Интегральный микромеханический туннельный акселерометр
INTEGRATED MICRO-MECHANICAL TUNNEL ACCELEROMETER

Предлагаемое изобретение относится к области измерительной и микросистемной техники, а более конкретно - к интегральным измерительным элементам величин ускорения.
Известен миниатюрный туннельный акселерометр на основе технологии поверхностной микросборки (см. "A New Miniaturized Surface Micromachined Tunneling Accelerometer" R.L. Kubena, G.M. Atkinson, W.P. Robinson, F.P. Stratton, IEEE Electron Device Letters, Vol. 17, No. 6, June 1996), содержащий преобразователь перемещений, электростатический актюатор, основание неподвижного электрода, неподвижный электрод электростатического актюатора, а также подложку, изолирующий слой, якорную область упругой балки, упругую балку, неподвижный электрод преобразователя перемещений, причем упругая балка представляет собой L-образную пластину из металла (золото), функционально объединяющую инерционную массу, подвижный электрод и подвижный электрод электростатического актюатора, расположенную с зазором относительно подложки, примыкающую одним своим концом к якорной области упругой балки, которая расположена на изолирующем слое, нанесенном на подложку; преобразователь перемещений образован упругой балкой с одной стороны, а с другой - острием неподвижного электрода, расположенного на основании неподвижного электрода, примыкающем к изолирующему слою, нанесенному на подложку; электростатический актюатор образован упругой балкой с одной стороны, а с другой - неподвижным электродом электростатического актюатора, расположенным на изолирующем слое, нанесенном на подложку.
Признаками аналога, совпадающими с существенными признаками, являются преобразователь перемещений, электростатический актюатор, основание неподвижного электрода, неподвижный электрод электростатического актюатора.
Причинами, препятствующими достижению технического результата, являются снижение чувствительности измерительного устройства при переходе к наноразмерным проектным нормам; неудовлетворительная масштабируемость конструкции в целом вследствие того, что применение однородной подвижной балки, выполненной из пластичного металла, без выраженной инерционной массы накладывает ограничения на вариативность ее механических характеристик.
Известен высокопроизводительный туннельный акселерометр (см. "A High-Performance Tunneling Accelerometer", Е. Boyden, О. El Rifai, В. Hubert, M. Karpman, D. Roberts, Term Project 6.777, Introduction to Microelectromechanical Systems, Spring 1999, Prof. Stephen D. Senturia, 58 p. Online access. <http://edboyden.org/6777paper.pdf>), содержащий преобразователь перемещений, подвижный электрод преобразователя перемещений, неподвижный электрод преобразователя перемещений, электростатический актюатор, неподвижный электрод электростатического актюатора, а также подложку, изолирующий слой, якорную область упругой балки, упругую балку, неподвижный электрод системы самотестирования, контактную область подвижного электрода, причем упругая балка представляет собой пластину из полупроводникового материала (кремний), функционально объединяющую инерционную массу, подвижный электрод системы самотестирования и подвижный электрод электростатического актюатора, расположенную с зазором относительно подложки, на одном конце которой размещен заостренный металлический подвижный электрод, а другим концом примыкающую к якорной области упругой балки, которая расположена на изолирующем слое, нанесенном на подложку; преобразователь перемещений образован заостренным металлическим подвижным электродом, расположенным на упругой балке, с одной стороны, а с другой - неподвижным электродом, примыкающим к изолирующему слою, нанесенному на подложку; электростатический актюатор образован упругой балкой с одной стороны, а с другой - неподвижным электродом электростатического актюатора, расположенным на изолирующем слое, нанесенном на подложку; контактные области системы самотестирования образованы упругой балкой с одной стороны, а с другой - неподвижным электродом системы самотестирования, расположенным на изолирующем слое, нанесенном на подложку.
Признаками аналога, совпадающими с существенными признаками, являются преобразователь перемещений, подвижный электрод преобразователя перемещений, неподвижный электрод преобразователя перемещений, электростатический актюатор, неподвижный электрод электростатического актюатора.
Причинами, препятствующими достижению технического результата, являются снижение чувствительности измерительного устройства при переходе к наноразмерным проектным нормам; неудовлетворительная масштабируемость конструкции в целом вследствие того, что применение однородной подвижной балки, выполненной из полупроводникового материала, без выраженной инерционной массы накладывает ограничения на вариативность ее механических характеристик.
Из известных наиболее близким по технической сущности к заявляемому объекту является многоосевой интегральный микромеханический туннельный акселерометр (см. «Многоосевой интегральный микромеханический туннельный акселерометр», Б.Г. Коноплев, Н.К. Приступчик, Е.А. Рындин, RU 2 415 443 С1, 2011), содержащий полуизолирующую подложку, преобразователь перемещений, инерционную массу, основание неподвижного электрода, якорную область подвижного электрода, преобразователь перемещений, неподвижный электрод, подвижный электрод, а также активные области подвеса, пассивную область подвеса, два дополнительных подвеса с активными областями и с пассивными областями, две дополнительные инерционные массы, два дополнительных неподвижных электрода, два дополнительных подвижных электрода и два дополнительных туннельных преобразователя перемещения, причем преобразователь перемещения представляет собой туннельный контакт, образованный неподвижным электродом, который представляет собой цилиндрическую оболочку, жестко закрепленную относительно полуизолирующей подложки.
Признаками прототипа, совпадающими с существенными признаками, являются полуизолирующая подложка, преобразователь перемещений, инерционная масса, основание неподвижного электрода, якорная область подвижного электрода, неподвижный электрод, подвижный электрод.
Причинами, препятствующими достижению технического результата, являются относительно большая площадь контактов туннельного преобразователя; отсутствие электростатического преобразователя.
Задачей предлагаемого изобретения является обеспечение высокой чувствительности измерения составляющей ускорения, направленной вдоль оси, перпендикулярной плоскости полуизолирующей подложки, повышение технологичности, а также интегральная реализация в наномасштабе.
Для достижения необходимого технического результата в интегральный микромеханический туннельный акселерометр, содержащий полуизолирующую подложку, преобразователь перемещений, инерционную массу, основание неподвижного электрода, якорную область подвижного электрода, неподвижный электрод, подвижный электрод, введены основание электростатического актюатора, технологический слой в области неподвижного электрода, технологический слой в области электростатического актюатора, упругий подвес, контактная область неподвижного электрода, контактная область электростатического актюатора, контактная область подвижного электрода, неподвижный электрод электростатического актюатора, контакт к подвижному электроду, подвижный электрод электростатического актюатора, причем преобразователь перемещения представляет собой туннельный контакт, образованный неподвижным электродом, примыкающим к контактной области неподвижного электрода, расположенной на технологическом слое в области неподвижного электрода, который примыкает к основанию неподвижного электрода, жестко закрепленному на полуизолирующей подложке, и подвижным электродом, примыкающим к инерционной массе, на которой расположен подвижный контакт электростатического актюатора, и которая примыкает к упругому подвесу; упругий подвес имеет J-образную форму и представляет собой сегмент цилиндрической оболочки, примыкающий одним концом к контактной области подвижного электрода, контакту подвижного электрода и к якорной области подвижного электрода, жестко закрепленный относительно полуизолирующей подложки, а вторым концом примыкающий к инерционной массе; электростатический актюатор образован неподвижным отклоняющим электродом, примыкающим к контактной области электростатического актюатора, расположенной на технологическом слое в области электростатического актюатора, который примыкает к якорной области электростатического актюатора, жестко закрепленной на полуизолирующей подложке, и подвижным электродом электростатического актюатора, примыкающим к инерционной массе.
Сравнивая предлагаемое устройство с прототипом, видим, что оно содержит новые признаки, то есть соответствует критерию новизны. Проводя сравнение с аналогами, приходим к выводу, что предлагаемое устройство соответствует критерию "существенные отличия", так как в аналогах не обнаружены предъявляемые новые признаки. Получен положительный эффект, заключающийся в обеспечении высокой чувствительности измерения составляющей ускорения, направленной вдоль оси, перпендикулярной плоскости полуизолирующей подложки, повышении технологичности, а также в возможности интегральной реализации в наномасштабе.
На фиг. 1 приведена структура предлагаемого интегрального микромеханического туннельного акселерометра. Регистрация линейного ускорения осуществляется в направлении вертикальной оси.
На фиг. 2 приведена изометрическая проекция интегрального микромеханического туннельного акселерометра.
Интегральный микромеханический туннельный акселерометр содержит полуизолирующую подложку 1, основание неподвижного электрода 2, основание электростатического актюатора 3, якорную область подвижного электрода 4, технологический слой в области неподвижного электрода 5, технологический слой в области электростатического актюатора 6, несущий упругий подвес 7, контактная область неподвижного электрода 8, контактная область электростатического актюатора 9, контактная область подвижного электрода 10, инерционная масса 11, неподвижный электрод 12, неподвижный электрод электростатического актюатора 13, контакт к подвижному электроду 14, подвижный электрод электростатического актюатора 15, подвижный электрод 16, причем преобразователь перемещения представляет собой туннельный контакт, образованный неподвижным электродом 12, примыкающим к контактной области неподвижного электрода 8, расположенной на технологическом слое в области неподвижного электрода 5, который примыкает к основанию неподвижного электрода 2, жестко закрепленному на полуизолирующей подложке 1, и подвижным электродом 16, примыкающим к инерционной массе 11, на которой расположен подвижный электрод электростатического актюатора 15, и которая примыкает к несущему упругому подвесу 7; упругий подвес имеет J-образную форму и представляет собой сегмент цилиндрической оболочки, примыкающий одним концом к контактной области подвижного электрода 10, контакту подвижного электрода 14 и якорной области подвижного электрода 4 и жестко закрепленный относительно полуизолирующей подложки 1, а незакрепленным вторым концом примыкающий к инерционной массе 11; электростатический актюатор образован неподвижным отклоняющим электродом 13, примыкающим к контактной области электростатического актюатора 9, расположенной на технологическом слое в области электростатического актюатора 6, который примыкает к якорной области электростатического актюатора 3, жестко закрепленной на полуизолирующей подложке 1, и подвижным электродом электростатического актюатора 15, примыкающим к инерционной массе 11.
Несущий упругий подвес 7, технологический слой в области электростатического актюатора 6 и технологический слой в области неподвижного контакта 5 выполнены из двухслойного материала таким образом, что поверхности, примыкающие к якорной области подвижного электрода 4 (то есть внешняя поверхность упругого повеса), якорной области электростатического актюатора 3 и якорной области неподвижного электрода 2, соответственно сформированы из сжатой пленки арсенида индия второго типа проводимости, а поверхности, примыкающие к контактной области подвижного электрода 10 (то есть внутренняя поверхность упругого подвеса), контактной области электростатического актюатора 9 и контактной области неподвижного электрода 8 сформированы из растянутой пленки арсенида галлия второго типа проводимости.
Работает устройство следующим образом. При подаче положительного напряжения питания на неподвижный электрод 12 относительно подвижного электрода 16 (а соответственно и относительно контакта к подвижному электроду 14) вследствие малости разделяющего их пространственного зазора электроны туннелируют из области подвижного электрода 16 в область неподвижного электрода 12 сквозь потенциальный барьер, образованный пространственным зазорам, и создают туннельный ток, величина которого определяется составляющей линейного ускорения в направлении оси, перпендикулярной плоскости полуизолирующей подложки.
При возникновении ускорения полуизолирующей подложки 1 в направлении, совпадающем с отрицательным направлением оси, перпендикулярной плоскости полуизолирующей подложки, инерционная масса 11 с закрепленным на ней подвижным электродом 16 под действием сил инерции перемещается в противоположном направлении, инициируя упругую деформацию соединенного с ней несущего упругого подвеса 7 в области сегмента цилиндрической оболочки. Значение силы туннельного тока, протекающего между подвижным электродом 16 и неподвижным электродом 12, уменьшается вследствие увеличения пространственного зазора между электродами 16 и 12.
При возникновении ускорения полуизолирующей подложки 1 в направлении, совпадающем с положительным направлением оси, перпендикулярной плоскости полуизолирующей подложки, инерционная масса 11 с закрепленным на ней подвижным электродом 16 под действием сил инерции перемещается в противоположном направлении, инициируя упругую деформацию соединенного с ней несущего упругого подвеса 7 в области сегмента цилиндрической оболочки. Значение силы туннельного тока, протекающего между подвижным электродом 16 и неподвижным электродом 12, увеличивается вследствие уменьшения пространственного зазора между электродами 16 и 12.
При подаче напряжения на неподвижный электрод электростатического актюатора 12 относительно подвижного электрода электростатического актюатора 15 можно добиться взаимного притяжения или отталкивания подвижных и неподвижных электродов за счет возникновения электростатических сил, что позволяет варьировать величину пространственного зазора между электродами 16 и 12. Таким образом, изменяя режимы подачи напряжения на электроды 16 и 12, можно как осуществлять калибровку прибора в процессе эксплуатации, так и проводить его самотестирование. Режимы при этом будут определяться применяемыми схемами управления электростатическим актюатором и обработки сигналов акселерометра.
Таким образом, предлагаемое устройство представляет собой интегральный микромеханический туннельный акселерометр, обеспечивающий за счет эффекта туннелирования носителей заряда между подвижным и неподвижным электродами высокую чувствительность измерения составляющей линейного ускорения в направлении оси, перпендикулярной плоскости полуизолирующей подложки, а также возможность интегральной реализации в наномасштабе.