RU2298191C1

RU2298191C1 - Integral micromechanical autoemission accelerometer

Info

Publication number: RU2298191C1
Application number: RU2006105942/28A
Authority: RU
Inventors: Евгений Адальбертович Рындин (RU); Евгений Адальбертович Рындин; Никита Константинович Приступчик (RU); Никита Константинович Приступчик
Priority date: 2006-02-26
Filing date: 2006-02-26
Publication date: 2007-04-27

Abstract

FIELD: measuring technique; micro-system engineering.

SUBSTANCE: accelerometer has substrate, four motionless electrode, inertial mass, four movable electrodes, four elastic beams and four anchor areas of suspense, and twelve areas of insulating dielectric. Three mutually perpendicular components of acceleration can be measured simultaneously due to usage of effect of tunneling of charge carriers among four pairs of movable and motionless electrodes.

EFFECT: improved sensitivity; improved precision of measurement.

2 dwg

Description

Предлагаемое изобретение относится к области измерительной и микросистемной техники, а более конкретно к интегральным измерительным элементам величин ускорения.The present invention relates to the field of measuring and microsystem engineering, and more particularly to integrated measuring elements of acceleration values.

Известен интегральный микромеханический пьезорезистивный акселерометр (см. Jerome P.Lynch, Aaron Partridge, Kincho H.Law, Thomas W.Kenny, Anne S.Kiremidjian, Ed Carryer. Design of Piezoresistive MEMS-Based Accelerometer for Integration with Wireless Sensing Unit for Structural Monitoring. JOURNAL OF AEROSPACE ENGINEERING© ASCE / JULY 2003, p.110, fig.1), содержащий подложку, неподвижный электрод, инерционную массу, расположенную с зазором относительно подложки, выполненную в виде пластины из полупроводникового материала, упругую балку, которая одним концом жестко соединена с инерционной массой, а другим жестко закреплена относительно подложки, дополнительный неподвижный электрод, причем подложка, упругая балка, инерционная масса выполнены из полупроводникового материала, инерционная масса в плоскости подложки имеет форму сектора, неподвижные электроды представляют собой полупроводниковые области первого типа проводимости.The integrated micromechanical piezoresistive accelerometer is known (see Jerome P. Lynch, Aaron Partridge, Kincho H. Law, Thomas W. Kenny, Anne S. Kiremidjian, Ed Carryer. Design of Piezoresistive MEMS-Based Accelerometer for Integration with Wireless Sensing Unit for Structural Monitoring JOURNAL OF AEROSPACE ENGINEERING © ASCE / JULY 2003, p.110, fig. 1) containing a substrate, a fixed electrode, an inertial mass located with a gap relative to the substrate, made in the form of a plate of semiconductor material, an elastic beam, which is rigidly rigid at one end connected to the inertial mass, and the other is rigidly fixed relative to the substrate, additional fixed electrode, wherein the substrate, the elastic beam, the inertial mass is made of a semiconductor material, the inertial mass in the plane of the substrate has a shape of a sector, the fixed electrodes are semiconductor regions of first conductivity type.

Признаками аналога, совпадающими с существенными признаками, являются подложка, неподвижный электрод, инерционная масса, расположенная с зазором относительно подложки, выполненная в виде пластины из полупроводникового материала, упругая балка, которая одним концом жестко соединена с инерционной массой, а другим жестко закреплена относительно подложки.Signs of an analogue that coincide with the essential features are a substrate, a fixed electrode, an inertial mass located with a gap relative to the substrate, made in the form of a plate of semiconductor material, an elastic beam that is rigidly connected to the inertial mass at one end and rigidly fixed relative to the substrate.

Причинами, препятствующими достижению технического результата, являются низкая чувствительность, отсутствие возможности калибровки устройства, отсутствие возможности одновременного измерения трех взаимно перпендикулярных составляющих ускорения.The reasons that impede the achievement of the technical result are the low sensitivity, the inability to calibrate the device, the inability to simultaneously measure three mutually perpendicular acceleration components.

Функциональным аналогом заявляемого объекта является торсионный кремниевый акселерометр (см. Arjun Selvakumar, Farrokh Ayazi Khalil Najafi. A high sensitivity Z-axis torsional silicon accelerometer. The International Electron Devices Meeting (IEDM '96), San Francisco, CA, December 8-11, 1996. fig.1), содержащий подложку, неподвижный электрод, инерционную массу, расположенную с зазором относительно подложки, выполненную в виде пластины из полупроводникового материала, подвижный электрод, жестко соединенный с инерционной массой и образующий с неподвижным электродом плоский конденсатор в плоскости, перпендикулярной плоскости подложки, за счет взаимного перекрытия подвижного и неподвижного электродов, имеющих гребенчатую структуру, используемый в качестве преобразователя перемещений, первую якорную область, жестко закрепленную относительно подложки, первую торсионную балку, которая одним концом жестко соединена с инерционной массой, а другим жестко соединена с первой якорной областью, вторую якорную область, жестко закрепленную относительно подложки, вторую торсионную балку, которая одним концом жестко соединена с инерционной массой, а другим жестко соединена со второй якорной областью, причем подложка выполнена из диэлектрика, подвижный и неподвижный электроды, торсионные балки и якорные области выполнены из полупроводникового материала первого типа проводимости.A functional analog of the claimed object is a torsion silicon accelerometer (see Arjun Selvakumar, Farrokh Ayazi Khalil Najafi. A high sensitivity Z-axis torsional silicon accelerometer. The International Electron Devices Meeting (IEDM '96), San Francisco, CA, December 8-11, 1996. fig. 1) containing a substrate, a fixed electrode, an inertial mass located with a gap relative to the substrate, made in the form of a plate of semiconductor material, a moving electrode rigidly connected to the inertial mass and forming a flat capacitor with a fixed electrode in a plane perpendicular to the plane P layers, due to the mutual overlap of the movable and stationary electrodes having a comb structure used as a displacement transducer, the first anchor region rigidly fixed relative to the substrate, the first torsion beam, which is rigidly connected to the inertial mass at one end and rigidly connected to the first anchor region, the second anchor region, rigidly fixed relative to the substrate, the second torsion beam, which is rigidly connected to the inertial mass at one end and rigidly connected to the other It is connected with a second anchor region, the substrate being made of dielectric, the movable and fixed electrodes, torsion beams and anchor regions made of semiconductor material of the first type of conductivity.

Признаками аналога, совпадающими с существенными признаками, являются подложка, неподвижный электрод, инерционная масса, расположенная с зазором относительно подложки, выполненная в виде пластины из полупроводникового материала, подвижный электрод, жестко соединенный с инерционной массой.Signs of an analogue that coincide with the essential features are a substrate, a fixed electrode, an inertial mass located with a gap relative to the substrate, made in the form of a plate of semiconductor material, a movable electrode rigidly connected to the inertial mass.

Из известных наиболее близким по технической сущности к заявляемому объекту является инерционный туннельный микромеханический акселерометр (см. Navid Yazdi, Farrokh Ayazi, and Khalil Najafi. Micromachined Inertial Sensors. Proceedings of the IEEE, Vol.86, №8, August 1998, p.1646, fig.7), содержащий подложку, неподвижный электрод, инерционную массу, расположенную с зазором относительно подложки, выполненную в виде пластины из полупроводникового материала, подвижный электрод, жестко соединенный с инерционной массой и образующий с неподвижным электродом туннельный контакт, используемый в качестве преобразователя перемещений, упругую балку, которая одним концом жестко соединена с инерционной массой, а другим жестко закреплена относительно подложки, дополнительную упругую балку, выполненную из полупроводникового материала, которая одним концом жестко соединена с инерционной массой, а другим - с дополнительной опорой, выполненной из полупроводникового материала и соединенной с подложкой, нижний металлический отклоняющий электрод, расположенный на поверхности подложки, верхний металлический отклоняющий электрод, расположенный над инерционной массой с зазором относительно нее, причем подложка выполнена из диэлектрика, подвижный и неподвижный электроды выполнены из металла, балка выполнена из полупроводникового материала, инерционная масса имеет поперечное сечение V-образной формы.Of the known closest in technical essence to the claimed object is an inertial tunnel micromechanical accelerometer (see Navid Yazdi, Farrokh Ayazi, and Khalil Najafi. Micromachined Inertial Sensors. Proceedings of the IEEE, Vol.86, No. 8, August 1998, p.1646 , fig. 7) containing a substrate, a fixed electrode, an inertial mass located with a gap relative to the substrate, made in the form of a plate of semiconductor material, a movable electrode rigidly connected to the inertial mass and forming a tunnel contact with the fixed electrode used as a displacement transducer, an elastic beam that is rigidly connected to the inertial mass at one end and rigidly fixed to the substrate with the other, an additional elastic beam made of a semiconductor material, which is rigidly connected to the inertial mass at one end, and an additional support made of semiconductor at the other material and connected to the substrate, a lower metal deflecting electrode located on the surface of the substrate, an upper metal deflecting electrode located on hell is an inertial mass with a gap relative to it, moreover, the substrate is made of dielectric, the movable and fixed electrodes are made of metal, the beam is made of semiconductor material, the inertial mass has a V-shaped cross section.

Признаками прототипа, совпадающими с существенными признаками, являются подложка, неподвижный электрод, инерционная масса, расположенная с зазором относительно подложки, выполненная в виде пластины из полупроводникового материала, подвижный электрод, жестко соединенный с инерционной массой и образующий с неподвижным электродом туннельный контакт, используемый в качестве преобразователя перемещений, упругая балка, которая одним концом жестко соединена с инерционной массой, а другим жестко закреплена относительно подложки.Signs of the prototype that coincide with the essential features are a substrate, a fixed electrode, an inertial mass located with a gap relative to the substrate, made in the form of a plate of semiconductor material, a movable electrode rigidly connected to the inertial mass and forming a tunnel contact with the fixed electrode used as displacement transducer, an elastic beam, which at one end is rigidly connected to the inertial mass and the other is rigidly fixed relative to the substrate.

Задачей предлагаемого изобретения является повышение чувствительности сенсорного элемента, обеспечение возможности калибровки устройства, обеспечение возможности одновременного измерения трех взаимно перпендикулярных составляющих ускорения.The task of the invention is to increase the sensitivity of the sensor element, to enable calibration of the device, to enable simultaneous measurement of three mutually perpendicular acceleration components.

Для достижения необходимого технического результата в интегральный микромеханический автоэмиссионный акселерометр, содержащий подложку, неподвижный электрод, инерционную массу, расположенную с зазором относительно подложки, выполненную в виде пластины из полупроводникового материала, подвижный электрод, жестко соединенный с инерционной массой и образующий с неподвижным электродом туннельный контакт, используемый в качестве преобразователя перемещений, упругую балку, которая одним концом жестко соединена с инерционной массой, а другим жестко закреплена относительно подложки, введены первая якорная область подвеса, один конец которой жестко закреплен относительно подложки, а другой расположен с зазором относительно подложки, вторая якорная область подвеса, один конец которой жестко закреплен относительно подложки, а другой расположен с зазором относительно подложки, третья якорная область подвеса, один конец которой жестко закреплен относительно подложки, а другой расположен с зазором относительно подложки, четвертая якорная область подвеса, один конец которой жестко закреплен относительно подложки, а другой расположен с зазором относительно подложки, первая дополнительная упругая балка, которая одним концом жестко соединена с инерционной массой, а другим жестко закреплена относительно подложки, вторая дополнительная упругая балка, которая одним концом жестко соединена с инерционной массой, а другим жестко закреплена относительно подложки, третья дополнительная упругая балка, которая одним концом жестко соединена с инерционной массой, а другим жестко закреплена относительно подложки, первый дополнительный подвижный электрод, жестко соединенный с инерционной массой и подвижным электродом, второй дополнительный подвижный электрод, жестко соединенный с инерционной массой и подвижным электродом, третий дополнительный подвижный электрод, жестко соединенный с инерционной массой и подвижным электродом, первый дополнительный неподвижный электрод, жестко закрепленный относительно подложки и образующий с первым дополнительным подвижным электродом туннельный контакт, второй дополнительный неподвижный электрод, жестко закрепленный относительно подложки и образующий со вторым дополнительным подвижным электродом туннельный контакт, третий дополнительный неподвижный электрод, жестко закрепленный относительно подложки и образующий с третьим дополнительным подвижным электродом туннельный контакт, первый вспомогательный электрод, жестко закрепленный относительно подложки, второй вспомогательный электрод, жестко закрепленный относительно подложки, третий вспомогательный электрод, жестко закрепленный относительно подложки, четвертый вспомогательный электрод, жестко закрепленный относительно подложки, первая вспомогательная пластина прямоугольной формы, одним углом жестко соединенная с инерционной массой и расположенная с зазором над первым вспомогательным электродом, образуя с ним плоский конденсатор за счет их взаимного перекрытия, вторая вспомогательная пластина прямоугольной формы, одним углом жестко соединенная с инерционной массой и расположенная с зазором над вторым вспомогательным электродом, образуя с ним плоский конденсатор за счет их взаимного перекрытия, третья вспомогательная пластина прямоугольной формы, одним углом жестко соединенная с инерционной массой и расположенная с зазором над третьим вспомогательным электродом, образуя с ним плоский конденсатор за счет их взаимного перекрытия, четвертая вспомогательная пластина прямоугольной формы, одним углом жестко соединенная с инерционной массой и расположенная с зазором над четвертым вспомогательным электродом, образуя с ним плоский конденсатор за счет их взаимного перекрытия, первая область изолирующего диэлектрика, расположенная под неподвижным электродом и отделяющая его от подложки, вторая область изолирующего диэлектрика, расположенная под первым дополнительным неподвижным электродом и отделяющая его от подложки, третья область изолирующего диэлектрика, расположенная под вторым дополнительным неподвижным электродом и отделяющая его от подложки, четвертая область изолирующего диэлектрика, расположенная под третьим дополнительным неподвижным электродом и отделяющая его от подложки, пятая область изолирующего диэлектрика, расположенная под первым вспомогательным электродом и отделяющая его от подложки, шестая область изолирующего диэлектрика, расположенная под вторым вспомогательным электродом и отделяющая его от подложки, седьмая область изолирующего диэлектрика, расположенная под третьим вспомогательным электродом и отделяющая его от подложки, восьмая область изолирующего диэлектрика, расположенная под четвертым вспомогательным электродом и отделяющая его от подложки, девятая область изолирующего диэлектрика, расположенная под первой якорной областью подвеса, десятая область изолирующего диэлектрика, расположенная под второй якорной областью подвеса, одиннадцатая область изолирующего диэлектрика, расположенная под третьей якорной областью подвеса, двенадцатая область изолирующего диэлектрика, расположенная под четвертой якорной областью подвеса, причем подложка выполнена из полупроводникового материала, подвижные, неподвижные электроды, упругие балки, якорные области подвеса, инерционная масса, вспомогательные пластины и вспомогательные электроды выполнены из полупроводникового материала второго типа проводимости, первый, второй и третий дополнительные подвижные электроды электрически соединены с подвижным электродом, инерционная масса имеет поперечное сечение Т-образной формы.To achieve the required technical result, an integrated micromechanical field emission accelerometer containing a substrate, a fixed electrode, an inertial mass located with a gap relative to the substrate, made in the form of a plate of semiconductor material, a movable electrode rigidly connected to the inertial mass and forming a tunnel contact with the fixed electrode, used as a displacement transducer, an elastic beam, which at one end is rigidly connected to the inertial mass, and d carbon is rigidly fixed relative to the substrate, the first anchor region of the suspension is introduced, one end of which is rigidly fixed relative to the substrate and the other is located with a gap relative to the substrate, the second anchor region of the suspension, one end of which is rigidly fixed relative to the substrate and the other is located with a gap relative to the substrate, anchor region of the suspension, one end of which is rigidly fixed relative to the substrate, and the other is located with a gap relative to the substrate, the fourth anchor region of the suspension, one end of which The first additional elastic beam, which is rigidly fixed relative to the substrate and the gap relative to the substrate, is the first additional elastic beam, which is rigidly connected to the inertial mass at one end, and the second elastic beam, which is rigidly connected to the inertial mass at the other, and the other is rigidly fixed relative to the substrate, the third additional elastic beam, which at one end is rigidly connected to the inertial mass, and the other is rigidly fixed relative to the substrate, is not an additional movable electrode rigidly connected to the inertial mass and the movable electrode, a second additional movable electrode rigidly connected to the inertial mass and the movable electrode, a third additional movable electrode rigidly connected to the inertial mass and the movable electrode, the first additional stationary electrode rigidly fixed relative to substrates and forming a tunnel contact with the first additional movable electrode, the second additional stationary electrode, rigidly sealed replicated relative to the substrate and forming a tunnel contact with the second additional movable electrode, a third additional fixed electrode rigidly fixed relative to the substrate and forming a tunnel contact with the third additional movable electrode, the first auxiliary electrode rigidly fixed relative to the substrate, the second auxiliary electrode rigidly fixed relative to the substrate, the third auxiliary electrode, rigidly fixed relative to the substrate, the fourth auxiliary the electrode, rigidly fixed relative to the substrate, the first auxiliary plate of rectangular shape, rigidly connected at one angle to the inertial mass and located with a gap above the first auxiliary electrode, forming a flat capacitor with it due to their mutual overlap, the second auxiliary plate of rectangular shape, rigidly connected at one corner with inertial mass and located with a gap above the second auxiliary electrode, forming a flat capacitor with it due to their mutual overlap, the third a rectangular rectangular plate, rigidly connected to the inertial mass at one angle and positioned with a gap above the third auxiliary electrode, forming a flat capacitor with it due to their mutual overlap; a fourth rectangular rectangular plate, rigidly connected to the inertial mass at one angle and located with a gap above the fourth auxiliary electrode, forming with it a flat capacitor due to their mutual overlap, the first region of the insulating dielectric, located underneath a separate electrode and separating it from the substrate, the second region of the insulating dielectric located under the first additional stationary electrode and separating it from the substrate, the third region of the insulating dielectric located under the second additional stationary electrode and separating it from the substrate, the fourth region of the insulating die, located under the third an additional stationary electrode and separating it from the substrate, the fifth region of the insulating dielectric, located under the first auxiliary the electrode and separating it from the substrate, the sixth insulating dielectric region located under the second auxiliary electrode and separating it from the substrate, the seventh insulating dielectric region located under the third auxiliary electrode and separating it from the substrate, the eighth insulating die located under the fourth auxiliary electrode and separating it from the substrate, the ninth region of the insulating dielectric, located under the first anchor region of the suspension, the tenth region of the insulating dielectric, located under the second anchor region of the suspension, the eleventh region of the insulating dielectric, located under the third anchor region of the suspension, the twelfth region of the insulating dielectric, located under the fourth anchor region of the suspension, the substrate being made of semiconductor material, movable, stationary electrodes, elastic beams, anchor suspension regions, inertial mass, auxiliary plates and auxiliary electrodes are made of a second type of semiconductor material spine, first, second and third additional movable electrodes are electrically connected to the movable electrode, the inertial mass has a cross section T-shape.

Сравнивая предлагаемое устройство с прототипом, видим, что оно содержит новые признаки, то есть соответствует критерию новизны. Проводя сравнение с аналогами, приходим к выводу, что предлагаемое устройство соответствует критерию "существенные отличия", так как в аналогах не обнаружены предъявляемые новые признаки. Получен положительный эффект, заключающийся в увеличении чувствительности сенсорного элемента и обеспечении возможности одновременного измерения трех взаимно перпендикулярных составляющих ускорения.Comparing the proposed device with the prototype, we see that it contains new features, that is, meets the criterion of novelty. Carrying out a comparison with analogs, we conclude that the proposed device meets the criterion of "significant differences", since no new features are shown in the analogues. A positive effect was obtained, which consists in increasing the sensitivity of the sensor element and making it possible to simultaneously measure three mutually perpendicular acceleration components.

На фиг.1 приведены топология предлагаемого интегрального микромеханического автоэмиссионного акселерометра и центральное сечение. На фиг.2 приведены структура предлагаемого интегрального микромеханического автоэмиссионного акселерометра и сечение в плоскости изолирующего диэлектрика.Figure 1 shows the topology of the proposed integrated micromechanical field emission accelerometer and the Central section. Figure 2 shows the structure of the proposed integrated micromechanical field emission accelerometer and a section in the plane of an insulating dielectric.

Интегральный микромеханический автоэмиссионный акселерометр содержит подложку 1, неподвижный электрод 2, инерционную массу 3, расположенную с зазором относительно подложки 1, выполненную в виде пластины из полупроводникового материала, подвижный электрод 4, жестко соединенный с инерционной массой 3 и образующий с неподвижным электродом 2 туннельный контакт, используемый в качестве преобразователя перемещений, упругую балку 5, которая одним концом жестко соединена с инерционной массой 3, а другим жестко закреплена относительно подложки 1, первую якорную область подвеса 6, один конец которой жестко закреплен относительно подложки 1, а другой расположен с зазором относительно подложки 1, вторую якорную область подвеса 7, один конец которой жестко закреплен относительно подложки 1, а другой расположен с зазором относительно подложки 1, третью якорную область подвеса 8, один конец которой жестко закреплен относительно подложки 1, а другой расположен с зазором относительно подложки 1, четвертую якорную область подвеса 9, один конец которой жестко закреплен относительно подложки 1, а другой расположен с зазором относительно подложки 1, первую дополнительную упругую балку 10, которая одним концом жестко соединена с инерционной массой 3, а другим жестко закреплена относительно подложки 1, вторую дополнительную упругую балку 11, которая одним концом жестко соединена с инерционной массой 3, а другим жестко закреплена относительно подложки 1, третью дополнительную упругую балку 12, которая одним концом жестко соединена с инерционной массой 3, а другим жестко закреплена относительно подложки 1, первый дополнительный подвижный электрод 13, жестко соединенный с инерционной массой 3 и подвижным электродом 2, второй дополнительный подвижный электрод 14, жестко соединенный с инерционной массой 3 и подвижным электродом 2, третий дополнительный подвижный электрод 15, жестко соединенный с инерционной массой 3 и подвижным электродом 2, первый дополнительный неподвижный электрод 16, жестко закрепленный относительно подложки 1 и образующий с первым дополнительным подвижным электродом 13 туннельный контакт, второй дополнительный неподвижный электрод 17, жестко закрепленный относительно подложки 1 и образующий со вторым дополнительным подвижным электродом 14 туннельный контакт, третий дополнительный неподвижный электрод 18, жестко закрепленный относительно подложки 1 и образующий с третьим дополнительным подвижным электродом 15 туннельный контакт, первый вспомогательный электрод 19, жестко закрепленный относительно подложки 1, второй вспомогательный электрод 20, жестко закрепленный относительно подложки 1, третий вспомогательный электрод 21, жестко закрепленный относительно подложки 1, четвертый вспомогательный электрод 22, жестко закрепленный относительно подложки 1, первую вспомогательную пластину 23 прямоугольной формы, одним углом жестко соединенную с инерционной массой 3 и расположенную с зазором над первым вспомогательным электродом 19, образуя с ним плоский конденсатор за счет их взаимного перекрытия, вторую вспомогательную пластину 24 прямоугольной формы, одним углом жестко соединенную с инерционной массой 3 и расположенную с зазором над вторым вспомогательным электродом 20, образуя с ним плоский конденсатор за счет их взаимного перекрытия, третью вспомогательную пластину 25 прямоугольной формы, одним углом жестко соединенную с инерционной массой 3 и расположенную с зазором над третьим вспомогательным электродом 21, образуя с ним плоский конденсатор за счет их взаимного перекрытия, четвертую вспомогательную пластину 26 прямоугольной формы, одним углом жестко соединенную с инерционной массой 3 и расположенную с зазором над четвертым вспомогательным электродом 22, образуя с ним плоский конденсатор за счет их взаимного перекрытия, первую область изолирующего диэлектрика 27, расположенную под неподвижным электродом 2 и отделяющую его от подложки 1, вторую область изолирующего диэлектрика 28, расположенную под первым дополнительным неподвижным электродом 16 и отделяющую его от подложки 1, третью область изолирующего диэлектрика 29, расположенную под вторым дополнительным неподвижным электродом 17 и отделяющую его от подложки 1, четвертую область изолирующего диэлектрика 30, расположенную под третьим дополнительным неподвижным электродом 18 и отделяющую его от подложки 1, пятую область изолирующего диэлектрика 31, расположенную под первым вспомогательным электродом 19 и отделяющую его от подложки 1, шестую область изолирующего диэлектрика 32, расположенную под вторым вспомогательным электродом 20 и отделяющую его от подложки 1, седьмую область изолирующего диэлектрика 33, расположенную под третьим вспомогательным электродом 21 и отделяющую его от подложки 1, восьмую область изолирующего диэлектрика 34, расположенную под четвертым вспомогательным электродом 22 и отделяющую его от подложки 1, девятую область изолирующего диэлектрика 35, расположенную под первой якорной областью подвеса 6 и отделяющую ее от подложки 1, десятую область изолирующего диэлектрика 36, расположенную под второй якорной областью подвеса 7 и отделяющую ее от подложки 1, одиннадцатую область изолирующего диэлектрика 37, расположенную под третьей якорной областью подвеса 8 и отделяющую ее от подложки 1, двенадцатую область изолирующего диэлектрика 38, расположенную под четвертой якорной областью подвеса 9 и отделяющую ее от подложки 1.The integrated micromechanical field emission accelerometer contains a substrate 1, a fixed electrode 2, an inertial mass 3 located with a gap relative to the substrate 1, made in the form of a plate of semiconductor material, a movable electrode 4, rigidly connected to the inertial mass 3 and forming a tunnel contact with the fixed electrode 2, used as a displacement transducer, an elastic beam 5, which at one end is rigidly connected to the inertial mass 3 and the other is rigidly fixed relative to the substrate 1, the first anchor region of the suspension 6, one end of which is rigidly fixed relative to the substrate 1, and the other is located with a gap relative to the substrate 1, the second anchor region of the suspension 7, one end of which is rigidly fixed relative to the substrate 1, and the other is located with a gap relative to the substrate 1, the third anchor the region of the suspension 8, one end of which is rigidly fixed relative to the substrate 1, and the other is located with a gap relative to the substrate 1, the fourth anchor region of the suspension 9, one end of which is rigidly fixed relative to the substrate 1, and the other is located with a gap relative to the substrate 1, the first additional elastic beam 10, which is rigidly connected at one end to the inertial mass 3, and the other is rigidly fixed relative to the substrate 1, the second additional elastic beam 11, which is rigidly connected at one end to the inertial mass 3, and the other rigidly fixed relative to the substrate 1, the third additional elastic beam 12, which at one end is rigidly connected to the inertial mass 3, and the other is rigidly fixed relative to the substrate 1, the first additional movable the electrode 13, rigidly connected to the inertial mass 3 and the movable electrode 2, the second additional movable electrode 14, rigidly connected to the inertial mass 3 and the movable electrode 2, the third additional movable electrode 15, rigidly connected to the inertial mass 3 and the movable electrode 2, the first additional a fixed electrode 16, rigidly fixed relative to the substrate 1 and forming a tunnel contact with the first additional movable electrode 13, the second additional fixed electrode 17, rigidly fixed relative relative to the substrate 1 and forming a tunnel contact with the second additional movable electrode 14, the third additional stationary electrode 18, rigidly fixed relative to the substrate 1 and forming the tunnel contact with the third additional mobile electrode 15, the first auxiliary electrode 19, rigidly fixed relative to the substrate 1, the second auxiliary electrode 20, rigidly fixed relative to the substrate 1, the third auxiliary electrode 21, rigidly fixed relative to the substrate 1, the fourth auxiliary electrode 22, rigidly fixed relative to the substrate 1, the first auxiliary plate 23 is rectangular in shape, rigidly connected at one angle to the inertial mass 3 and located with a gap above the first auxiliary electrode 19, forming a flat capacitor with it due to their mutual overlap, the second auxiliary plate 24 is rectangular forms, at one angle rigidly connected to the inertial mass 3 and located with a gap above the second auxiliary electrode 20, forming with it a flat capacitor due to their mutual overlap I, the third auxiliary plate 25 of a rectangular shape, rigidly connected at one angle to the inertial mass 3 and located with a gap above the third auxiliary electrode 21, forming a flat capacitor with it due to their mutual overlap, the fourth auxiliary plate 26 of a rectangular shape, rigidly connected to one corner with inertial mass 3 and located with a gap above the fourth auxiliary electrode 22, forming with it a flat capacitor due to their mutual overlap, the first region of the insulating dielectric 27, located under the stationary electrode 2 and separating it from the substrate 1, the second region of the insulating dielectric 28 located under the first additional stationary electrode 16 and separating it from the substrate 1, the third region of the insulating dielectric 29 located under the second additional stationary electrode 17 and separating it from the substrate 1, the fourth region of the insulating dielectric 30, located under the third additional stationary electrode 18 and separating it from the substrate 1, the fifth region of the insulating dielectric 31, laid under the first auxiliary electrode 19 and separating it from the substrate 1, the sixth region of the insulating dielectric 32 located under the second auxiliary electrode 20 and separating it from the substrate 1, the seventh region of the insulating dielectric 33 located under the third auxiliary electrode 21 and separating it from the substrate 1 , the eighth region of the insulating dielectric 34, located under the fourth auxiliary electrode 22 and separating it from the substrate 1, the ninth region of the insulating dielectric 35, located under the anchor region of the suspension 6 and separating it from the substrate 1, the tenth region of the insulating dielectric 36 located under the second anchor region of the suspension 7 and separating it from the substrate 1, the eleventh region of the insulating dielectric 37 located under the third anchor region of the suspension 8 and separating it from the substrate 1, the twelfth region of an insulating dielectric 38 located under the fourth anchor region of the suspension 9 and separating it from the substrate 1.

Работает устройство следующим образом. При подаче положительного напряжения питания на неподвижные электроды 2, 16, 17, 18 относительно подвижных 4, 13, 14, 15 вследствие малости воздушного зазора, разделяющего области подвижных 4, 13, 14, 15 и неподвижных 2, 16, 17, 18 электродов электроны, имеющие достаточную вероятность прохождения сквозь потенциальные барьеры, образованные воздушными зазорами, туннелируют из подвижных электродов 4, 13, 14, 15 в соответствующие неподвижные электроды 2, 16, 17, 18 и создают туннельные токи, которые являются выходными сигналами устройства.The device operates as follows. When applying a positive supply voltage to the stationary electrodes 2, 16, 17, 18 relative to the movable 4, 13, 14, 15 due to the small air gap separating the areas of the movable 4, 13, 14, 15 and the stationary 2, 16, 17, 18 electrodes, the electrons having a sufficient probability of passing through the potential barriers formed by the air gaps, tunnel from the movable electrodes 4, 13, 14, 15 into the corresponding stationary electrodes 2, 16, 17, 18 and create tunneling currents, which are the output signals of the device.

При подаче управляющих напряжений на вспомогательные электроды 19, 20, 21, 22 относительно вспомогательных пластин 23, 24, 25, 26, которые электрически соединены с подвижными электродами 4, 13, 14, 15 и жестко закреплены на инерционной массе 3, вследствие сил электростатического взаимодействия между ними и вспомогательными электродами 19, 20, 21, 22 в упругих балках 5, 10, 11, 12, которые одними концами жестко соединены с инерционной массой 3, а другими концами закреплены на якорных областях подвеса 6, 7, 8, 9, возникают моменты сил, инициирующие упругую деформацию балок 5, 10, 11, 12 и изменение ориентации нормали к инерционной массе 3, устраняя возможный первоначальный крен подвижных электродов 4, 13, 14, 15 относительно неподвижных электродов 2, 16, 17, 18 и тем самым осуществляя калибровку устройства.When applying control voltages to the auxiliary electrodes 19, 20, 21, 22 relative to the auxiliary plates 23, 24, 25, 26, which are electrically connected to the movable electrodes 4, 13, 14, 15 and rigidly fixed to the inertial mass 3, due to the forces of electrostatic interaction between them and auxiliary electrodes 19, 20, 21, 22 in the elastic beams 5, 10, 11, 12, which are rigidly connected at one end to the inertial mass 3, and fixed at the anchor regions of the suspension 6, 7, 8, 9 at the other ends, moments of forces initiating elastic deformation of the ball ok 5, 10, 11, 12 and a change in the orientation of the normal to the inertial mass 3, eliminating the possible initial roll of the movable electrodes 4, 13, 14, 15 relative to the stationary electrodes 2, 16, 17, 18 and thereby calibrating the device.

Условием завершения процесса калибровки прибора является равенство токов автоэмиссии между подвижными электродами 4, 13, 14, 15 и соответствующими неподвижными электродами 2, 16, 17, 18.A condition for completing the calibration process of the device is the equality of the field emission currents between the movable electrodes 4, 13, 14, 15 and the corresponding stationary electrodes 2, 16, 17, 18.

Области изолирующего диэлектрика 35, 36, 37, 38, расположенные под якорными областями подвеса 6, 7, 8, 9, области изолирующего диэлектрика 27, 28, 29, 30, расположенные под неподвижными электродами 2, 16, 17, 18, а также области изолирующего диэлектрика 31, 32, 33, 34, расположенные под вспомогательными электродами 19, 20, 21, 22, жестко закреплены относительно подложки 1, исключая возможность протекания токов между подвижными 4, 13, 14, 15, неподвижными 2, 16, 17, 18 и вспомогательными электродами 19, 20, 21, 22 по поверхности подложки 1.Regions of the insulating dielectric 35, 36, 37, 38 located under the anchor regions of the suspension 6, 7, 8, 9, regions of the insulating dielectric 27, 28, 29, 30 located under the stationary electrodes 2, 16, 17, 18, as well as the region insulating dielectric 31, 32, 33, 34, located under the auxiliary electrodes 19, 20, 21, 22, are rigidly fixed relative to the substrate 1, eliminating the possibility of currents flowing between movable 4, 13, 14, 15, motionless 2, 16, 17, 18 and auxiliary electrodes 19, 20, 21, 22 on the surface of the substrate 1.

Подвижные электроды 4, 13, 14, 15 расположены на инерционной массе 3 так, что между инерционной массой 3, упругими балками 5, 10, 11, 12, подвижными электродами 4, 13, 14, 15 и подложкой 1 имеются воздушные зазоры, обеспечивающие возможность перемещения инерционной массы 3 вдоль оси Z, проходящей через геометрический центр прибора и перпендикулярной плоскости подложки 1.The movable electrodes 4, 13, 14, 15 are located on the inertial mass 3 so that between the inertial mass 3, the elastic beams 5, 10, 11, 12, the movable electrodes 4, 13, 14, 15 and the substrate 1 there are air gaps that allow the movement of the inertial mass 3 along the Z axis passing through the geometric center of the device and perpendicular to the plane of the substrate 1.

При возникновении ускорения полупроводниковой подложки 1 в направлении оси Z инерционная масса 3 с закрепленными на ней подвижными электродами 4, 13, 14, 15 под действием сил инерции перемещается перпендикулярно плоскости полупроводниковой подложки 1, инициируя деформацию упругих балок 5, 10, 11, 12. Туннельные токи, протекающие между подвижными электродами 4, 13, 14, 15 и неподвижными электродами 2, 16, 17, 18, получают равные приращения вследствие одновременного изменения ширины всех воздушных зазоров, характеризуя величину ускорения.When acceleration of the semiconductor substrate 1 in the direction of the Z axis occurs, the inertial mass 3 with the movable electrodes 4, 13, 14, 15 fixed to it under the action of inertia forces moves perpendicular to the plane of the semiconductor substrate 1, initiating the deformation of the elastic beams 5, 10, 11, 12. Tunnel the currents flowing between the movable electrodes 4, 13, 14, 15 and the stationary electrodes 2, 16, 17, 18, receive equal increments due to the simultaneous change in the width of all air gaps, characterizing the magnitude of the acceleration.

Направление составляющей ускорения, параллельной оси Z, определяется посредством кратковременного положительного зондирующего импульса, который одновременно подается на вспомогательные электроды 19, 20, 21, 22. Зондирующий импульс инициирует перемещение инерционной массы 3 вследствие возникновения сил электростатического взаимодействия между вспомогательными пластинами 23, 24, 25, 26 и вспомогательными электродами 19, 20, 21, 22, таким образом изменяя расстояние между подвижными электродами 4, 13, 14, 15 и соответствующими неподвижными электродами 2, 16, 17, 18. При этом кратковременное положительное приращение автоэмиссионных токов свидетельствует о направлении составляющей внешнего ускорения, противоположном направлению оси Z. В случае кратковременного отрицательного приращения автоэмиссионных токов направление рассматриваемой составляющей внешнего ускорения совпадает с направлением оси Z.The direction of the acceleration component parallel to the Z axis is determined by a short-term positive probe pulse, which is simultaneously supplied to the auxiliary electrodes 19, 20, 21, 22. The probe pulse initiates the movement of the inertial mass 3 due to the emergence of electrostatic interaction forces between the auxiliary plates 23, 24, 25, 26 and auxiliary electrodes 19, 20, 21, 22, thereby changing the distance between the movable electrodes 4, 13, 14, 15 and the corresponding stationary electrodes 2, 16 , 17, 18. Moreover, a short-term positive increment of field emission currents indicates the direction of the external acceleration component opposite to the direction of the Z axis. In the case of a short-term negative increment of field emission currents, the direction of the considered component of external acceleration coincides with the direction of the Z axis.

При возникновении ускорения полупроводниковой подложки 1 в направлении оси Y, соединяющей геометрические центры неподвижных электродов 2, 17, инерционная масса 3 с закрепленными на ней подвижными электродами 4, 13, 14, 15 под действием сил инерции перемещается вдоль рассматриваемой оси в противоположном ускорению направлении, инициируя деформацию упругих балок 5, 10, 11, 12. Туннельные токи, протекающие между подвижными электродами 4, 14 и неподвижными электродами 2, 17, изменяются вследствие одновременного изменения ширины воздушных зазоров, характеризуя величину ускорения.When acceleration of the semiconductor substrate 1 occurs in the direction of the Y axis connecting the geometric centers of the stationary electrodes 2, 17, the inertial mass 3 with the movable electrodes 4, 13, 14, 15 attached to it under the action of inertia forces moves along the axis in the opposite direction to the acceleration, initiating the deformation of the elastic beams 5, 10, 11, 12. The tunnel currents flowing between the movable electrodes 4, 14 and the stationary electrodes 2, 17 change due to a simultaneous change in the width of the air gaps, by raising the magnitude of the acceleration.

При возникновении ускорения полупроводниковой подложки 1 в направлении оси X, соединяющей геометрические центры неподвижных электродов 16, 18, инерционная масса 3 с закрепленными на ней подвижными электродами 4, 13, 14, 15 под действием сил инерции перемещается вдоль рассматриваемой оси в противоположном направлении, инициируя деформацию упругих балок 5, 10, 11, 12. Туннельные токи, протекающие между подвижными электродами 13, 15 и неподвижными электродами 16, 18, лежащими на оси X, изменяются вследствие одновременного изменения ширины воздушных зазоров, характеризуя величину ускорения.When acceleration of the semiconductor substrate 1 occurs in the direction of the X axis connecting the geometric centers of the stationary electrodes 16, 18, the inertial mass 3 with the movable electrodes 4, 13, 14, 15 attached to it under the action of inertia forces moves along the axis in the opposite direction, initiating deformation elastic beams 5, 10, 11, 12. Tunnel currents flowing between the movable electrodes 13, 15 and the stationary electrodes 16, 18 lying on the X axis change due to a simultaneous change in the width of the air gaps characterizing the magnitude of the acceleration.

Таким образом, предлагаемое устройство представляет собой интегральный микромеханический автоэмиссионный акселерометр, позволяющий измерять величины трех взаимно перпендикулярных составляющих ускорения.Thus, the proposed device is an integrated micromechanical field emission accelerometer that allows you to measure the values of three mutually perpendicular acceleration components.

Использование эффекта туннелирования носителей заряда между четырьмя парами неподвижных и подвижных электродов позволяет измерять величины трех взаимно перпендикулярных составляющих ускорения. Использование четырех вспомогательных электродов позволяет осуществить калибровку устройства посредством электростатической активации.Using the effect of tunneling of charge carriers between four pairs of fixed and moving electrodes makes it possible to measure the values of three mutually perpendicular acceleration components. The use of four auxiliary electrodes allows the calibration of the device through electrostatic activation.

Claims

An integrated micromechanical field emission accelerometer containing a substrate, a fixed electrode, an inertial mass located with a gap relative to the substrate, made in the form of a plate of semiconductor material, a movable electrode rigidly connected to the inertial mass and forming a tunnel contact with the fixed electrode used as a displacement transducer, an elastic beam, which is rigidly connected to the inertial mass by one end and rigidly fixed relative to the substrate by the other, take into account that the first anchor region of the suspension is introduced into it, one end of which is rigidly fixed relative to the substrate, and the other is located with a gap relative to the substrate, the second anchor region of the suspension, one end of which is rigidly fixed relative to the substrate, and the other is located with a gap relative to the substrate, the third the anchor region of the suspension, one end of which is rigidly fixed relative to the substrate, and the other is located with a gap relative to the substrate, the fourth anchor region of the suspension, one end of which is rigidly fixed, relates flax of the substrate, and the other is located with a gap relative to the substrate, the first additional elastic beam, which is rigidly connected to the inertial mass by one end and rigidly fixed to the substrate by the other, the second additional elastic beam, which is rigidly connected to the inertial mass by the other end, and rigidly fixed by the other relative to the substrate, the third additional elastic beam, which at one end is rigidly connected to the inertial mass and the other is rigidly fixed relative to the substrate, the first additional movement the second electrode, rigidly connected to the inertial mass and the movable electrode, the second additional movable electrode, rigidly connected to the inertial mass and the movable electrode, the third additional movable electrode, rigidly connected to the inertial mass and the movable electrode, the first additional stationary electrode, rigidly fixed relative to the substrate and forming a tunnel contact with the first additional movable electrode, the second additional stationary electrode, rigidly fixed relative to spoons and forming a tunnel contact with the second additional movable electrode, a third additional fixed electrode rigidly fixed relative to the substrate and forming a tunnel contact with the third additional movable electrode, the first auxiliary electrode rigidly fixed relative to the substrate, the second auxiliary electrode rigidly fixed relative to the substrate, the third auxiliary the electrode is rigidly fixed relative to the substrate, the fourth auxiliary electrode is rigidly fixed second relative to the substrate, the first auxiliary plate of a rectangular shape, rigidly connected at one angle to the inertial mass and located with a gap above the first auxiliary electrode, forming a flat capacitor with it due to their mutual overlap, the second auxiliary plate of rectangular shape, rigidly connected to the inertial mass at one corner and located with a gap above the second auxiliary electrode, forming a flat capacitor with it due to their mutual overlap, the third auxiliary plate is straight coal-shaped, rigidly connected at one angle to the inertial mass and located with a gap above the third auxiliary electrode, forming a flat capacitor with it due to their mutual overlap, the fourth auxiliary plate is rectangular in shape, rigidly connected to the inertial mass at one angle and located with a gap above the fourth auxiliary electrode, forming with it a flat capacitor due to their mutual overlap, the first region of the insulating dielectric, located under the fixed electrode and separating separating it from the substrate, the second region of the insulating dielectric located below the first additional stationary electrode and separating it from the substrate, the third region of the insulating dielectric located under the second additional stationary electrode and separating it from the substrate, the fourth region of the insulating dielectric located under the third additional stationary electrode and separating it from the substrate, the fifth region of the insulating dielectric, located under the first auxiliary electrode and separating it from the substrate, the sixth insulating dielectric region located under the second auxiliary electrode and separating it from the substrate, the seventh insulating dielectric region located under the third auxiliary electrode and separating it from the substrate, the eighth insulating dielectric region located under the fourth auxiliary electrode and separating it from the substrate , the ninth region of the insulating dielectric located under the first anchor region of the suspension, the tenth region of the insulating dielectric is located located under the second anchor region of the suspension, the eleventh region of the insulating dielectric located under the third anchor region of the suspension, the twelfth region of the insulating dielectric located under the fourth anchor region of the suspension, the substrate being made of semiconductor material, movable, stationary electrodes, elastic beams, anchor regions of the suspension, inertial mass, auxiliary plates and auxiliary electrodes are made of a semiconductor material of the second type of conductivity, the first, second and third th additional movable electrodes are electrically connected to the movable electrode, the inertial mass has a cross section T-shape.