Микромеханический датчик
Полезная модель может применяться в микромеханических датчиках линейных ускорений. Задачей, на решение которой направлена полезная модель, является увеличение точности микромеханического датчика. Микромеханический датчик содержит чувствительный элемент, выполненный из монокристаллического кремния низкой проводимости, соединенный со стеклянными подложками, на которых находятся электроды емкостного преобразователя. Чувствительный элемент состоит из одноплечевого маятника, соединенного с внешней рамкой через упругие торсионы. Чувствительный элемент микромеханического датчика, соединен со стеклянными подложками через площадки крепления, расположенными на внешней рамке и удаленными от упругих торсионов на максимально удаленное расстояние. Применение симметричной конструкции, а именно двух стеклянных подложек, сверху и снизу позволяет существенно снизить погрешность от внешних возмущающих факторов. А использование одноплечевого маятника и соединение чувствительного элемента со стеклянными подложками, через площадки, находящееся на внешней рамке, снижает нестабильность и уровень нулевого сигнала датчика в целом. При этом площадки, расположенные на внешней рамке максимально удалены от упругих торсионов.
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 у механической обработке его упругих элементов, трудоемкой установке в корпус, сложной регулировке, высоких нулевых сигналов [2].
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 Х-образного профиля, электроды симметрично размещены относительно оси подвеса и расположены двумя парами-соответственно электроды емкостной системы съема и электроды датчика момента. Ось симметрии фигуры инерционной массы совмещена с осью, проходящей через торсионы подвеса. А маятниковый подвес обеспечен удалением части одного плеча инерционной массы на внешней по отношению к электростатической плате поверхности плеча инерционной массы При этом указанная поверхнсть выполнена с ребрами жесткости, причем профиль поперечного сечения ребер жесткости имеет Т-образную форму, а наклонные грани крестообразных торсионов с профилем поперечного сечения в виде Х-образной формы ориентированы по направлению (111) кристаллографической решетки монокристаллического кремния. [3] Одним из недостатков известного датчика является то, что обеспечение маятникового подвеса, удалением (химическим травлением) части одного плеча инерционной массы на одной из сторон сопряжено с определенными трудностями. А именно разнотолщинность пластин, как и при анизотропном травлении, будет влиять на размеры получаемого элемента. Тем более, площадь вытравливаемой массы достаточно большая. При изготовлении чувствительного элемента травлением очень важно остановить процесс обработки при достижении необходимой толщины. К настоящему моменту известно несколько способов контроля и обеспечения воспроизводимости толщины упругих элементов. Наиболее важными из них являются: контроль по времени травления; оптический способ; контрольное подтравливание; При большом числе положительных характеристик данные способы обладают существенными недостатками: большая погрешность толщины упругого элемента (контроль по времени травления), ограниченность диапазона толщин кремниевых упругих элементов (оптический способ контроля), усложнение технологии и необходимость в специальном оборудовании, привносимые механические напряжения (контрольное подтравливание и легирование). Поэтому обеспечить точное расположение центра масс в данной конструкции невозможно. Это приведет к тому, что измеряемое ускорение будет приложено не к расчетному центру масс, а к с сдвинутому относительно истинного на расстояние L. Вследствие чего возникнет погрешность измерения.
Другим недостатком является то, что анодное соединение диэлектрической пластиной (стеклянная подложка типа ЛК-105) с кремниевым чувствительным элементом осуществляется непосредственно в зоне о по линии торсионов. Это существенным образом влияет на стабильность упругих свойств последних.
Так после присоединения, возникающие контактные напряжения влияют на упругий подвес, за счет чего увеличивается нестабильность смещения нуля и, как следствие, понижается точность прибора в целом.
Еще одним недостатком дайной конструкции является ее несимметричность. Т.е. 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 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, содержащем корпус, стеклянную подложку с электродами, чувствительный элемент из монокристаллического кремния с маятником и внешней рамкой с площадками крепления к стеклянной подложке, крестообразные торсионы, согласно заявленному решению, маятник выполнен одноплечевым, при этом соединен с двумя стеклянными подложками, сверху и снизу, а площадки крепления разнесены и находятся в в верхней и нижней зонах внешней рамки, с обеих строи, на максимальном удалении от мест крепления торсионов к внешней рамке.
Признаком, отличающим предложенный датчик от известного является то, что чувствительный элемент выполнен одноплечевым. Это исключает дополнительную операцию выемки инерционной массы с одной стороны с обеспечением контроля травления, что упрощает процесс изготовления и снижает погрешность изготовления, что в конечном итоге повышает точность измерения. Использование двух стеклянных подложек, снизу и сверху чувствительного элемента симметрирует конструкцию в целом. При этом воздействие вредных факторов направлено в противоположные стороны и взаимно компенсируются. Разнесенные площадки для соединения со стеклянными подложками, обеспечивают минимальное влияние контактных напряжений на торсионы подвеса. Все это в целом увеличивает точность измерения полезного сигнала в целом.
Предложенный микромеханический датчик иллюстрируется чертежами, представленными на фиг.1, 2, 3. 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. На фиг.3, разрез по линии А-А фиг.3.
Где:
5 - одноплечевой маятник;
6 - внешняя рамка;
7 - упругие торсионы;
8 - площадки крепления чувствительного элемента к стеклянной подлжке.
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 одноплечевого маятника (5), соединенного с внешней рамкой (6) через упругие торсионы (7). Чувствительный элемент (1) соединен со стеклянными подложками (2) через площадки крепления (8), расположенными на внешней рамке (6) и удаленными от упругих торсионов (7) на максимально удаленное расстояние R и R1.
Микромеханический датчик работает следующим образом. При воздействии линейного ускорения, одноплечевой маятник 5, кремниевого чувствительного элемента 1, отклоняется от своего нейтрального положения. При этом упругие торсионы 7 закручиваются на определенный угол. На стеклянных подложках 2 и одноплечевом 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 факторов, расположение площадок крепления 8 на внешней рамке 6, резко уменьшает нулевой сигнал и его нестабильность, а при одновременном воздействии еще измеряемого ускорения уменьшает погрешность крутизны характеристики прибора в целом. 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 2251702 (прототип).
Микромеханический датчик, содержащий корпус, стеклянную подложку с электродами, чувствительный элемент из монокристаллического кремния с маятником и внешней рамкой с площадками крепления к стеклянной подложке, крестообразные торсионы, отличающийся тем, что маятник выполнен одноплечевым, при этом соединен с двумя стеклянными подложками, сверху и снизу, а площадки крепления разнесены и находятся в в верхней и нижней зонах внешней рамки, с обеих сторон, на максимальном удалении от мест крепления торсионов к внешней рамке.
