PL249226B1

PL249226B1 - Acceleration sensor

Info

Publication number: PL249226B1
Application number: PL446213A
Authority: PL
Inventors: Stanisław Bednarek
Original assignee: Uniwersytet Łódzki
Priority date: 2023-09-25
Filing date: 2023-09-25
Publication date: 2026-03-09
Also published as: PL446213A1

Abstract

Przedmiotem zgłoszenia jest czujnik przyspieszenia przeznaczony do wykrywania zmian prędkości, zwłaszcza zachodzących nagle i mający zastosowanie w układach elektronicznych urządzeń technicznych. Czujnik przyspieszenia zawiera trzy moduły, mające kształt prostopadłościanów o takich samych rozmiarach, ustawionych w ten sposób, że najdłuższe boki prostopadłościanów są wzajemnie prostopadłe do siebie. Prostopadłościany są połączone ze sobą ścianami o najmniejszej powierzchni. Każdy z modułów składa się z obudowy (4) z prostopadłościenną wnęką (5) umieszczoną symetrycznie względem ścian obudowy (4). Wnęka (5) jest zamknięta szczelnie od góry pokrywą (6) w kształcie prostopadłościennej płytki. Na dnie wnęki (5) w każdym z modułów jest umieszczona prostokątna płytka (7) wykonana z monokrystalicznego krzemu o takich samych rozmiarach, jak dno wnęki (5). Płytka (7) jest pokryta od góry warstwą (8) ditlenku krzemu SiO2, na której jest osadzona od góry warstwa grafenu (9), pokrywająca całą powierzchnię prostokątnej płytki (7). Z przeciwległymi, krótszymi bokami warstwy grafenu (9) kontaktują wewnętrzne końce wyprowadzeń (10) zagięte pod kątem prostym i skierowane równolegle do płytki (7), znajdującej się w każdym z modułów. Wyprowadzenia (10) wychodzą z wnęk (5) przez ściany obudów (4) na zewnątrz każdego z modułów i są skierowane wzdłuż ścian modułów.The subject of the application is an acceleration sensor designed to detect speed changes, particularly sudden ones, and used in electronic circuits of technical devices. The acceleration sensor comprises three modules in the shape of cuboids of equal dimensions, arranged so that the longest sides of the cuboids are mutually perpendicular. The cuboids are connected by walls with the smallest surface area. Each module consists of a housing (4) with a cuboid recess (5) placed symmetrically relative to the walls of the housing (4). The recess (5) is tightly closed at the top by a cover (6) in the shape of a cuboid plate. At the bottom of the recess (5), each module contains a rectangular plate (7) made of monocrystalline silicon of the same dimensions as the bottom of the recess (5). The board (7) is coated on top with a layer (8) of silicon dioxide SiO2, on top of which a layer of graphene (9) is deposited, covering the entire surface of the rectangular board (7). The inner ends of the leads (10), bent at right angles and oriented parallel to the board (7), located in each module, contact the opposite, shorter sides of the graphene layer (9). The leads (10) extend from the cavities (5) through the walls of the housings (4) to the outside of each module and are oriented along the module walls.

Description

Przedmiotem wynalazku jest czujnik przyspieszenia przeznaczony do wykrywania zmian prędkości, zwłaszcza zachodzących nagle i mający zastosowanie w układach elektronicznych urządzeń technicznych.The subject of the invention is an acceleration sensor intended to detect speed changes, especially those occurring suddenly, and for use in electronic systems of technical devices.

Z artykułu, którego autorami są Magdalena Moczała, Andrzej Sierakowski, Paweł Janus, Piotr Grabiec, Wojciech Leśniewicz i Teodor Gosztalak, zatytułowanego „Postępy nanometrologii układów MEMS/NEMS”, opublikowanego w czasopiśmie „Mechanik” w nr 11 z 2016 r. na str. 1611-1613 są znane czujniki przyspieszenia, wykorzystujące mikrobelki krzemowe. Znane czujniki składają się z płytki krzemowej, pokrytej obustronnie warstwą stechiometrycznego azotku krzemu Si3N4, wytworzonego w procesie chemicznego osadzania z fazy gazowej. Na tych warstwach osadzono tą samą metodą warstwy niestechiometrycznego azotku krzemu SixNy. Po jednej stronie płytki krzemowej na warstwie niestechiometrycznego azotku krzemu SixNy osadzono warstwy kolejno platyny i chromu, których kształt jest taki sam, jak kształt projektowanej mikrobelki. Po tym płytkę krzemową poddano trawieniu w roztworze wodorotlenku potasu KOH i w ten sposób wytworzono niej wnękę w kształcie ostrosłupa prostokątnego ściętego, znajdującą się pod warstwami platyny i chromu. Ponieważ warstwa krzemu, znajdująca się pod warstwami platyny i chromu pozostała niewytrawiona, to uzyskano mikrobelkę krzemową, obustronnie zamocowaną do płytki i znajdującą nad wnęką. Tak przygotowana płytka krzemowa jest przymocowana do elementu piezoelektrycznego. Działanie czujnika polega na tym, że mikrobelka jest poddawana przyspieszeniu podczas wprawiana w drgania rezonansowe za pomocą elementu piezoelektrycznego i widmo tych drgań jest rejestrowane. Jeżeli mikrobelka zostanie obciążona dodatkową masą zostanie do niej przyłożona siła, to spowoduje zmianę przyspieszenia mikrobelki i zmianę jej częstotliwości rezonansowej i ta zmiana pozwala wyznaczyć przyspieszenie.Acceleration sensors using silicon microcantilevers are known from an article by Magdalena Moczała, Andrzej Sierakowski, Paweł Janus, Piotr Grabiec, Wojciech Leśniewicz, and Teodor Gosztalak, titled "Advances in the Nanometrology of MEMS/NEMS Systems," published in the journal "Mechanik" (Issue 11, 2016, pages 1611-1613). These sensors consist of a silicon wafer coated on both sides with a layer of stoichiometric silicon nitride (Si3N4), produced by chemical vapor deposition. Layers of non-stoichiometric silicon nitride (SixNy) were deposited on these layers using the same method. On one side of the silicon wafer, platinum and chromium layers, the shape of which is identical to the shape of the designed microcantilever, were deposited on the non-stoichiometric silicon nitride (SixNy). The silicon wafer was then etched in a potassium hydroxide (KOH) solution, creating a cavity in the shape of a truncated rectangular pyramid beneath the platinum and chromium layers. Since the silicon layer beneath the platinum and chromium layers remained unetched, a silicon microcantilever was created, attached to the wafer on both sides and positioned above the cavity. The prepared silicon wafer is attached to a piezoelectric element. The sensor operates by accelerating the microcantilever while it is set into resonant vibrations by the piezoelectric element, and the spectrum of these vibrations is recorded. If the microcantilever is loaded with additional mass and a force is applied, this changes the microcantilever's acceleration and its resonant frequency, which allows the acceleration to be determined.

Ponadto z artykułu autorstwa Stanisława Bednarka pod tytułem „Zastosowanie efektu tunelowego w akcelerometrach o wysokiej czułości”, opublikowanego w czasopiśmie „Przegląd Elektrotechniczny, Organ Stowarzyszenia Elektryków Polskich”, rocz. 98, Nr 7, z 2022 r. na str. 61-65 są znane czujniki składające się z mikrobelki krzemowej, zamocowanej jednostronnie. Na swobodnym końcu tej mikrobelki jest osadzona igła wolframowa i obciążnik. Koniec tej igły jest zbliżony na odległość rzędu kilku nanometrów do płaskiej powierzchni przewodzącej płytki oraz między igłą i tą powierzchnią jest przyłożone napięcie w granicach kilku woltów. W wyniku tego między ostrzem igły i powierzchnią płytki zachodzi efekt kwantowy, polegający na tunelowaniu elektronów, który powoduje przepływ prądu elektrycznego. Działanie znanego czujnika polega na tym, że jeżeli taki układ zostanie wprawiony w ruch przyspieszony, to swobodny koniec mikrobelki ulegnie dodatkowemu ugięciu i przez to zmieni się odległość końca igły od płytki. Skutkiem tego zmieni się również natężenie prądu elektrycznego i ta zmiana jest wykorzystywana do wyznaczenia przyspieszenia.Furthermore, an article by Stanisław Bednarek titled "Application of the Tunneling Effect in Highly Sensitive Accelerometers," published in the journal "Przegląd Elektrotechniczny, Organ of the Association of Polish Electrical Engineers," issue 98, No. 7, 2022, pages 61-65, describes sensors consisting of a silicon microcantilever mounted on one side. A tungsten needle and a weight are mounted on the free end of the microcantilever. The tip of this needle is brought within a few nanometers of the flat surface of a conductive plate, and a voltage of several volts is applied between the needle and this surface. As a result, a quantum effect occurs between the needle tip and the plate surface, involving electron tunneling, which causes an electric current to flow. The operation of this known sensor is such that if such a system is set into accelerated motion, the free end of the microcantilever undergoes additional deflection, thus changing the distance between the needle tip and the plate. As a result, the electric current will also change and this change is used to determine the acceleration.

Istota rozwiązania według wynalazku polega na tym, że czujnik przyspieszenia zawiera trzy moduły mające kształt prostopadłościanów o takich samych rozmiarach ustawionych w ten sposób, że najdłuższe boki prostopadłościanów są wzajemnie prostopadłe do siebie. Prostopadłościany są połączone ze sobą ścianami o najmniejszej powierzchni. Każdy z modułów składa się z obudowy z prostopadłościenną wnęką umieszczoną symetrycznie względem ścian modułu. Wnęka jest zamknięta szczelnie od góry pokrywą w kształcie prostopadłościennej płytki. Obudowy i pokrywy są wykonane z materiału elektroizolacyjnego, korzystnie z utwardzonej żywicy epoksydowej. Moduły, obudowy i pokrywy są połączone ze sobą klejem epoksydowym. Na dnie wnęki w każdym z modułów jest umieszczona prostokątna płytka wykonana z monokrystalicznego krzemu o takich samych rozmiarach, jak dno wnęki. Płytka jest pokryta od góry warstwą ditlenku krzemu SiO2, na której jest osadzona od góry warstwa grafenu pokrywająca całą powierzchnię prostokątnej płytki. Z przeciwległymi, krótszymi bokami warstwy grafenu kontaktują wewnętrzne końce wyprowadzeń - po jednym wyprowadzeniu z każdym bokiem, czyli w sumie sześć wyprowadzeń w całym czujniku, przy czym wyprowadzenia są zagięte pod kątem prostym i skierowane równolegle do płytki znajdującej się w każdym z modułów. Wyprowadzenia wychodzą z wnęk przez ściany obudów na zewnątrz każdego z modułów i są skierowane wzdłuż ścian modułów, przy czym dwa wyprowadzenia wychodzące z dwóch modułów umieszczonych poziomo i znajdujące się po stronie połączenia wszystkich modułów ze sobą są zagięte pod kątem prostym i również połączone ze sobą oraz połączone z wyprowadzeniem pozostałego modułu przez zlutowanie przed sklejeniem wszystkich modułów i przez to wyprowadzenie pozostałego modułu jest wyprowadzeniem wspól nym. Wyprowadzenia z przeciwległych końców modułów i wyprowadzenie wspólne są skierowane prostopadle do dolnej powierzchni czujnika. Wszystkie wyprowadzenia są wykonane z metalu o małej rezystywności, korzystnie z drutu miedzianego pokrytego cyną.The essence of the invention is that the acceleration sensor contains three modules in the shape of cuboids of equal dimensions, arranged so that the longest sides of the cuboids are mutually perpendicular. The cuboids are connected by walls with the smallest surface area. Each module consists of a housing with a cuboid recess placed symmetrically relative to the module walls. The recess is tightly closed at the top with a cover in the shape of a cuboid plate. The housings and covers are made of an electrically insulating material, preferably cured epoxy resin. The modules, housings, and covers are connected with epoxy adhesive. At the bottom of the recess in each module, a rectangular plate made of monocrystalline silicon of the same size as the bottom of the recess is placed. The plate is coated on top with a layer of silicon dioxide (SiO2), on which a layer of graphene is deposited, covering the entire surface of the rectangular plate. The inner ends of the leads contact the opposite, shorter sides of the graphene layer—one lead on each side, for a total of six leads across the sensor. The leads are bent at right angles and oriented parallel to the board in each module. The leads emerge from the recesses through the housing walls to the outside of each module and are oriented along the module walls. The two leads from the two horizontally positioned modules, located on the side where all the modules connect, are bent at right angles and also connected to each other and connected to the lead of the remaining module by soldering before gluing all the modules together. This makes the lead of the remaining module a common lead. The leads from the opposite ends of the modules and the common lead are oriented perpendicularly to the bottom surface of the sensor. All leads are made of a low-resistance metal, preferably tin-plated copper wire.

Głównymi zaletami rozwiązania są bardzo małe opóźnienie działania czujnika i jednoczesne wykrywanie zmian prędkości w trzech wzajemnie prostopadłych kierunkach oraz prosta konstrukcja i niezawodne działanie.The main advantages of the solution are very low delay of the sensor operation and simultaneous detection of speed changes in three mutually perpendicular directions, as well as simple design and reliable operation.

Przedmiot wynalazku jest przedstawiony w przykładzie wykonania i na rysunku, na którym fig. 1 pokazuje wygląd zewnętrzny czujnika przyspieszenia w rzucie ukośnym, fig. 2 pokazuje przekrój podłużny jednego modułu tego czujnika płaszczyzną pionową A-A, natomiast fig. 3 pokazuje przekrój poprzeczny tego modułu płaszczyzną pionową B-B.The subject of the invention is presented in an example embodiment and in a drawing, in which Fig. 1 shows the external appearance of the acceleration sensor in an oblique view, Fig. 2 shows a longitudinal section of one module of this sensor with a vertical plane A-A, while Fig. 3 shows a cross-section of this module with a vertical plane B-B.

Czujniki przyspieszenia zawiera trzy moduły 1,2, 3, mające kształt prostopadłościanów o takich samych rozmiarach, ustawionych w ten sposób, że najdłuższe boki prostopadłościanów są wzajemnie prostopadłe do siebie. Prostopadłościany są połączone ze sobą ścianami o najmniejszej powierzchni. Każdy z modułów 1, 2, 3 składa się z obudowy 4 z prostopadłościenną wnęką 5 umieszczoną symetrycznie względem ścian obudowy 4. Wnęka 5 jest zamknięta szczelnie od góry pokrywą 6 w kształcie prostopadłościennej płytki. Obudowy 4 i pokrywy 6 są wykonane z utwardzonej żywicy epoksydowej. Moduły 1,2, 3, obudowy 4 i pokrywy 6 są połączone ze sobą klejem epoksydowym. Na dnie wnęki 5 w każdym z modułów 1, 2, 3 jest umieszczona prostokątna płytka 7 wykonana z monokrystalicznego krzemu o takich samych rozmiarach, jak dno wnęki 5 i płytka 7 jest pokryta od góry warstwą 8 ditlenku krzemu SiO2, na której jest osadzona od góry warstwa grafenu 9 pokrywająca całą powierzchnię prostokątnej płytki 7. Z przeciwległymi, krótszymi bokami warstwy grafenu 9 kontaktują wewnętrzne końce wyprowadzeń 10, 11, 12, 13, 14, 15, zagięte pod kątem prostym i skierowane równolegle do płytki 7 znajdującej się w każdym z modułów 1,2, 3. Wyprowadzenia 10, 11, 12, 13, 14, 15 wychodzą z wnęk 5 przez ściany obudów 4 na zewnątrz każdego z modułów 1,2, 3 i są skierowane wzdłuż ścian modułów 1, 2, 3, przy czym dwa wyprowadzenia 11, 15, wychodzące z dwóch modułów 1, 3 umieszczonych poziomo i znajdujące się po stronie połączenia wszystkich modułów 1, 2, 3 ze sobą są zagięte pod kątem prostym i również połączone ze sobą oraz połączone z wyprowadzeniem 13 pozostałego modułu 2 przez zlutowanie przed sklejeniem wszystkich modułów 1,2, 3 ze sobą i przez to wyprowadzenie 13 pozostałego modułu 2 jest wyprowadzeniem wspólnym. Wyprowadzenia 10, 12, 14 z przeciwległych końców modułów 1,2, 3 i wyprowadzenie wspólne 13 są skierowane prostopadle do dolnej powierzchni czujnika. Wszystkie wyprowadzenia 10, 11, 12, 13, 14, 15 są wykonane z drutu miedzianego pokrytego cyną.The acceleration sensors comprise three modules 1, 2, and 3, shaped like cuboids of the same size, arranged so that the longest sides of the cuboids are mutually perpendicular. The cuboids are connected by walls of the smallest surface area. Each module 1, 2, and 3 consists of a housing 4 with a cuboid recess 5 arranged symmetrically with respect to the walls of housing 4. Recess 5 is tightly closed at the top by a cover 6 in the shape of a cuboid plate. Housings 4 and covers 6 are made of cured epoxy resin. Modules 1, 2, and 3, housing 4, and covers 6 are connected with epoxy adhesive. At the bottom of the cavity 5 in each of the modules 1, 2, 3 there is placed a rectangular plate 7 made of monocrystalline silicon of the same dimensions as the bottom of the cavity 5 and the plate 7 is covered from the top with a layer 8 of silicon dioxide SiO2, on which a layer of graphene 9 is deposited from the top covering the entire surface of the rectangular plate 7. The inner ends of the leads 10, 11, 12, 13, 14, 15, bent at a right angle and directed parallel to the plate 7 located in each of the modules 1, 2, 3, are in contact with the opposite, shorter sides of the graphene layer 9. The leads 10, 11, 12, 13, 14, 15 extend from the cavities 5 through the walls of the housings 4 to the outside of each of the modules 1, 2, 3 and are directed along the walls of the modules 1, 2, 3, wherein two leads 11, 15, coming from two horizontally arranged modules 1, 3 and located on the side where all modules 1, 2, 3 are joined together, are bent at right angles and also connected to each other and to lead 13 of the remaining module 2 by soldering before gluing all modules 1, 2, 3 together, and thus lead 13 of the remaining module 2 is the common lead. Leads 10, 12, 14 from the opposite ends of modules 1, 2, 3 and the common lead 13 are directed perpendicularly to the lower surface of the sensor. All leads 10, 11, 12, 13, 14, 15 are made of tin-plated copper wire.

Zasada działania czujnika przyspieszenia polega na tym, że po jego wprawieniu w ruch przyspieszony z dowolnie skierowanym przyspieszeniem a na elektrony swobodne, zawarte w warstwach grafemu 9, znajdujących się w każdym z modułów 1,2, 3, działają siły bezwładności, zwrócone przeciwnie do zwrotu składowych przyspieszenia ax, ay, az, równoległych do naj dłuższych boków modułów 1,2, 3. Skutkiem tego elektrony swobodne ulegają przemieszczeniu i między parami wyprowadzeń 10 i 11, 12 i 13, 14 i 15, wychodzącymi odpowiednio z modułów 1, 2, 3. W ten sposób są wytwarzane różnice potencjałów proporcjonalne do wartości składowych przyspieszenia ax, ay, az. Pomiar tych różnic potencjałów umożliwia wyznaczenie składowych przyspieszenia ax, ay, az. Zastosowanie warstw grafemu 9 jest uzasadnione tym, że ruchliwość elektronów swobodnych w grafenie wynosi ok. 20 m ²/(Vs) i wielokrotnie przekracza ruchliwość elektronów swobodnych w innych przewodnikach. Dzięki temu czujnik ma bardzo małe opóźnienie zadziałania, co pozwala na jego zastosowanie do wykrywania szybkich zmian prędkości. Zastosowanie korzystnie utwardzonej żywicy epoksydowej, jako materiału na obudowy 4 i pokrywy 5 modułów 1,2, 3 zapewnia odpowiednią wytrzymałość tych elementów. Z kolei połączenie wyprowadzeń 11 i 15, wychodzących odpowiednio z modułów 1 i 3 z wyprowadzeniem 13, wychodzącym z modułu 2 powoduje, że wyprowadzenie 15 staje się wspólnym wyprowadzeniem dla wszystkich modułów 1, 2, 3, co zmniejsza końcową liczbę wyprowadzeń z 6 do 4, i upraszcza konstrukcję czujnika oraz ułatwia jego wlutowanie w otwory w płytce drukowanej. Z kolei wykonanie wszystkich wyprowadzeń 10, 11, 12, 13, 14, 15 korzystnie z drutu miedzianego, pokrytego cyną umożliwia dobry kontakt elektryczny tych elementów i ich połączenia przez lutowane.The principle of operation of the acceleration sensor is that after it is set in accelerated motion with acceleration in any direction, the free electrons contained in the layers of grapheme 9, located in each of the modules 1, 2, 3, are acted on by inertial forces directed opposite to the direction of the acceleration components ax, ay, az, parallel to the longest sides of modules 1, 2, 3. As a result, the free electrons are displaced and between the pairs of leads 10 and 11, 12 and 13, 14 and 15, originating from modules 1, 2, 3, respectively. In this way, potential differences are generated proportional to the values of the acceleration components ax, ay, az. Measurement of these potential differences allows the determination of the acceleration components ax, ay, az. The use of graphene layers 9 is justified by the fact that the free electron mobility in graphene is approximately 20 m ² /(Vs) and is many times greater than the free electron mobility in other conductors. This allows the sensor to have a very short response time delay, allowing it to be used to detect rapid changes in velocity. The use of a preferably hardened epoxy resin as the material for housings 4 and covers 5 of modules 1, 2, and 3 ensures adequate durability of these elements. In turn, connecting pins 11 and 15, extending from modules 1 and 3, respectively, to pin 13, extending from module 2, causes pin 15 to become a common pin for all modules 1, 2, and 3, reducing the final number of pins from 6 to 4, simplifying the sensor's design and facilitating its soldering into holes in the printed circuit board. In turn, making all leads 10, 11, 12, 13, 14, 15 preferably from tin-plated copper wire enables good electrical contact of these elements and their connections through soldering.

Claims

1. Acceleration sensor, characterized in that it comprises three modules (1, 2, 3) in the shape of cuboids of the same dimensions, arranged in such a way that the longest sides of the cuboids are mutually perpendicular to each other and the cuboids are connected to each other by walls of the smallest surface and each of the modules (1, 2, 3) consists of a housing (4) with a cuboid recess (5) placed symmetrically with respect to the walls of the housing (4) and the recess (5) is tightly closed from the top with a cover (6) in the shape of a cuboid plate, wherein the housings (4) and the covers (6) are made of an electrically insulating material and the modules (1, 2, 3), the housings (4) and the covers (6) are connected to each other with an epoxy glue, and furthermore, at the bottom of the recess (5) in each of the modules (1, 2, 3) there is placed a rectangular plate (7) made of monocrystalline silicon of the same dimensions dimensions, as the bottom of the cavity (5) and the plate (7) is covered from the top with a layer (8) of silicon dioxide SiO2, on which a graphene layer (9) is deposited from the top covering the entire surface of the rectangular plate (7), and in addition, the inner ends of the leads (10, 11, 12, 13, 14, 15) bent at a right angle and directed parallel to the plate (7) located in each of the modules (1, 2, 3) are in contact with the opposite, shorter sides of the graphene layer (9), and in addition the leads (10, 11, 12, 13, 14, 15) extend from the cavities (5) through the walls of the housings (4) outside each of the modules (1, 2, 3) and are directed along the walls of the modules (1, 2, 3), wherein two leads (11, 15), extending from two modules (1, 3), placed horizontally and located on the side where all modules (1, 2, 3) are connected to each other, are bent at a right angle and also connected to each other and connected to the lead (13) of the remaining module (2) by soldering before gluing all modules (1, 2, 3) to each other and thus the lead (13) of the remaining module (2) is a common lead and in addition the leads (10, 12, 14) from the opposite ends of the modules (1, 2, 3) and the common lead (13) are directed perpendicularly to the lower surface of the sensor and in addition all leads (10, 11, 12, 13, 14, 15) are made of a metal with low resistivity.

2. A sensor according to claim 1, characterized in that the housings (4) and covers (6) are made of hardened epoxy resin.

3. Sensor according to claim 1, characterized in that all terminals (10, 11, 12, 13, 14, 15) are made of tin-coated copper wire.