Чувствительный элемент микромеханического акселерометра
MICROMECHANICAL ACCELEROMETER SENSOR ELEMENT

Изобретение относится к измерительной технике и может применяться в микромеханических акселерометрах.
Известно устройство, где чувствительный элемент (ЧЭ) датчика закреплен на основании при помощи клея-герметика. Причем простым приклеиванием поверхности ЧЭ к корпусу с плоской поверхностью [1].
Наличие клея-герметика на одной из сторон чувствительного элемента создает напряжение. Такие напряжения зависят от температуры и влияют на чувствительность датчика и на смещение нулевого сигнала. Кроме того, область клеевого соединения должна быть достаточно большой, чтобы обеспечить прочность соединения от вибраций, ударов, термических циклов. Увеличение площади клеевого соединения повышает воздействие напряжений на чувствительный элемент датчика. Напряжения увеличивают смещение нулевого сигнала акселерометра, а это уменьшает точность датчика.
Известно устройство, где чувствительный элемент (ЧЭ) датчика закреплен на специальном пьедестале, сформированном заодно с основанием. Площадь пьедестала меньше чем приклеиваемая площадь ЧЭ. В другом варианте - специальный пьедестал представляет собой отдельную деталь. В этом варианте - приклеивают к основанию пьедестал, а затем на него приклеивают ЧЭ [2].
Уменьшение площади контакта снижает воздействие термомеханических напряжений. Однако под воздействием вибрации, ударов и термоциклов, которые присутствуют в реальных условиях такой вариант конструкции неизбежно выйдет из строя.
Конструкция ЧЭ микромеханических датчиков требует оптимизации крепления чувствительных элементов на основании, чтобы максимально снизить передачу термомеханических напряжений на чувствительный элемент микромеханического датчика. Возникающие термомеханические напряжения в основании передает пластичные деформации на ЧЭ, которые распространяется на упругие торсионы ЧЭ. Вследствие этого упругие торсионы деформируются, и в результате происходит смещение маятника при отсутствии воздействия ускорения. Таким образом, происходит температурное смещение нулевого сигнала, а это снижает точность акселерометра. Изменится также жесткость упругих торсионов и, как следствие, уход крутизны преобразователя перемещений. Это также существенным образом снижает точность прибора.
Задачей, на решение которой направлено изобретение, является увеличение точности микромеханического акселерометра.
1. Для достижения этого в чувствительном элементе микромеханического акселерометра, содержащем маятник из монокристаллического кремния, верхнюю и нижнюю обкладки и внешнюю рамку, соединенную с маятником через упругие торсионы, с согласно изобретению, сформированы верхняя и нижняя неподвижные пластины, сформирована дополнительная опорная рамка, выполненная в виде упругодеформируемых балок, сопряженная через сформированные перемычки в виде прямоугольной балки с внешней рамкой, причем без перемычки со стороны упругих торсионов, в перемычках сформированы сквозные щели, причем перемычки сопряжены с сформированными на дополнительной опорной рамке площадками крепления к верхней и нижней неподвижным пластинам, на внешней рамке сформирован сплошной контур для присоединения верхней и нижней обкладок, перемычки сформированы толщиной с внешнюю и дополнительную опорную рамки.
2. Чувствительный элемент микромеханического акселерометра по п. 1, согласно изобретению, перемычки выполнены в форме меандра или зигзагообразными.
3. Чувствительный элемент микромеханического акселерометра по пп. 1, 2 согласно изобретению, перемычки сформированы толщиной с внешнюю и дополнительную опорную рамки, а сквозные щели сформированы в форме вытянутого прямоугольника или в форме многоугольника или крестообразными.
Признаком, отличающим предложенный датчик от известного является то, что сформированы верхняя и нижняя неподвижные пластины, сформирована дополнительная опорную рамка, выполненная в виде упругодеформируемых балок, сопряженная через сформированные перемычки в виде прямоугольной балки с внешней рамкой, например в виде прямоугольной балки (см. рис. 1а, 1б, 4в, 4г), причем без перемычки со стороны упругих торсионов, в перемычках сформированы сквозные щели, причем перемычки сопряжены с сформированными на дополнительной опорной рамке площадками крепления к верхней и нижней неподвижным пластинам, на внешней рамке сформирован сплошной контур для присоединения верхней и нижней обкладок, перемычки сформированы толщиной как у внешней и дополнительной опорной рамок. Допустимо чтобы перемычки были выполнены в форме меандра (см. рис. 1в, 4а, 4б), или зигзагообразными.
Допустимо чтобы перемычки были сформированы толщиной менее чем внешняя и дополнительная опорная рамки, а сквозные щели сформированы в форме вытянутого прямоугольника (см. рис. 4г) или в форме многоугольника или крестообразными (см. рис. 1а, 1б, 4в). Сформированная дополнительная опорная рамка с сформированными площадками крепления к верхней и нижней неподвижным пластинам и прикрепленными к ним выполняет функцию буфера между упругими торсионами и неподвижным основанием акселерометра. Так нижняя неподвижная пластина закреплена на основании корпуса акселерометра. Неподвижная нижняя пластина закреплена через площадки крепления к верхней и нижней неподвижным пластинам к дополнительной опорной рамке, которая через перемычки, к примеру, со сквозными крестообразными щелями или сквозными щелями в форме вытянутого прямоугольника или сквозными щелями в форме многоугольника сопряжена с внешней рамкой, которая соединена с упругими торсионами.
При таком закреплении исключаются паразитные моменты после сборки всего чувствительного элемента микромеханического акселерометра. Разделение на дополнительную опорную и внешнюю рамки позволяет равномерно распределять деформацию от воздействия внешних факторов, при этом деформация в зоне крепления упругих подвесов сведена к минимуму. Сформированные узкие сквозные щели препятствует деформации передающийся от и нижней неподвижной нижней пластины и дополнительной опорной рамки, тем самым уменьшают связь с основанием акселерометра, и обеспечивает минимизацию возникающих напряжений и, следовательно, минимально влияют на упругие торсионы, за счет чего уменьшается нестабильность смещения нуля и, как следствие, повышается точность прибора в целом. При воздействии возмущающих факторов, в частности плюсовых и минусовых температур, конструкция чувствительного элемента будет минимально деформирована. Так, из-за разности коэффициентов линейного расширения, основания акселерометра и чувствительного элемента после воздействия положительных или отрицательных температур возникает деформация, которая воздействует на нижнюю неподвижную пластину, возникающее напряжение передается на дополнительную опорную рамку. Упругодеформируемые балки дополнительной опорной рамки деформируются тем самым частично фильтруется паразитные напряжения. Сформированные сквозные щели, сужаясь-расширяясь под воздействием деформаций передающихся от нижней неподвижной пластины, далее от дополнительной опорной рамки при воздействии температур, минимизируют передающуюся деформацию на внешнюю рамку. Таким образом, остаточные деформации, передающиеся на упругие торсионы, сведены к минимуму. А это уменьшает уход крутизны преобразователя перемещений, уменьшает температурное смещение нулевого сигнала, уменьшает температурную погрешность. Причем упругодеформруемые балки сформированы таким образом, чтобы исключить их деформацию по перекрестным осям относительно измерительной оси, обеспечивая лишь деформацию по предельно высоким ускорениям по измерительной оси. Это обеспечивает защиту при вибрациях и ударах. Отсутствие перемычки между внешней и дополнительной опорной рамками со стороны упругих торсионов разъясняется уменьшением контактных напряжений возникающих в сформированной площадке крепления к верхней и нижней неподвижным пластинам и передающихся на упругие торсионы. Так, воздействие напряженного состояния осуществляется только по одному пути, по дополнительной опорной рамке через площадки крепления к верхней и нижней неподвижным пластинам, через перемычки со сквозными щелями, через внешнюю рамку, следовательно, тем самым увеличивается расстояние от мест крепления до упругого торсиона. Таким образом, сведены к минимуму деформации, передающиеся на упругий торсион. Сформированные перемычки обеспечивает надежную защиту при вибрациях и ударах. Предложенный чувствительный элемент микромеханического акселерометра иллюстрируется чертежами, представленными на фиг. 1а, 1б, 1в, 2, 3, 4а, 4б, 4в, 4г. На фиг. 1а, 1б, 1в - представлены варианты маятника соединенного с внешней рамкой через разные виды упругих торсионов и с различными перемычками, соединенными с дополнительной опорной рамкой, где:
1 - маятник,
2 - внешняя рамка,
3 - упругодеформируемые балки,
4 - упругие торсионы.
5 - дополнительная опорная рамка,
6 - сквозные щели,
7 - площадки крепления к верхней и нижней неподвижным пластинам,
8 - сплошной контур для присоединения верхней и нижней обкладок,
9 - перемычки,
10 - нижняя обкладка,
11 - верхняя обкладка,
12 - нижняя неподвижная пластина,
13 - верхняя неподвижная пластина,
14 - электрическая контактная площадка центральной пластины,
15 - электрическая контактная площадка нижней обкладки.
На фиг. 2 изображен чувствительный элемент микромеханического акселерометра в сборе.
На фиг. 3 изображен вид А-А.
На фиг. 4а, 4б, 4в, 4г изображены варианты перемычек со сквозными щелями.
Чувствительный элемент микромеханического акселерометра содержит маятник 1, соединенный с внешней рамкой 2 через упругие торсионы 4. Внешняя рамка 2 соединена с дополнительной опорной рамкой 5 через перемычки 9. Дополнительная опорная рамка 5 состоит из упругодеформируемых балок 3, сформированных между площадками крепления к верхней и нижней неподвижным пластинам 7. В перемычках 9 сформированы сквозные щели 6. На внешней рамке 2 с обеих сторон сформирован сплошной контур 8 для присоединения верхней и нижней обкладок 10 и 11. На дополнительной опорной рамке 5 сформирована электрическая контактная площадка центральной пластины 14, образующих с верхней и нижней обкладками 10, 11 дифференциальный емкостный преобразователь, подключенных с внешним электронным преобразователем через электрическую контактную площадку нижней обкладки 15 и электрическую контактную площадку верхней обкладки (не показано). Верхняя неподвижная пластина 13 также закреплена через площадки крепления к верхней и нижней неподвижным пластинам 7 к дополнительной опорной рамке 5. Такая конструкция обеспечивает симметрию и, следовательно, одинаковое воздействие вредных факторов со всех сторон. Электрическая контактная площадка верхней обкладки не показана.
Чувствительный элемент микромеханического акселерометра работает следующим образом.
При действии линейного ускорения маятник 1 отклоняется от своего нейтрального положения. Упругие торсионы 4 закручиваются на определенный угол. Возникающий дисбаланс емкостного дифференциального преобразователя пропорционален величине измеряемого ускорения.
При воздействии рабочего диапазона температур, возникает напряжение от неподвижного основания (не показано), которое воздействует на нижнюю неподвижную пластину 12, далее деформация передается на дополнительную опорную рамку 5. Упругодеформируемые балки 3 дополнительной опорной рамки 5 деформируются. Сформированные в перемычках 9 сквозные щели 6, сужаясь-расширяясь от воздействия температур, минимизируют передающуюся деформацию на внешнюю рамку 2. Таким образом, остаточные деформации, передающиеся на упругие торсионы 4, сведены к минимуму. При этом напряженное состояние передается равномерно. А это уменьшает уход крутизны преобразователя перемещений, уменьшает температурное смещение нулевого сигнала, уменьшает температурную погрешность и обеспечивает отсутствие дополнительной деформации на упругих торсионах 4. Причем упругодеформируемые балки 5 и перемычки 9 сформированы таким образом, чтобы исключить их деформацию по перекрестным осям относительно измерительной оси, обеспечивая лишь деформацию по предельно высоким ускорениям. Это обеспечивает защиту при вибрациях и ударах. Это уменьшает нулевой сигнал и температурную погрешность прибора.
Чувствительный элемент микромеханического акселерометра изготавливается из монокристаллического кремния с ориентацией пластины <100>÷<110> методом анизотропного травления или плазменного травления. Причем маятник с внешней рамкой и дополнительной опорной рамкой, верхняя и нижняя обкладки изготавливаются из пластин толщиной, например 300 мкм и не более 380 мкм. Нижняя неподвижная пластина и верхняя неподвижная пластина изготавливаются из пластин большей толщины, например 500 мкм или более. Проведенные макетные испытания показали положительный эффект предлагаемого устройства и по технологии и по точности.
Источники информации
1. Патент ЕР 5006487.
2. Патент US 6768196 - прототип.