RU2280320C1

RU2280320C1 - Thermally excited microresonator

Info

Publication number: RU2280320C1
Application number: RU2005102617/28A
Authority: RU
Inventors: Дмитрий Валерьевич Зиновьев (RU); Дмитрий Валерьевич Зиновьев; Владимир Михайлович Андреев (RU); Владимир Михайлович Андреев
Priority date: 2005-02-03
Filing date: 2005-02-03
Publication date: 2006-07-20

Abstract

FIELD: silicon resonators.

SUBSTANCE: proposed thermally excited microresonator has supporting frame and oscillatory body in the form of silicon beam incorporating resistive heater. Silicon beam is 5 - 10 mm in length, its ends are fixed integral with carrying frame but electrically insulated from the latter; it has sections of reduced cross-sectional area, 30 - 50 μm in width and 5 - 15 μm in thickness, at ends and in center that function as articulated joints, central of them functioning also as thermistor and piezoresistor. Silicon beam body is non-uniformly alloyed so that resistivity of its resistive part is 100 - 1000 times higher than that of its remaining part functioning as current leads with contact pads disposed on opposite ends of frame; two parts of beam having higher cross-sectional area are used as inertial masses which can be enlarged by attaching additional weight.

EFFECT: enhanced efficiency, enlarged frequency and wave amplitude range, enhanced sensitivity and precision of microresonator.

1 cl, 1 dwg

Description

Изобретение относится к измерительной технике, более конкретно к преобразователям различных физических параметров в электрические.The invention relates to measuring equipment, and more particularly to converters of various physical parameters to electrical.

Использование резонаторов в качестве универсальных преобразователей основано на том, что частота собственных колебаний зависит не только от формы, размера и материала балки или иного резонирующего тела, но и от многих внешних условий: давления, состава, температуры окружающей среды, линейного и углового ускорений, состояния поверхности и т.д. Измерение резонансной частоты поэтому может служить мерой перечисленных и многих других воздействий.The use of resonators as universal converters is based on the fact that the frequency of natural vibrations depends not only on the shape, size and material of the beam or other resonating body, but also on many external conditions: pressure, composition, ambient temperature, linear and angular accelerations, state surfaces etc. The measurement of the resonant frequency can therefore serve as a measure of the listed and many other influences.

Возбуждение колебаний резонаторов возможно за счет различных видов энергии, но наиболее соответствует микроэлектронному исполнению прибора тепловая, т.к. для ее генерации требуется лишь микрорезистор.The excitation of resonator vibrations is possible due to various types of energy, but the most consistent with the microelectronic execution of the device is thermal, because its generation requires only a microresistor.

Известна конструкция кремниевого монокристаллического резонатора с термическим возбуждением, в которой колебания создаются вследствие неравномерного по толщине одностороннего нагрева резонирующей балки с помощью резистора, нанесенного на одну из ее сторон, в результате чего происходит ее чистый изгиб [1]. В этой конструкции колебательное тело - кремниевая консоль, выполненная заодно с несущей рамкой, имеет толщину не менее 200 мкм, т.к. только при этом удается создать необходимый для деформации градиент температуры, т.е. нагреваемое тело является «термически толстым».A known design of a silicon single crystal resonator with thermal excitation, in which the oscillations are created due to uneven thickness of the one-sided heating of the resonating beam using a resistor deposited on one of its sides, resulting in its pure bending [1]. In this design, the oscillating body - the silicon cantilever, made at the same time with the supporting frame, has a thickness of not less than 200 microns, because only in this case it is possible to create the temperature gradient necessary for deformation, i.e. the heated body is “thermally thick”.

Известна также конструкция резонатора с оптическим возбуждением колебаний, принятая нами за прототип, но и в нем лучистая энергия превращается в тепловую, и деформация происходит точно по той же причине, что в чисто термическом варианте [2]. Характерная особенность этой конструкции состоит в том, что колебательное тело имеет большую (по меркам микромеханики) толщину, а деформация представляет собой чистый изгиб.Also known is the design of the resonator with optical excitation of vibrations, which we adopted as a prototype, but in it the radiant energy is converted into heat, and the deformation occurs precisely for the same reason as in the purely thermal version [2]. A characteristic feature of this design is that the oscillating body has a large (by the standards of micromechanics) thickness, and the deformation is a pure bend.

Это устройство обладает следующими недостатками: температура нагреваемого тела не поддается измерению современными средствами, а отсутствие контроля этого важного параметра прибора требует использования внешней системы термостатирования, что связано с резким увеличением инерционности, энергопотребления и массы;This device has the following disadvantages: the temperature of the heated body cannot be measured by modern means, and the lack of control of this important parameter of the device requires the use of an external temperature control system, which is associated with a sharp increase in inertia, energy consumption and mass;

большая толщина тела резонатора, обусловленная теплопередачей внутри его объема, приводит к возбуждению колебаний высоких частот малой амплитуды, поэтому сигнал на выходе мал, что объясняет низкую чувствительность и точность сенсора;the large thickness of the resonator body, due to heat transfer inside its volume, leads to the excitation of high-frequency oscillations of small amplitude, so the output signal is small, which explains the low sensitivity and accuracy of the sensor;

создание градиента температуры требует бесполезной затраты тепла, так как прогрев объема только уменьшает прогиб. Прибор оказывается энергоемким, и это затрудняет его использование в переносном варианте.Creating a temperature gradient requires a waste of heat, since heating the volume only reduces deflection. The device is energy-intensive, and this complicates its use in a portable version.

Целью изобретения является повышение КПД, расширение диапазона частот и амплитуды колебаний и благодаря этому - увеличение чувствительности и точности микрорезонатора.The aim of the invention is to increase efficiency, expand the frequency range and amplitude of oscillations, and thereby increase the sensitivity and accuracy of the microresonator.

Поставленная цель достигается тем, что кремниевая балка выполнена длиной 5-10 мм с защемленными концами заодно с несущей рамкой, но изолированной от нее электрически, имеет по краям и в центре участки уменьшенного поперечного сечения шириной 30-50 и толщиной 5-15 мкм, выполняющих роль шарниров, причем центральный из них служит также термо- и пьезорезистором, а тело кремниевой балки легировано неоднородно так, что удельное сопротивление резистивной части в 100-1000 раз выше, чем остальной его части, являющейся токовводами с контактными площадками, размещенными на противоположных сторонах рамки, причем две части балки, имеющие повышенное поперечное сечение, служат инерциальными массами, которые могут быть увеличены за счет дополнительного закрепленного груза.This goal is achieved by the fact that the silicon beam is made 5-10 mm long with pinched ends at the same time with the supporting frame, but isolated from it electrically, has at the edges and in the center sections of the reduced cross section with a width of 30-50 and a thickness of 5-15 microns, performing the role of hinges, the central one also serving as a thermo- and piezoresistor, and the body of the silicon beam is alloyed nonuniformly so that the resistivity of the resistive part is 100-1000 times higher than the rest of it, which is current leads with contact pads, p located on opposite sides of the frame, and two parts of the beam having an increased cross section serve as inertial masses, which can be increased due to the additional fixed load.

Схема устройства представлена на чертеже, где:The device diagram is presented in the drawing, where:

1 - термо и пьезорезитор;1 - thermo and piezoresizer;

2 - инерциальная масса;2 - inertial mass;

3 - псевдошарнир;3 - pseudo-hinge;

4 - контактная площадка;4 - contact pad;

5 - несущая рамка.5 - supporting frame.

Новизна заявленного изобретения состоит в том, что ток протекает по всему сечению балки, вызывая нагрев и удлинение, приводящее к продольному изгибу большой амплитуды, поскольку деформационное напряжение велико, а момент инерции сечения чрезвычайно мал (10^-21-10^-24 м⁴). Указанные его пределы обусловлены: нижний - механической прочностью балки; верхний - предельным значением упругой деформации σ_пр.The novelty of the claimed invention lies in the fact that the current flows over the entire cross section of the beam, causing heating and elongation, leading to longitudinal bending of large amplitude, since the deformation stress is large and the moment of inertia of the cross section is extremely small (10 ^-21 -10 ^-24 m ⁴ ). The specified limits are due to: the lower - the mechanical strength of the beam; upper - the limit value of elastic deformation σ _pr

Микрорезонатору, имеющему указанные выше размеры, присущи эффекты гигантской теплоотдачи и термофореза, обнаруженные авторами [3], следствием чего является чрезвычайно низкая, несвойственная обычно тепловым процессам, инерционность, и цикл нагрев-охлаждение может составлять всего 10^-3 с, что позволяет за счет импульсного питания изменять частоту колебаний во всем килогерцевом диапазоне и настраивать систему на резонанс в соответствии с инерциальной массой.The microcavity having the dimensions indicated above is characterized by the giant heat transfer and thermophoresis effects discovered by the authors [3], which results in extremely low inertia, which is usually unusual for thermal processes, and the heating-cooling cycle can be as little as 10 ^-3 s, which allows pulse power to change the frequency of oscillations in the entire kilohertz range and tune the system to resonance in accordance with the inertial mass.

В диапазоне концентраций носителей в кремнии 10¹⁴-10¹⁷ см³ на резистивном участке нагревателя его ВАХ четко выявляет экстремальную температуру, соответствующую переходу от примесной электропроводности к собственной. С помощью электронной схемы, использующей эту точку в качестве репера, температура может стабилизироваться в диапазоне 140-380°С независимо от температуры окружающей среды.In the range of carrier concentrations in silicon 10 ¹⁴ -10 ¹⁷ cm ³ in the resistive section of the heater, its current-voltage characteristic clearly reveals the extreme temperature corresponding to the transition from impurity to intrinsic conductivity. Using an electronic circuit that uses this point as a reference, the temperature can be stabilized in the range of 140-380 ° C, regardless of the ambient temperature.

По мнению авторов, предлагаемое изобретение соответствует критерию «изобретательный уровень».According to the authors, the present invention meets the criterion of "inventive step".

Микрорезонатор работает следующим образом.The microresonator operates as follows.

При подаче на контакты резистора импульса тока и его нагреве за счет джоулева тепла возникают продольные сжимающие напряжения, которые в сочетании с силой термофореза, направленной в сторону холодного корпуса, приводят к продольно-поперечному изгибу. Такой вид деформации обеспечивает повышение КПД по сравнению с прототипом, т.к. колебательное тело содержит механические напряжения только одного знака, тогда как в прототипе одна его сторона растягивается, а другая - сжимается. Значительное - в 10-15 раз - уменьшение толщины резонирующего тела по сравнению с прототипом обеспечивает снижение резонансной частоты и амплитуды в 100-200 раз и примерно такое же увеличение чувствительностиWhen a current pulse is applied to the resistor contacts and heated due to Joule heat, longitudinal compressive stresses arise, which, combined with the thermophoresis force directed toward the cold case, lead to longitudinal-transverse bending. This type of deformation provides an increase in efficiency compared to the prototype, because the oscillatory body contains mechanical stresses of only one sign, while in the prototype one side is stretched, and the other is compressed. A significant - 10-15 times - decrease in the thickness of the resonating body in comparison with the prototype provides a decrease in the resonant frequency and amplitude by 100-200 times and approximately the same increase in sensitivity

Пример.Example.

Резонатор в виде рамки с поперечной перемычкой - колебательным телом, имеющим сечение в суженных участках 15×15 мкм², - был изготовлен из монокристаллического кремния с удельным сопротивлением 7 Ом·см с температурой перехода от примесной электропроводности к собственной, равной 180°С (реперная точка). Инерциальная масса составляла 300 мг.The resonator in the form of a frame with a transverse jumper — an oscillating body having a cross section in narrowed areas of 15 × 15 μm ² — was made of single-crystal silicon with a specific resistance of 7 Ω cm with a transition temperature from impurity to intrinsic conductivity of 180 ° С (reference point). The inertial mass was 300 mg.

Нагрев осуществлялся импульсами тока в 1 мс, причем мощность составляла 50 мВт.Heating was carried out by current pulses of 1 ms, and the power was 50 mW.

Резонансная частота, определенная с помощью тензометра - 500 Гц, амплитуда колебаний - 200 мкм. Сопоставление параметров приводится в таблице.The resonance frequency determined using a tensometer is 500 Hz, the amplitude of the oscillations is 200 μm. A comparison of the parameters is given in the table.

Устройство-прототипPrototype device Заявленное устройствоClaimed device Диапазон частот, кГцFrequency range, kHz 100...200100 ... 200 0,5...10.5 ... 1 Амплитуда, мкмAmplitude, microns 0,10.1 До 200Up to 200 Потребляемая мощность, мВтPower consumption, mW 10001000 50fifty Стабильность (уход, % в течение 100 часов)Stability (leaving,% within 100 hours) Нет данныхThere is no data 1one

Источники информацииInformation sources

1. T.S.J.Lammerink, M.Elsenspoek. "Performance of Thermally exited Resonators". Sensors and Actuators, v. A 21-23, 1990, 352-356.1. T.S. J. Lammerink, M. Elsenspoek. "Performance of Thermally exited Resonators." Sensors and Actuators, v. A 21-23, 1990, 352-356.

2. L.M.Zhang, D.Uttamchandani, B.Culshaw. Excitation of silicon microresonators using short optical pulses. Sensors and Actuators A-21-A-23, 1990, 391-393. - прототип.2. L. M. Zhang, D. Uttamchandani, B. Culshaw. Excitation of silicon microresonators using short optical pulses. Sensors and Actuators A-21-A-23, 1990, 391-393. - prototype.

3. Доклады АН РФ, 1999, №2, стр.3613. Reports of the Academy of Sciences of the Russian Federation, 1999, No. 2, p. 361

Claims

A microcavity with thermal excitation, containing a support frame and an oscillating body in the form of a silicon beam with a resistive heater, characterized in that the silicon beam is made 5-10 mm long with pinched ends integral with the carrier frame, but electrically isolated from it, has edges and in the center there are sections of a reduced cross section with a width of 30-50 and a thickness of 5-15 microns that act as hinges, the central one also serving as a thermo- and piezoresistor, and the body of the silicon beam is not uniformly doped so that the specific e the resistance of the resistive part is 100-1000 times higher than the rest of it, which is current leads with contact pads located on opposite sides of the frame, and the two parts of the beam having an increased cross section serve as inertial masses that can be increased due to additional fixed cargo.