МИКРОВАКУУММЕТР
MICROVACUUMMETER

Изобретение относится к вакуумной измерительной технике для измерения уровня вакуума в микрополостях, микрообъемах и корпусах датчиков микросистемной техники, в частности к микровакуумметрам, использующим принцип резонанса как основного механизма работы.
Дефицит контроля в измерении давления в вакууммированных корпусах или микрополостях после их изготовления усложняет проведение анализа работоспособности микроэлектромеханических приборов. Остаточные газы, уровень которых может превышать установленное пороговое значение, могут привести к полной неработоспособности датчика или к его неверным выходным характеристикам. Среди имеющихся вариантов измерения уровня вакуума в микрообъемах существуют микросистемные вакуумметры, основанные на использовании микроэлектромеханического резонатора в чувствительном элементе (ЧЭ).
Микромеханическая часть вакуумметра в работах: Squeeze-film damping in the free molecular regime: model validation and measurement on a MEMS / H. Sumali, J. Micromech. Microeng. Vol. 17 (2007) P. 2231-2240; Electrostatically driven vacuum encapsulated polysilicon resonators. Part I: Design and fabrieation / R. Legtenberg and H.A.C. Tilmans, Sens. Actuators A, Vol. 45 (1994) P. 57-66; Damping of a microresonator torsion mirror in rarefied gas ambient / A. Minikes, I. Bucher. G. Avivi, J. Micromech. Microeng, Vol. 15 (2005) P. 1762-1769; Model-based design of MEMS resonant pressure sensors / Suijlen, M.A.G. Eindhoven: Technische Universiteit Eindhoven (2011) P. 136; USA 7047810 B2 (May, 2006); EP 1530036 B1 (April, 2007) представляет из себя конструкцию, состоящую из неподвижного основания - опорной кремниевой пластины, как правило, покрытой слоем тонкого металла, и подвижной мембраны, закрепленной на упругих подвесах, перекрывающей плоскость основания и отстоящей на некотором расстоянии над ним. В приведенных источниках такая конструкция упоминается как резонатор в пленарном исполнении. Недостатком такого технического решения, с одной стороны, является использование в процессе изготовления гетерогенных материалов: верхняя часть резонатора - подвижная мембрана изготовлена из тонкого металла, как в работах: Squeeze-film damping in the free molecular regime: model validation and measurement on a MEMS / H. Sumali, J. Micromech. Microeng. Vol. 17 (2007) P. 2231-2240 и EP 1530036 B1 (April, 2007), a основание из монокристаллического кремния, что при температурных изменениях негативно может сказываться на получаемых выходных характеристиках, в частности приводить к дрейфу, гистерезису, срыву колебаний. В других случаях: Electrostatically driven vacuum encapsulated polysilicon resonators, Part I: Design and fabrication / R. Legtenberg and H.A.С. Tilmans, Sens. Actuators A, Vol. 45 (1994) P. 57-66; Model-based design of MEMS resonant pressure sensors / Suijlen, M.A.G. Eindhoven: Technische Universiteit Eindhoven (2011) P. 136 и USA 7047810 B2 (May, 2006) применение поликристаллического кремния, как основного конструкционного материала для топкой мембраны, может отрицательно сказываться на прочностных характеристиках резонатора: возможно проявление начальных деформаций, трещин, разбалансировка и смешивание мод колебаний. Существуют устройства, описанные в Squeezed film damping measurements on a parallel-plate MEMS in the free molecule regime / L. Mol, L.A. Rocha, E. Cretu. R.F. Wolffenbuttel, J. Micromech. Microeng. (J. Mieromechanies and Microengineering) Vol. 19, Issue (7), (2009) 074021 P. (1-6); A study on wafer level vacuum packaging for MEMS devices / B. Lee, S. Seok. K. Chun, J. Micromech. Microeng. Vol. 13 (2003) P. 663-669 и Model-based design of MEMS resonant pressure sensors / Suijlen, M.A.G. Eindhoven: Technische Universiteit Eindhoven (2011) P. 136, в которых микроэлектромеханический резонатор представлен в вертикальном исполнении, т.е. колебания резонатора осуществляются вдоль плоскости его основания. Излишняя жесткость таких конструкций снижает чувствительность датчика, тем самым уменьшая диапазон измерения вакуума. Нижняя граница измеряемых значений для перечисленных конструкций составляет 1-10 паскалей.
Наиболее близкими по технической сущности к заявленному техническому решению является микродатчик давления для измерения вакуума, описанный в статье A study on wafer level vacuum packaging for MEMS devices / B. Lee. S. Seok, K. Chun. J. Micromech. Microeng. Vol. 13 (2003) P. 663-669 (прототип). Чувствительный элемент вакуумметра представляет собой резонатор, в котором подвижная инерционная масса (ИМ) с наименьшим габаритом по высоте закреплена на боковых гранях на четырех подвесах с двух сторон над основанием, попарно с каждой стороны. На свободных гранях ИМ располагается встречно-штыревая структура электродов для задания управляющего и считывающего сигнала. Следовательно, ЧЭ представляет собой микроэлектромеханический резонатор в вертикальном исполнении. Колебания осуществляются вдоль плоскости основания, где наибольшее демпфирующее воздействие от остаточного газа осуществляется в зазорах встречно-штыревой структуры при максимальном отклонении от положения равновесия в момент резонанса. Уровень вакуума измеряется посредством измерения величины добротности системы - Q. Недостатком такой конструкции является низкая чувствительность к уровню вакуума, нижняя граница диапазона измеряемых значений ограничена значением в единицы паскаль, вследствие малого демпфирования между взаимодействующими поверхностями, их недостаточного количества, излишней жесткости в местах заделки резонатора.
Задачей изобретения является увеличение чувствительности микровакуумметра, конструкция которого позволит измерить малые значения давления в микрополостях и микрообъемах микроэлектромеханических приборов, повышение стабильности работы микровакуумметра.
Техническим результатом предлагаемого решения является увеличение диапазона измерения давления в сторону высокого вакуума и стабильности работы микровакуумметра.
Технический результат достигается тем, что в микровакуумметре с чувствительным элементом, выполненным на основании и состоящим из резонатора, совершающего колебания вдоль плоскости основания и соединенного с ним посредством четырех подвесов; гребенчатого управляющего электрода, образующего с гребенчатым электродом резонатора встречно-штыревую структуру, и сигнальных электродов для считывания сигнала, основание и резонатор выполнены из монокристаллического кремния, подвесы выполнены с возможностью перемещения вдоль плоскости основания и содержат по два взаимно перпендикулярных пружинных элемента, резонатор содержит систему дополнительных демпферов.
Предлагаемое техническое решение поясняют следующие фигуры.
На фигуре 1 представлен схематичный вид чувствительного элемента микровакуумметра, где
1 - основание из монокристаллического кремния;
2 - резонатор;
3 - гребенчатый управляющий электрод;
4 - сигнальные электроды для считывания сигнала (сигнальные электроды);
5 - контактные площадки.
На фигуре 2 показаны функциональные элементы резонатора чувствительного элемента микровакуумметра, где
6 - подвесы резонатора;
6а - пружинные элементы подвесов;
7 - гребенчатый электрод резонатора;
8 - система демпферов.
На фигуре 3 представлены графики зависимости добротности от уровня вакуума для экспериментального образца, предлагаемого микровакуумметра, где сплошной линией показана расчетная зависимость, а точками показаны экспериментальные значения добротности.
Микровакуумметр содержит выполненный на основании из монокристаллического кремния 1, чувствительный элемент, состоящий из резонатора 2, гребенчатого управляющего электрода 3, сигнальных электродов для считывания сигнала 4 и контактных площадок 5 (фиг. 1). Резонатор 2 (фиг. 1), совершающий колебания вдоль плоскости основания, состоит из нескольких функциональных элементов: четырех подвесов с пружинными элементами 6, гребенчатого электрода 7 и системы демпферов 8 (фиг. 2). Гребенчатый управляющий электрод 3 образует с гребенчатым электродом резонатора 7 встречно-штыревую структуру.
Резонатор 2 чувствительного элемента микровакуумметра и основание 1 выполнены из монокристаллического кремния. Резонатор 2 соединен с основанием 1 посредством четырех подвесов с пружинными элементами 6 (фиг. 2). Подвесы 6 содержат по два объединенных взаимно перпендикулярных пружинных элемента, имеющих два направления колебаний в одной плоскости, тем самым, обеспечивается необходимое смещение резонатора 2 для проявления эффекта демпфирования. Система демпферов 8 (фиг. 2), позволяет при отклонении от положения равновесия самого резонатора достичь минимального расстояния между подвижными и неподвижными частями чувствительного элемента, предназначена для увеличения максимальной площади взаимодействия элементов резонатора 2 с молекулами газа и получения, таким образом, максимальной величины полезной составляющей сигнала. На гребенчатом управляющем 3 и сигнальных 4 электродах и резонаторе 2 расположены контактные площадки 5 для подачи и считывания сигнала.
Устройство работает следующим образом.
На гребенчатый управляющий электрод 3 подается управляющий сигнал. При этом резонатор 2 отклоняется из положения равновесия и совершает колебания. Резонатор 2 и неподвижные конструктивные части чувствительного элемента в определенный момент времени находятся на достаточно близком расстоянии друг от друга. Таким образом, задействуется механизм вязкого демпфирования в тонких сжатых газовых пленках, вследствие сдавливания и трения о поверхность остаточного газа во встречно-штыревой структуре, образованной гребенчатым электродом резонатора 7 и гребенчатым управляющим электродом 3, а также между системой демпферов 8 и сигнальными электродами 4. Полезный сигнал снимается с сигнальных электродов 4. Уровень вакуума измеряется посредством вычисления величины добротности системы - Q с помощью метода затухания амплитуды колебаний по формуле:
0
где τ - время релаксации, в течение которого начальная амплитуда уменьшается в е раз, ƒ - резонансная частота колебаний.
Было проведено моделирование и измерение экспериментального образца микровакуумметра, графики зависимости добротности от уровня вакуума представлены на фигуре 3. Расчетные значения обозначены на фигуре 3 сплошной линией, экспериментальные значения обозначены точками. В ходе экспериментального определения зависимости добротности от давления подтверждена корректность расчетной модели вакуумметра.
Микровакуумметр благодаря конструкции чувствительного элемента обладает повышенной стабильностью работы и позволяет измерять уровень вакуума с высокой чувствительностью в широком диапазоне значений.