Формирование крестообразных выпуклостей на стеклянных корпусных пластинах осуществляется следующим образом. На стеклянную корпусную пластину напыляют алюминий толщиной 2,0 мкм с подслоем ванадия. Методом фотолитографии формируют из напыленной пленки алюминия участки под крестообразные выпуклости, напыляют пленку меди толщиной 1,0 мкм с адгезионным слоем ванадия, наносят фоторезист, формируют в нем окна, соответствующие участкам алюминия, электрохимическим способом увеличивают толщину меди в 10 раз, удаляют фоторезист. Корпусные пластины 1, 2 и кристалл чувствительного элемента микромеханического акселерометра 3 могут быть изготовлены из одного и того же материала -монокристаллического кремния. При этом формирование крестообразных выпуклостей на корпусных пластинах 1, 2 выполняются заодно с крестообразными вогнутостями кристалла чувствительного элемента микромеханического акселерометра 3. Процесс формирования заключается в следующем. На кремниевых пластинах методом термического окисления выращивают пленку SiO порядка 1-1,5 мкм, которая служит в дальнейшем защитной маской для травления монокристаллического кремния в щелочном травителе. Затем на части пластин методом фотолитографии формируют рисунок, соответствующий кристаллу чувствительного элемента микромеханического акселерометра 3 датчика. Заодно на внешней рамке 4 кристалла чувствительного элемента 3 на опорных площадках 5 формируют крестообразные вогнутости 6. На другой части пластин тем же методом фотолитографии формируют рисунок, соответствующий корпусным пластинам 1 и 2 датчика. Одновременно на корпусных пластинах формируют крестообразные выпуклости 8. Причем расположение последних должно быть соосно крестообразным вогнутостям 6 на кристалле чувствительного элемента микромеханического акселерометра 3, обеспечивающим минимальное рассовмещение электродов преобразователя перемещений. Кристалл чувствительного элемента микромеханического акселерометра 3 последовательно сопрягается с корпусной пластиной 2 при помощи своих крестообразных вогнутостей 6 и крестообразных выпуклостей 8 корпусной детали 2, а корпусная пластина 1 последовательно совмещается с кристаллом чувствительного элемента микромеханического акселерометра 3 при помощи крестообразных вогнутостей 6 кристалла чувствительного элемента микромеханического акселерометра 3 и крестообразных выпуклостей 8 корпусной пластины 1. Наличие и взаимное расположение крестообразных вогнутостей 6 и крестообразных выпуклостей на деталях 1, 2, 3 чувствительного элемента микромеханического акселерометра обеспечивает его заданные характеристики и резко снижает трудоемкость сборки деталей прибора в целом.
Источник информации:
1. Патент РФ №2251702.
2. Патент США №5952572 - прототип.