RU203772U1

RU203772U1 - SENSING ELEMENT OF MICROMECHANICAL SENSOR

Info

Publication number: RU203772U1
Application number: RU2021101697U
Authority: RU
Inventors: Сергей Петрович Тимошенков; Степан Александрович Анчутин; Вячеслав Евгеньевич Плеханов; Елена Сергеевна Кочурина; Андрей Владимирович Михеев; Алексей Сергеевич Тимошенков; Александр Сергеевич Мусаткин; Максим Сергеевич Головинский
Priority date: 2021-01-27
Filing date: 2021-01-27
Publication date: 2021-04-21

Abstract

Полезная модель относится к области электротехники, в частности к измерительной технике, и может быть использована при создании микромеханических датчиков линейного ускорения для систем управления подвижных объектов различного назначения. Технический результат заключается в повышении точности измерения. Достигается тем, что разработан чувствительный элемент микромеханического датчика, содержащий основание, инерционную массу, упругие элементы, закрепленные на основании и инерционной массе, емкостную систему съема сигнала, сформированную из подвижных элементов на инерционной массе и неподвижных элементов на основании, при этом упругие элементы имеют П-образную форму и есть перфорация инерционной массы. 1 ил.The useful model relates to the field of electrical engineering, in particular to measuring technology, and can be used to create micromechanical linear acceleration sensors for control systems of moving objects for various purposes. The technical result consists in increasing the measurement accuracy. It is achieved by the fact that a sensitive element of a micromechanical sensor has been developed, containing a base, an inertial mass, elastic elements fixed on the base and inertial mass, a capacitive signal pickup system formed of moving elements on an inertial mass and stationary elements on the base, while the elastic elements have P -shaped is the perforation of the inertial mass. 1 ill.

Description

Полезная модель относится к измерительной технике и может быть использована при создании микромеханических датчиков линейного ускорения для систем управления подвижных объектов различного назначения.The utility model relates to measuring equipment and can be used to create micromechanical linear acceleration sensors for control systems of moving objects for various purposes.

Известен чувствительный элемент микромеханического датчика, который выполнен из монокристаллического кремния, ориентированного в плоскости (100), который содержит подвес инерционной массы в виде консольно закрепленных на основании упругих элементов, обеспечивающих ей две рабочие степени свободы в поступательном перемещении в плоскости подложки, совпадающей с плоскостью (100) кристаллической решетки кремния, и емкостные системы для измерения перемещений инерционной массы и для создания на нее силового воздействия, реализованные в виде гребенчатых встречно-штырьевых структур электродов /1/. Каждый из упругих элементов подвеса выполнен в виде балки Г образной формы, состоящей из двух идентичных элементов, причем один из этих элементов ориентирован вдоль направления [010] кристаллической решетки кремния, а другой - вдоль направления [001], подвес содержит 8 идентичных упругих элементов, расположенных в плоскости (100) попарно симметрично относительно центра геометрии инерционной массы вдоль направлений, повернутых на угол 45° относительно направлений [010] и [001] кристаллической решетки кремния.Known is the sensitive element of a micromechanical sensor, which is made of monocrystalline silicon, oriented in the plane (100), which contains a suspension of inertial mass in the form of cantilever elastic elements fixed on the base, providing it with two working degrees of freedom in translational movement in the plane of the substrate coinciding with the plane ( 100) of the silicon crystal lattice, and capacitive systems for measuring the displacements of inertial mass and for creating a force effect on it, implemented in the form of comb interdigital structures of electrodes / 1 /. Each of the elastic elements of the suspension is made in the form of an L-shaped beam, consisting of two identical elements, one of these elements being oriented along the [010] direction of the silicon crystal lattice, and the other along the [001] direction, the suspension contains 8 identical elastic elements, located in the plane (100) symmetrically in pairs with respect to the center of the geometry of the inertial mass along the directions rotated at an angle of 45 ° relative to the directions [010] and [001] of the silicon crystal lattice.

Данный ЧЭ в ММВГ позволяет измерять угловую скорость вокруг оси OZ, ЧЭ в ММА позволяет измерять ускорение вдоль осей ОХ и OY.This SE in MMVG allows you to measure the angular velocity around the OZ axis, SE in MMA allows you to measure acceleration along the OX and OY axes.

Признаками аналога, совпадающими с существенными признаками, являются инерционная масса, подвешенная на упругих элементах и емкостные системы для измерения перемещений инерционной массы и для создания на нее силового воздействия, реализованные в виде гребенчатых встречно-штырьевых структур электродов.Signs of an analogue, which coincide with essential features, are inertial mass suspended on elastic elements and capacitive systems for measuring displacements of inertial mass and for creating a force effect on it, implemented in the form of comb interdigital electrode structures.

Недостатком данной конструкции является то, что при воздействии ускорений вдоль перекрестных осей изменение емкости неотличимо от изменения емкости, возникающего при воздействии ускорения вдоль измерительной оси, что приводит к погрешности, влияющей на точность измерения. Кроме того, сплошная поверхность инерциальной массы приводит к повышению сил трения, а значит уменьшает полосу пропускания датчика.The disadvantage of this design is that under the action of accelerations along the cross axes, the change in capacitance is indistinguishable from the change in capacitance arising from the action of acceleration along the measuring axis, which leads to an error that affects the measurement accuracy. In addition, the solid surface of the inertial mass leads to increased frictional forces, and therefore reduces the bandwidth of the sensor.

Известен также интегральный микромеханический акселерометр, содержащий полупроводниковую подложку с расположенным на ней неподвижным электродом, выполненным из полупроводникового материала, инерционную массу, расположенную с зазором относительно подложки, выполненную в виде пластины из полупроводникового материала, образующую с неподвижным электродом плоский конденсатор за счет их полного перекрытия, используемый в качестве емкостного преобразователя перемещений, упругие балки, выполненные из полупроводникового материала, опоры, выполненные из полупроводникового материала и расположенные непосредственно на подложке, и неподвижные электроды, выполненные из полупроводникового материала с гребенчатыми структурами и расположенные непосредственно на подложке, отличающийся тем, что в него введены слой дополнительной инерционной массы, выполненный из задубленного фоторезиста и расположенный непосредственно на инерционной массе, три дополнительных неподвижных электрода емкостных преобразователей перемещений, выполненные из полупроводникового материала и расположенные непосредственно на полупроводниковой подложке так, что они образуют с инерционной массой плоские конденсаторы за счет их полного перекрытия, четыре дополнительных подвижных электрода емкостных преобразователей перемещений, выполненных в виде пластин с гребенчатыми структурами из полупроводникового материала и расположенных с зазором относительно подложки так, что они образуют плоские конденсаторы с неподвижными дополнительными электродами емкостных преобразователей перемещений в плоскости их пластин через боковые зазоры и взаимопроникающие друг в друга гребенки электродов, причем упругие балки расположены в пределах маленьких промежутков инерционной массы /2/.There is also known an integral micromechanical accelerometer containing a semiconductor substrate with a fixed electrode made of a semiconductor material located on it, an inertial mass located with a gap relative to the substrate, made in the form of a plate of semiconductor material, forming a flat capacitor with a fixed electrode due to their complete overlap, used as a capacitive displacement transducer, elastic beams made of semiconductor material, supports made of semiconductor material and located directly on the substrate, and stationary electrodes made of semiconductor material with comb structures and located directly on the substrate, characterized in that a layer of additional inertial mass is introduced, made of hardened photoresist and located directly on the inertial mass, three additional fixed electrodes of the capacitive transducer her displacements made of semiconductor material and located directly on the semiconductor substrate so that they form flat capacitors with inertial mass due to their complete overlap, four additional movable electrodes of capacitive displacement transducers, made in the form of plates with comb structures made of semiconductor material and located with with a gap relative to the substrate so that they form flat capacitors with fixed additional electrodes of capacitive displacement transducers in the plane of their plates through side gaps and interpenetrating comb of electrodes, and the elastic beams are located within small gaps of inertial mass / 2 /.

Данный интегральный микромеханический акселерометр-клинометр позволяет измерять величину ускорения вдоль осей X и Y, расположенных в плоскости подложки, и оси Z, направленной перпендикулярно плоскости подложки, а также угла наклона инерционной массы относительно линии горизонта.This integral micromechanical accelerometer-clinometer allows you to measure the magnitude of acceleration along the X and Y axes located in the plane of the substrate and the Z axis directed perpendicular to the plane of the substrate, as well as the angle of inclination of the inertial mass relative to the horizon line.

Признаками аналога, совпадающими с существенными признаками, являются инерционная масса, выполненная в виде пластины из полупроводникового материала, образующей с неподвижным электродом плоский конденсатор за счет их полного перекрытия, используемый в качестве емкостного преобразователя перемещений; упругие балки, выполненные из полупроводникового материала, опоры, выполненные из полупроводникового материала и расположенные непосредственно на подложке, и неподвижные электроды, выполненные из полупроводникового материала с гребенчатыми структурами и расположенные непосредственно на подложке.Signs of an analogue, coinciding with essential features, are inertial mass made in the form of a plate of semiconductor material, forming a flat capacitor with a fixed electrode due to their complete overlap, used as a capacitive displacement transducer; elastic beams made of semiconductor material, supports made of semiconductor material and located directly on the substrate, and stationary electrodes made of semiconductor material with comb structures and located directly on the substrate.

Недостатком данной конструкции является невысокая чувствительность к ускорению вдоль осей X и Y, сплошная поверхность инерциальной массы приводит к повышению сил трения и приводит к уменьшению полосы пропускания датчика, а значит и к ухудшению точности.The disadvantage of this design is its low sensitivity to acceleration along the X and Y axes, a solid surface of inertial mass leads to an increase in friction forces and leads to a decrease in the sensor bandwidth, and hence to a deterioration in accuracy.

Аналогом заявляемого объекта является чувствительный элемент микромеханического акселерометра, содержащий основание, инерционную массу, упругие элементы, закрепленные на основании и инерционной массе, емкостные гребенчатые встречно-штырьевые преобразователи, отличающийся тем, что упругие элементы выполнены попарно - одна пара с одной стороны инерционной массы, другая - с противоположной, симметрично относительно поперечной и продольной оси инерционной массы, в инерционной массе сформированы упругодеформируемые растяжки, которые с одной стороны соединены с упругими элементами, с другой - с жестким центром инерционной массы, введены рамка крепления и площадки крепления к основанию, расположенные по углам рамки крепления, на продольной оси которой сформированы по две Г-образные сквозные щели с двух сторон /3/.An analogue of the claimed object is a sensitive element of a micromechanical accelerometer containing a base, an inertial mass, elastic elements fixed on the base and an inertial mass, capacitive comb interdigital transducers, characterized in that the elastic elements are made in pairs - one pair on one side of the inertial mass, the other - from the opposite, symmetrically relative to the transverse and longitudinal axes of the inertial mass, in the inertial mass, elastically deformable extensions are formed, which on the one hand are connected with elastic elements, on the other - with a rigid center of inertial mass, a frame of attachment and an attachment area to the base, located at the corners fastening frame, on the longitudinal axis of which two L-shaped through slots are formed on both sides / 3 /.

Данный ЧЭ позволяет измерять ускорение, воздействующее вдоль оси Y.This SE allows you to measure the acceleration acting along the Y axis.

Признаками аналога, совпадающими с существенными признаками, является чувствительный элемент микромеханического акселерометра, содержащий основание, инерционную массу, упругие элементы, закрепленные на основании и инерционной массе, емкостные гребенчатые встречно-штырьевые преобразователи.Analogue features that coincide with essential features are a sensitive element of a micromechanical accelerometer containing a base, an inertial mass, elastic elements fixed on the base and an inertial mass, capacitive comb interdigital transducers.

Недостатком данной конструкции является то, что при воздействии перекрестных ускорений вдоль оси чувствительности появляется дополнительная погрешность, влияющая на точность измерений. В этой конструкции также действуют повышенные силы трения, что ограничивает достижимую полосу пропускания.The disadvantage of this design is that when exposed to cross accelerations along the axis of sensitivity, an additional error appears, which affects the accuracy of measurements. This design also has increased frictional forces that limit the achievable bandwidth.

Задачей, на решение которой направлена полезная модель, является повышение точности измерения - полоса пропускания влияет на точность измерения динамично меняющегося ускорения.The task to be solved by the utility model is to improve the measurement accuracy - the bandwidth affects the measurement accuracy of the dynamically changing acceleration.

Для достижения поставленной задачи разработан чувствительный элемент микромеханического датчика, содержащий основание, инерционную массу, упругие элементы, закрепленные на основании и инерционной массе, емкостную систему съема сигнала, сформированную из подвижных элементов на инерционной массе и неподвижных элементов на основании, отличающий тем, что упругие элементы имеют П-образную форму и есть перфорация инерционной массы.To achieve this task, a sensitive element of a micromechanical sensor has been developed, containing a base, an inertial mass, elastic elements fixed on the base and inertial mass, a capacitive signal pickup system formed of moving elements on an inertial mass and stationary elements on a base, characterized in that the elastic elements have a U-shape and there is a perforation of the inertial mass.

Предложенный чувствительный элемент микромеханического датчика иллюстрируется чертежом фиг. 1, где:The proposed sensitive element of the micromechanical sensor is illustrated by the drawing of FIG. 1, where:

1 - основание для торсионов;1 - base for torsion bars;

2 - основание для неподвижных электродов;2 - base for stationary electrodes;

3 - инерционная масса;3 - inertial mass;

4 - электроды емкостной системы съема сигнала;4 - electrodes of the capacitive signal pickup system;

5 - упругие элементы П-образной формы.5 - U-shaped elastic elements.

Чувствительный элемент микромеханического датчика содержит инерционную массу 3, подвешенную при помощи упругих элементов П-образной формы 5 к основанию 1. Упругие элементы 5 одной стороны закреплены на инерционной массе 3 с другой стороны соединены с основанием 1. На инерционной массе сформированы подвижные электроды емкостной системы съема, на основании сформированы неподвижные электроды емкостной системы съема сигнала 4.The sensitive element of the micromechanical sensor contains an inertial mass 3, suspended by means of elastic U-shaped elements 5 to the base 1. The elastic elements 5 of one side are fixed to the inertial mass 3, on the other hand, they are connected to the base 1. Movable electrodes of the capacitive removal system are formed on the inertial mass. , fixed electrodes of the capacitive signal pickup system 4 are formed on the base.

Чувствительный элемент микромеханического датчика работает следующим образом. При воздействии ускорения вдоль оси чувствительности инерционная масса смещается из центра подвеса. Подвижные электроды емкостной системы съема сигнала смещаются, что приводит к изменению величины емкостей. По изменению величины емкостей судят о величине воздействующего ускорения.The sensitive element of the micromechanical sensor works as follows. Under the influence of acceleration along the axis of sensitivity, the inertial mass is displaced from the center of the suspension. The movable electrodes of the capacitive signal pickup system are displaced, which leads to a change in the capacitance values. By the change in the value of the capacities, the magnitude of the acting acceleration is judged.

Признаками, отличающими предложенный чувствительный элемент (фиг. 1) микромеханического датчика от известного, является форма упругих элементов (фиг. 2), которая снижает влияние перекрестных воздействий вдоль оси Y и увеличивает точность измерения. Перфорация инерционной массы позволяет существенно уменьшить силу трения и за счет этого расширить полосу пропускания, что приводит к улучшению точности измерения переменного ускорения, а также снизить вес конструкции и за счет этого увеличить диапазон измерения при сохранении габаритных размеров. Сформированная емкостная система съема сигнала, состоящая из неподвижных электродов, расположенных на основании и подвижных, расположенных на инерционной массе, позволяет фиксировать смещение инерционной массы при воздействии ускорения вдоль оси чувствительности.The features that distinguish the proposed sensitive element (Fig. 1) of the micromechanical sensor from the known one is the shape of the elastic elements (Fig. 2), which reduces the effect of cross actions along the Y axis and increases the measurement accuracy. Perforation of the inertial mass can significantly reduce the friction force and thereby expand the bandwidth, which leads to an improvement in the measurement accuracy of variable acceleration, as well as to reduce the weight of the structure and thereby increase the measurement range while maintaining the overall dimensions. The formed capacitive signal pickup system, consisting of fixed electrodes located on the base and movable ones located on the inertial mass, makes it possible to record the displacement of the inertial mass when accelerated along the axis of sensitivity.

Источники информации:Information sources:

1. Патент РФ №2296390.1. RF patent No. 2296390.

2. Патент РФ №2279092.2. RF patent No. 2279092.

3. Патент РФ №133315 - прототип.3. RF patent No. 133315 - prototype.

Claims

A sensitive element of a micromechanical sensor containing a base, an inertial mass, elastic elements suspending the inertial mass on the base, a capacitive signal pickup system formed of elements on an inertial mass and elements on a base, characterized in that the elastic elements are U-shaped and have perforations inertial mass.