Наномеханический акселерометр

Полезная модель относится к измерительной технике, в частности к области приборостроения, и могут найти применения в инерциальных системах подвижных объектов, в автопилотах авиа- и судомоделей и в системах безопасности транспортных средств. Сущность предлагаемой полезной модели заключается в том, что в наномеханическом акселерометре, состоящем из монолитного корпуса с чувствительным инерционным элементом в виде слоистой микроструктуры, содержащем, по меньшей мере, один эмиссионный слой на земляном электроде нижнего проводникового слоя этой микроструктуры, причем эмиссионный слой расположен с зазором относительно инерционного узла инерционного элемента, земляной электрод выполнен пирамидальной формы. Кроме того, слоистая микроструктура состоит из расположенных последовательно кристаллической подложки, нижнего проводникового слоя с эмиссионным слоем, жертвенного слоя и верхнего проводникового слоя. Верхний проводниковый слой содержит конструктивно совмещенный с ним инерционный узел маятникового типа. Инерционная масса инерционного узла маятникового типа выполнена в виде расположенной в плоскости верхнего проводникового слоя консоли. Нижний проводниковый слой нанесен на кристаллическую подложку и выполнен в виде нижней платы электродов, содержащей, по меньшей мере, одну контактную площадку, соединенную токопроводящей дорожкой с земляным электродом и, по меньшей мере, две контактные площадки, соединенные токопроводящими дорожками с, по меньшей мере, с двумя жертвенными площадками, на которых жестко закреплены две опоры электродов систем возбуждения колебаний инерционной массы и, по меньшей мере, одна опора элементов ее подвеса. Земляной электрод выполнен в виде токопроводящей структуры, нанесенной на кристаллическую подложку напротив инерционной массы. Проекции консоли инерционной массы инерционного узла маятникового типа и земляного электрода на плоскость нижнего проводникового слоя расположены с зазором относительно друг друга. Элемент подвеса инерционной массы может быть выполнен в виде консоли. Верхний проводниковый слой может содержать, по меньшей мере, одну контактную площадку, соединенную токопроводящей дорожкой сквозь жертвенный слой с земляным электродом и, по меньшей мере, три контактные площадки, соединенные токопроводящими дорожками, соответственно, с электродами систем возбуждения колебаний инерционной массы инерционной массой. Верхний проводниковый слой и нижняя плата электродов могут быть изготовлены из никеля. Жертвенный слой может быть выполнен в виде токопроводящих оснований опор электродов ее подвеса и токопроводящих прослоек между контактными площадками верхнего проводникового слоя и нижней платы электродов. Жертвенный слой может быть изготовлен из меди. Таким образом, настоящей полезной моделью получен технический результат, которым является повышение надежности конструкции устройства, упрощение процесса изготовления и существенное увеличение выхода годных приборов.

Полезная модель относится к измерительной технике, в частности к области приборостроения, и могут найти применения в инерциальных системах подвижных объектов, в автопилотах авиа- и судомоделей и в системах безопасности транспортных средств.

Известен микромеханический датчик-вибрационный гироскоп-акселерометр, конструктивно выполненный из диэлектрической платы с напылеными на ней электродами датчика угла и датчика момента и с инерционной массой, расположенной с зазором относительно платы и связанной с ней через две упругие балочки, которые одними концами жестко прикреплены к опорам, расположенным на плате, а вторым - к инерционной массе, выполненной в виде пластины из электропроводного материала со сквозными отверстиями и боковыми гребенчатыми зубцами электродов пластины, при этом на плате закреплены электроды возбуждения с гребенчатыми зубцами, установленные с возможностью электростатического взаимодействия с инерционной массой в плоскости ее пластины через боковые зазоры и взаимопроникающие друг в друга гребенки электродов, причем электроды соединены с электронной схемой обработки сигналов (см., например, патент РФ 2162229, МКИ G01Р 15/08 от 13.03.2000 г.).

Недостатком данного устройства является то, что обслуживающая чувствительный элемент электроника выполняется на дискретных элементах и микромеханический гироскоп-акселерометр не является полностью интегрированным с электроникой схемы обработки сигнала, что ограничивает возможность микроминиатюризации устройства.

Известен микромеханический датчик, который является полностью интегрированным с электроникой и в котором в значительной степени устранены отмеченные недостатки (см., например, патент WO 93/25915, МКИ G01Р 15/08, 24.08.1993 г.).

В этом решении применена планарная конструкция без дополнительной инерционной массы. Прибор содержит плату из диэлектрического материала с напылеными электродами, пару датчиков угла и момента, а также инерционную массу из поликристаллического кремния, подвешенную с зазором относительно платы и связанную с ней через соответствующие пары упругих балочек, закрепленных с одной стороны на жестких опорах, расположенных на плате, а с другой стороны на инерционной массе.

Способ изготовления этих микромеханических датчиков предполагает, что каждый датчик состоит из 300 слоев.

Метод изготовления состоит из 67 процессов, причем каждый процесс возможен над одним или более 300 возможных слоев. В среднем способ изготовления микромеханического датчика включает 330 общих индивидуальных шагов.

Недостатком данного способа изготовления микромеханического прибора является то, что большое количество слоев и технологических операций приводит к резкому увеличению трудозатрат на единицу продукции и уменьшению процента выхода годных приборов до 0,10,5%.

Известен так же микромеханический датчик состоящий из монолитного корпуса с чувствительным инерционным элементом и выводами, при этом чувствительный инерционный элемент выполнен в виде слоистой микроструктуры, содержащей, по меньшей мере, один эмиссионный слой, расположенный с зазором относительно инерционного узла элемента, причем слоистая микроструктура состоит из расположенных последовательно кристаллической подложки, нижнего проводникового слоя с эмиссионным слоем, жертвенного слоя и верхнего проводникового слоя, который может содержать конструктивно совмещенный с ним инерционный узел маятникового типа (см., например, патент RU 2251114 С1, G01Р 15/08, 26.12.2003).

Недостатком данного датчика является большой разброс технических параметров эмиссионного слоя (высоты, радиуса округления острия) от единицы продукции. Так же недостатком является трудность получения эмитирующей поверхности в заданной точке (центре катода).

Данный микромеханический датчик принят за прототип.

Техническим результатом настоящего изобретения является повышение надежности конструкции устройства, упрощение процесса изготовления и существенное увеличение выхода годных приборов.

Указанный технический результат достигается тем, что в датчике, состоящем из монолитного корпуса с чувствительным инерционным элементом в виде слоистой микроструктуры, содержащей, по меньшей мере, один эмиссионный слой на земляном электроде нижнего проводникового слоя этой микроструктуры, причем эмиссионный слой расположен с зазором относительно инерционного узла инерционного элемента, земляной электрод выполнен пирамидальной формы.

Кроме того, слоистая микроструктура состоит из расположенных последовательно кристаллической подложки, нижнего проводникового слоя с эмиссионным слоем, жертвенного слоя и верхнего проводникового слоя.

Кроме того, верхний проводниковый слой содержит конструктивно совмещенный с ним инерционный узел маятникового типа.

Кроме того, инерционная масса инерционного узла маятникового типа выполнена в виде расположенной в плоскости верхнего проводникового слоя консоли.

Кроме того, нижний проводниковый слой нанесен на кристаллическую подложку и выполнен в виде нижней платы электродов, содержащей, по меньшей мере, одну контактную площадку, соединенную токопроводящей дорожкой с земляным электродом и, по меньшей мере, две контактные площадки, соединенные токопроводящими дорожками с, по меньшей мере, с двумя жертвенными площадками, на которых жестко закреплены две опоры электродов систем возбуждения колебаний инерционной массы и, по меньшей мере, одна опора элементов ее подвеса.

Кроме того, земляной электрод выполнен в виде токопроводящей структуры, нанесенной на кристаллическую подложку напротив инерционной массы.

Кроме того, проекции консоли инерционной массы инерционного узла маятникового типа и земляного электрода на плоскость нижнего проводникового слоя расположены с зазором относительно друг друга.

Кроме того, элемент подвеса инерционной массы может быть выполнен в виде консоли.

Кроме того, верхний проводниковый слой может содержать, по меньшей мере, одну контактную площадку, соединенную токопроводящей дорожкой сквозь жертвенный слой с земляным электродом и, по меньшей мере, три контактные площадки, соединенные токопроводящими дорожками, соответственно, с электродами систем возбуждения колебаний инерционной массы инерционной массой.

Кроме того, верхний проводниковый слой и нижняя плата электродов могут быть изготовлены из никеля.

Кроме того, жертвенный слой может быть выполнен в виде токопроводящих оснований опор электродов ее подвеса и токопроводящих прослоек между контактными площадками верхнего проводникового слоя и нижней платы электродов.

Кроме того, жертвенный слой может быть изготовлен из меди.

Полезная модель иллюстрируется чертежами.

На фиг.1 приведен общий вид наномеханического датчика в объемном изображении.

На фиг.2 приведена блок-схема наномеханического датчика.

На фиг.3 приведен маятниковый узел наномеханического датчика в разрезе плоскостью, перпендикулярной подвесу чувствительного элемента.

На фиг.4 приведен маятниковый узел наномеханического датчика в сборе.

На фиг.5 приведен нижний проводниковый слой наномеханического датчика.

На фиг.6 приведен жертвенный проводниковый слой наномеханического датчика.

На фиг.7 приведена схема наложения слоев и сборки микромеханического датчика.

На фиг.8 верхний проводниковый слой наномеханического датчика.

На фиг.9 приведен маятниковый узел наномеханического датчика в сборке (увеличено).

На фиг.10 приведена электрическая схема включения наномеханического датчика.

Наномеханический датчик выполнен по тонкопленочной 1 технологии в виде кристалла с размерами 1,5×1,5×0,45 мм (Ш×В×Г) (фиг.1)

Структурная схема наномеханического датчика (фиг.2) состоит из выводов 1-4.

Вывод 1 соединен с земляным электродом 5. Вывод 2 электрически соединен с пластиной 6 электрической системы возбуждения, а вывод 4 с пластиной 7 электрической системы возбуждения. Вывод 3 электрически соединен с инерционным узлом маятника 8.

Чувствительный инерционный элемент кристалла выполнен в виде слоистой микроструктуры, которая состоит из:

- кристаллической подложки 9 (например, из сапфира);

- нижнего проводникового слоя 10 (например, из никеля);

- жертвенного слоя 11 (например, углеродной пленки);

- верхнего проводникового слоя 12 (например, никеля);

На кристаллической подложке 9 микромеханического датчика конструктивно размещена сборка чувствительного инерциального элемента, представляющего собой специально выполненный инерционный узел маятникового типа 8.

Инерционный узел маятника представляет собой чувствительный элемент консольного типа. Электроды неподвижной электростатической системы возбуждения выполнены в виде балок 2, 4.

Нижняя пластина электродов представляет собой проводниковый слой, нанесенный на кристаллическую подложку (фиг.4). На этой плате электродов имеются четыре контактные площадки 13, 14, 15, 16. Площадка 13 токоведущей дорожкой 17 соединяется с земляным электродом 6. Площадки 14, 16 соединены через жертвенный слой 11 и токопроводящие дорожки 18, 20 с электродами системы возбуждения 6, 7. Площадка 15 через жертвенный слой 11 и токопроводящую дорожку 19 соединены с инерционным узлом.

Верхний слой 12, как и нижний, изготовлен из никеля. На этой плате электродов имеются четыре контактные площадки 28, 19, 30, 31. Контактная площадка 28 соединена с земляным электродом 6 через жертвенный слой 11. Контактные площадки 19, 31 с токоведущие дорожки 32, 34 образуют систему электродов возбуждения 6, 7. Контактная площадка 30 соеденена токоведущей дорожкой 33 с инерционным узлом 35.

Жертвенный слой 11 выполнен из меди и представляет собой набор токопроводящих прослоек 21, 22, 23, 24 токоведущих дорожек 25, 26, 27 между контактными площадками верхнего проводникового слоя 12 и нижнего проводникового слоя 10.

Схема включения наномеханического датчика в режиме акселерометра представлена на фиг.10.

В этом случае вывод 3 кристалла через нагрузочный резистор 36 соединен с выходом буферного усилителя 42. Одновременно вывод 3 соединен через предварительный усилитель 37. Усилитель 38, 39 и сумматор 40 регулятора цепи обратной связи 41 с входом 43 буферного усилителя 42. Одновременно на вход 44 буферного усилителя 42 подается стабилизированное напряжение источника питания.

Принцип работы НМА заключается в создании электрического поля между нижней поверхностью консоли 35 и катодом 17. При изменении линейного ускорения вдоль оси перпендикулярной плоскости кристалла происходит изменение электрического поля. Величина изменение электрического поля прямо пропорциональна линейному ускорению вдоль оси перпендикулярной оси кристалла. Измеряя величину электрического поля, можно получить информацию о составляющей линейного ускорения прибора.

В процессе изготовления наномеханического датчика, включающего операции нанесения слоев чувствительного инерционного элемента на подложку и формирования микроструктуры слоев фотолитографией и химическим травлением, дополнительно перед нанесением слоев производят ультразвуковую очистку кристаллической подложки в ванне, затем производят напыление пленок тантал-никеля с последующими первой фотолитографией, травлением пленок тантал-никеля и удалением фоторезистивной маски для формирования платы электродов нижнего проводникового слоя, затем проводят напыление жертвенного слоя меди с последующими второй фотолитографией, травлением жертвенного слоя меди и удалением фоторезистивной маски для формирования жертвенного слоя, затем производят напыление никелевой пленки с последующими третьей фотолитографией, травлением никелевой пленки и удалением фоторезистивной маски для формирования верхнего проводникового слоя, затем производят повторное травление меди для окончательного формирования жертвенного слоя токопроводящих оснований опор электродов системы возбуждения колебаний инерционной массы и опоры элементов ее подвеса, а так же зазора между инерционной массой и электродами нижнего проводникового слоя, после чего разделяют поверхности инерционной массы, земляного электрода и электродов системы возбуждения колебаний инерционной массы нижней платы электродов.

Перед операциями напыления медной пленки - при предварительном формировании токопроводящих прослоек жертвенного слоя, никелевой пленки - при формировании платы электродов верхнего проводникового слоя, а так же перед повторным травление меди - при окончательном формировании в жертвенном слое токопроводящих оснований опор электродов систем возбуждения колебаний инерционной массы и опоры элементов ее подвеса, а так же зазора между инерционной массой и электродами нижнего проводникового слоя, могут производить межоперационную очистку и сушку подложек.

Разделение поверхностей пластины инерционной массы, земляного электрода и электродов системы возбуждения колебаний инерционной массы нижней платы электродов могут производить скрабированием.

После разделения поверхностей пластины инерционной массы, земляного электрода и электродов системы возбуждения колебаний инерционной массы нижней платы электродов могут производить контроль внешнего вида и измерение электрического сопротивления микросхемы.

Таким образом, настоящей полезной моделью получен технический результат, которым является повышение надежности конструкции устройства, упрощение процесса изготовления и существенное увеличение выхода годных приборов.

1. Наномеханический акселерометр, состоящий из монолитного корпуса с чувствительным инерционным элементом в виде слоистой микроструктуры, содержащей, по меньшей мере, один эмиссионный слой на земляном электроде нижнего проводникового слоя этой микроструктуры, причем эмиссионный слой расположен с зазором относительно инерционного узла инерционного элемента, а земляной электрод выполнен пирамидальной формы.

2. Акселерометр по п.1, отличающийся тем, что слоистая микроструктура состоит из расположенных последовательно кристаллической подложки, нижнего проводникового слоя с эмиссионным слоем, жертвенного слоя и верхнего проводникового слоя.

3. Акселерометр по п.1, отличающийся тем, что верхний проводниковый слой содержит конструктивно совмещенный с ним инерционный узел маятникового типа.

4. Акселерометр по п.1, отличающийся тем, что инерционная масса инерционного узла маятникового типа выполнена в виде расположенной в плоскости верхнего проводникового слоя консоли.

5. Акселерометр по п.1, отличающийся тем, что нижний проводниковый слой нанесен на кристаллическую подложку и выполнен в виде нижней платы электродов, содержащей, по меньшей мере, одну контактную площадку, соединенную токопроводящей дорожкой с земляным электродом, и, по меньшей мере, две контактные площадки, соединенные токопроводящими дорожками с, по меньшей мере, с двумя жертвенными площадками, на которых жестко закреплены две опоры электродов систем возбуждения колебаний инерционной массы и, по меньшей мере, одна опора элементов ее подвеса.

6. Акселерометр по п.1, отличающийся тем, что земляной электрод выполнен в виде токопроводящей структуры, нанесенной на кристаллическую подложку напротив инерционной массы.

7. Акселерометр по п.1, отличающийся тем, что проекции консоли инерционной массы инерционного узла маятникового типа и земляного электрода на плоскость нижнего проводникового слоя расположены с зазором относительно друг друга.

8. Акселерометр по п.1, отличающийся тем, что элемент подвеса инерционной массы выполнен в виде консоли.

9. Акселерометр по п.1, отличающийся тем, что верхний проводниковый слой содержит, по меньшей мере, одну контактную площадку, соединенную токопроводящей дорожкой сквозь жертвенный слой с земляным электродом, и, по меньшей мере, три контактные площадки, соединенные токопроводящими дорожками соответственно с электродами систем возбуждения колебаний инерционной массы инерционной массой.

10. Акселерометр по п.1, отличающийся тем, что верхний проводниковый слой и нижняя плата электродов изготовлены из никеля.

11. Акселерометр по п.1, отличающийся тем, что жертвенный слой выполнен в виде токопроводящих оснований опор электродов ее подвеса и токопроводящих прослоек между контактными площадками верхнего проводникового слоя и нижней платы электродов.

12. Акселерометр по п.1, отличающийся тем, что жертвенный слой изготовлен из меди.