RU2597951C1 - Integral tunnel accelerometer - Google Patents

Integral tunnel accelerometer Download PDF

Info

Publication number
RU2597951C1
RU2597951C1 RU2015124852/28A RU2015124852A RU2597951C1 RU 2597951 C1 RU2597951 C1 RU 2597951C1 RU 2015124852/28 A RU2015124852/28 A RU 2015124852/28A RU 2015124852 A RU2015124852 A RU 2015124852A RU 2597951 C1 RU2597951 C1 RU 2597951C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
substrate
semiconductor material
plane
additional
plates
Prior art date
Application number
RU2015124852/28A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Борис Георгиевич Коноплев
Игорь Евгеньевич Лысенко
Original Assignee
федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Южный федеральный университет" (Южный федеральный университет)
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Южный федеральный университет" (Южный федеральный университет) filed Critical федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Южный федеральный университет" (Южный федеральный университет)
Priority to RU2015124852/28A priority Critical patent/RU2597951C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2597951C1 publication Critical patent/RU2597951C1/en

Links

Images

Abstract

FIELD: measuring equipment.
SUBSTANCE: invention relates to measurement equipment and microsystems. This invention consists in the fact that the device additionally includes four additional fixed electrodes, made with comb-shaped structures made of semiconducting material and located directly on semiconducting substrate, four movable electrode made in form of plates with perforation and comb-shaped structures made of semiconducting material and arranged with clearance relative to the semiconductor substrate so that they form tunnel contacts with additional fixed electrodes in the plane of their plates, the second and the third additional inertia masses made in the form of perforated plates of semiconducting material and arranged with clearance relative to the semiconducting substrate so that they form tunnel contacts with fixed electrodes in the plane of their plates, twelve additional spring beams, made of semiconducting material and arranged with clearance relative to semiconducting substrate, two torsion bars made of semiconducting material and arranged with clearance relative to semiconducting substrate, two additional supports made of semiconducting material and located directly on semiconducting substrate.
EFFECT: technical result is possibility of measuring values of linear acceleration along axes X and Y, mutually perpendicular in plane of the substrate, and the Z axis directed perpendicular to plane of the substrate.
1 cl, 2 dwg

Description

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

Известен интегральный микромеханический акселерометр [A. Selvakumar, F. Ayazi, K. Najafi, A High Sensitivity Z-Axis Torsional Silicon Accelerometer, Digest, IEEE International Electron Device Meeting (IEDM′96), San Francisco, CA, December 1996, p. 765, fig. 1a], содержащий диэлектрическую подложку и инерционную массу, расположенную с зазором относительно диэлектрической подложки, выполненную в виде пластины с гребенчатой структурой с одной стороны из полупроводникового материала и связанную с подложкой с помощью упругих балок, выполненных из полупроводникового материала, которые одними концами жестко соединены с инерционной массой, а другими - с опорами, выполненными из полупроводникового материала и расположенными непосредственно на диэлектрической подложке, неподвижный электрод с гребенчатой структурой с одной стороны, выполненный из полупроводникового материала и расположенный на диэлектрической подложке с зазором относительно инерционной массы.Known integrated micromechanical accelerometer [A. Selvakumar, F. Ayazi, K. Najafi, A High Sensitivity Z-Axis Torsional Silicon Accelerometer, Digest, IEEE International Electron Device Meeting (IEDM96), San Francisco, CA, December 1996, p. 765, fig. 1a], containing a dielectric substrate and an inertial mass located with a gap relative to the dielectric substrate, made in the form of a plate with a comb structure on one side of a semiconductor material and connected to the substrate using elastic beams made of a semiconductor material, which are rigidly connected to one end with inertial mass, and others with supports made of semiconductor material and located directly on the dielectric substrate, a stationary electrode with heat on the one hand, made of a semiconductor material and located on a dielectric substrate with a gap relative to the inertial mass.

Данный акселерометр позволяет измерять величину линейного ускорения вдоль оси Z, направленной перпендикулярно плоскости подложки акселерометра.This accelerometer allows you to measure the linear acceleration along the Z axis, perpendicular to the plane of the accelerometer substrate.

Признаками аналога, совпадающими с существенными признаками, являются инерционная масса, упругие балки, выполненные из полупроводникового материала и расположенные с зазором относительно подложки, опоры, выполненные из полупроводникового материала и расположенные непосредственно на подложке, неподвижный электрод с гребенчатой структурой с одной стороны, выполненный из полупроводникового материала и расположенный непосредственно на подложке.Signs of an analog that coincide with the essential features are inertial mass, elastic beams made of semiconductor material and located with a gap relative to the substrate, supports made of semiconductor material and located directly on the substrate, a fixed electrode with a comb structure on one side made of semiconductor material and located directly on the substrate.

Недостатком конструкции акселерометра является невозможность измерения величин линейного ускорения вдоль двух взаимно перпендикулярных осей X и Y, расположенных в плоскости подложки.The disadvantage of the design of the accelerometer is the inability to measure linear acceleration along two mutually perpendicular axes X and Y located in the plane of the substrate.

Функциональным аналогом заявляемого объекта является интегральный микромеханический акселерометр [J.P. Lynch, A. Partridge, K.Н. Law, T.W. Kenny, A.S. Kiremidjian, E. Carryer, Design of Piezoresistive MEMS-Based Accelerometer for Integration with Wireless Sensing Unit for Structural Monitoring, Journal of Aerospace Engineering, July 2003, p. 110, fig. 1], содержащий подложку, неподвижный электрод, инерционную массу, выполненную в виде пластины из полупроводникового материала, расположенную с зазором относительно подложки, упругую балку, которая одним концом жестко соединена с инерционной массой, а другим - жестко закреплена относительно подложки, дополнительный неподвижный электрод, причем подложка, инерционная масса, упругая балка выполнены из полупроводникового материала, инерционная масса в плоскости подложки имеет форму сектора, неподвижные электроды представляют собой полупроводниковые области первого типа проводимости.A functional analogue of the claimed object is an integrated micromechanical accelerometer [J.P. Lynch, A. Partridge, K.N. Law, T.W. Kenny, A.S. Kiremidjian, E. Carryer, Design of Piezoresistive MEMS-Based Accelerometer for Integration with Wireless Sensing Unit for Structural Monitoring, Journal of Aerospace Engineering, July 2003, p. 110, fig. 1] containing a substrate, a fixed electrode, an inertial mass made in the form of a plate of semiconductor material, located with a gap relative to the substrate, an elastic beam, which is rigidly connected to the inertial mass at one end and an additional fixed electrode is rigidly fixed relative to the substrate, moreover, the substrate, the inertial mass, the elastic beam are made of semiconductor material, the inertial mass in the plane of the substrate has the shape of a sector, the stationary electrodes are semi water areas of the first type of conductivity.

Данный акселерометр позволяет измерять величину линейного ускорения вдоль оси Z, направленной перпендикулярно плоскости подложки акселерометра.This accelerometer allows you to measure the linear acceleration along the Z axis, perpendicular to the plane of the accelerometer substrate.

Признаками аналога, совпадающими с существенными признаками, являются полупроводниковая подложка, инерционная масса, упругая балка, выполненные из полупроводникового материала и расположенные с зазором относительно подложки.Signs of an analogue that coincide with the essential features are a semiconductor substrate, an inertial mass, an elastic beam made of a semiconductor material and located with a gap relative to the substrate.

Недостатком конструкции акселерометра является невозможность измерения величин линейного ускорения вдоль двух взаимно перпендикулярных осей X и Y, расположенных в плоскости подложки.The disadvantage of the design of the accelerometer is the inability to measure linear acceleration along two mutually perpendicular axes X and Y located in the plane of the substrate.

Из известных наиболее близким по технической сущности к заявляемому объекту является интегральный микромеханический акселерометр [J.W. Weigold, K. Najafi, S.W. Pang, Design and Fabrication of Submicrometer, Single Crystal Si Accelerometer, Journal of Microelectromechanical Systems, vol. 10, №4, 2001, p. 520, fig. 2], содержащий полупроводниковую подложку с расположенными на ней двумя неподвижными электродами, выполненными с гребенчатыми структурами из полупроводникового материала, инерционную массу, выполненную в виде пластины с перфорацией и гребенчатыми структурами из полупроводникового материала, расположенную с зазором относительно подложки и связанную с полупроводниковой подложкой с помощью четырех упругих балок, выполненных из полупроводникового материала, расположенных с зазором относительно подложки, которые одними концами жестко соединены с инерционной массой, а другими - с опорами, выполненными из полупроводникового материала и расположенными непосредственно на подложке.Of the known closest in technical essence to the claimed object is an integrated micromechanical accelerometer [J.W. Weigold, K. Najafi, S.W. Pang, Design and Fabrication of Submicrometer, Single Crystal Si Accelerometer, Journal of Microelectromechanical Systems, vol. 10, No. 4, 2001, p. 520, fig. 2], containing a semiconductor substrate with two stationary electrodes located on it, made with comb structures of a semiconductor material, an inertial mass made in the form of a plate with perforation and comb structures of a semiconductor material, located with a gap relative to the substrate and connected to the semiconductor substrate using four elastic beams made of semiconductor material located with a gap relative to the substrate, which at one end are rigidly connected to the inertial mass, and others to supports made of semiconductor material and located directly on the substrate.

Данный акселерометр позволяет измерять величину линейного ускорения вдоль оси X, расположенной в плоскости подложки.This accelerometer allows you to measure the linear acceleration along the X axis located in the plane of the substrate.

Признаками аналога, совпадающими с существенными признаками, являются полупроводниковая подложка, инерционная масса, упругие балки, выполненные из полупроводникового материала и расположенные с зазором относительно подложки, опоры, неподвижные электроды, выполненные из полупроводникового материала и расположенные непосредственно на полупроводниковой подложке.Signs of an analogue that coincide with the essential features are a semiconductor substrate, inertial mass, elastic beams made of a semiconductor material and located with a gap relative to the substrate, supports, stationary electrodes made of a semiconductor material and located directly on the semiconductor substrate.

Недостатком конструкции акселерометра является невозможность измерения величин линейного ускорения вдоль осей Z, направленной перпендикулярно плоскости подложки акселерометра, и Y, расположенной перпендикулярно оси X в плоскости подложки акселерометра.The disadvantage of the design of the accelerometer is the impossibility of measuring linear acceleration along the Z axis directed perpendicular to the plane of the accelerometer substrate, and Y located perpendicular to the X axis in the plane of the accelerometer substrate.

Задачей предлагаемого изобретения является возможность измерения величин линейного ускорения вдоль осей X и Y, расположенных взаимно перпендикулярно в плоскости подложки, и оси Z, направленной перпендикулярно плоскости подложки.The objective of the invention is the ability to measure linear acceleration along the X and Y axes located mutually perpendicular to the plane of the substrate, and the Z axis directed perpendicular to the plane of the substrate.

Технический результат, достигаемый при осуществлении предполагаемого изобретения, заключается в возможности измерения величин линейного ускорения вдоль осей X и Y, расположенных взаимно перпендикулярно в плоскости подложки, и оси Z, направленной перпендикулярно плоскости подложки.The technical result achieved by the implementation of the proposed invention is the ability to measure linear acceleration along the X and Y axes located mutually perpendicular to the plane of the substrate, and the Z axis directed perpendicular to the plane of the substrate.

Технический результат достигается за счет введения четырех дополнительных неподвижных электродов, выполненных с гребенчатыми структурами из полупроводникового материала и расположенных непосредственно на полупроводниковой подложке, четырех подвижных электродов, выполненных в виде пластин с перфорацией и гребенчатыми структурами из полупроводникового материала и расположенных с зазором относительно полупроводниковой подложки, так что они образуют туннельные контакты с дополнительными неподвижными электродами в плоскости их пластин, второй и третьей дополнительных инерционных масс, выполненных в виде пластин с перфорацией из полупроводникового материала и расположенных с зазором относительно полупроводниковой подложки, так что они образуют туннельные контакты с неподвижными электродами в плоскости их пластин, двенадцати дополнительных упругих балок, выполненных из полупроводникового материала и расположенных с зазором относительно полупроводниковой подложки, двух торсионов, выполненных из полупроводникового материала и расположенных с зазором относительно полупроводниковой подложки, двух дополнительных опор, выполненных из полупроводникового материала и расположенных непосредственно на полупроводниковой подложке.The technical result is achieved by introducing four additional stationary electrodes made with comb structures of semiconductor material and located directly on the semiconductor substrate, four movable electrodes made in the form of plates with perforation and comb structures of semiconductor material and located with a gap relative to the semiconductor substrate, that they form tunneling contacts with additional stationary electrodes in the plane of their plate stins, second and third additional inertial masses made in the form of plates with perforation of a semiconductor material and arranged with a gap relative to the semiconductor substrate, so that they form tunnel contacts with fixed electrodes in the plane of their plates, twelve additional elastic beams made of semiconductor material and located with a gap relative to the semiconductor substrate, two torsion bars made of semiconductor material and located with a gap include flax semiconductor substrate, two additional supports made of a semiconductor material and located directly on the semiconductor substrate.

Для достижения необходимого технического результата в интегральный микромеханический акселерометр, содержащий полупроводниковую подложку с расположенными на ней двумя неподвижными электродами, выполненными с гребенчатыми структурами из полупроводникового материала, инерционную массу, выполненную в виде пластины с перфорацией и гребенчатыми структурами из полупроводникового материала, расположенную с зазором относительно подложки, четыре упругие балки, выполненные из полупроводникового материала, расположенные с зазором относительно подложки, опоры, выполненные из полупроводникового материала и расположенные непосредственно на подложке, введены четыре дополнительных неподвижных электрода, выполненные с гребенчатыми структурами из полупроводникового материала и расположенные непосредственно на полупроводниковой подложке, четыре подвижных электрода, выполненные в виде пластин с перфорацией и гребенчатыми структурами из полупроводникового материала и расположенные с зазором относительно полупроводниковой подложки, так что они образуют туннельные контакты с дополнительными неподвижными электродами в плоскости их пластин, вторую и третью дополнительные инерционные массы, выполненные в виде пластин с перфорацией из полупроводникового материала и расположенные с зазором относительно полупроводниковой подложки, так что они образуют туннельные контакты с неподвижными электродами в плоскости их пластин, двенадцать дополнительных упругих балок, выполненные из полупроводникового материала и расположенные с зазором относительно полупроводниковой подложки, два торсиона, выполненные из полупроводникового материала и расположенные с зазором относительно полупроводниковой подложки, две дополнительные опоры, выполненные из полупроводникового материала и расположенные непосредственно на полупроводниковой подложке.To achieve the desired technical result, an integral micromechanical accelerometer containing a semiconductor substrate with two fixed electrodes located on it, made with comb structures of semiconductor material, an inertial mass made in the form of a plate with perforation and comb structures of semiconductor material, located with a gap relative to the substrate , four elastic beams made of a semiconductor material, located with a gap relative In particular, substrates, supports made of semiconductor material and located directly on the substrate, four additional stationary electrodes made with comb structures of semiconductor material and located directly on the semiconductor substrate, four movable electrodes made in the form of plates with perforation and comb structures of semiconductor material and located with a gap relative to the semiconductor substrate, so that they form a tunneling contour you with additional stationary electrodes in the plane of their plates, the second and third additional inertial masses made in the form of plates with perforation of a semiconductor material and located with a gap relative to the semiconductor substrate, so that they form tunnel contacts with the stationary electrodes in the plane of their plates, twelve additional elastic beams made of semiconductor material and located with a gap relative to the semiconductor substrate, two torsion bars made of p semiconductor material and disposed with a gap with respect to the semiconductor substrate, two additional support made of semiconductor material and located directly on the semiconductor substrate.

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.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 analogues, we conclude that the proposed device meets the criterion of "significant differences", since no new features are shown in the analogues.

На Фиг. 1 приведена топология предлагаемого интегрального туннельного акселерометра и показаны сечения. На Фиг. 2 приведена структура предлагаемого интегрального туннельного акселерометра.In FIG. 1 shows the topology of the proposed integrated tunnel accelerometer and sections are shown. In FIG. 2 shows the structure of the proposed integrated tunnel accelerometer.

Интегральный туннельный акселерометр (Фиг. 1) содержит полупроводниковую подложку 1 с расположенными на ней шестью неподвижными электродами 2, 3, 4, 5, 6, 7, выполненными с гребенчатыми структурами из полупроводникового материала, четыре подвижных электрода 8, 9, 10, 11, выполненные в виде пластин с перфорацией и гребенчатыми структурами из полупроводникового материала и расположенные с зазором относительно полупроводниковой подложки 1, образующие туннельные контакты с неподвижными электродами 2, 3, 4, 5 в плоскости их пластин и связанных с полупроводниковой подложкой 1 с помощью упругих балок 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19, выполненных из полупроводникового материала, которые одними концами жестко соединены с подвижными электродами 8, 9, 10, 11, а другими - с опорами 20, 21, 22, 23, выполненными из полупроводникового материала и расположенными непосредственно на полупроводниковой подложке 1, первую инерционную массу 24, выполненную в виде пластины с перфорацией из полупроводникового материала, расположенную с зазором относительно полупроводниковой подложки 1, связанную с подвижными электродами 8, 9, 10 с помощью упругих балок 25, 26, 27, 28, выполненных из полупроводникового материала, расположенных с зазором относительно полупроводниковой подложки 1, вторую инерционную массу 29, выполненную в виде пластины с перфорацией из полупроводникового материала, расположенную с зазором относительно полупроводниковой подложки 1, связанную с подвижными электродами 8, 9, 11 с помощью упругих балок 30, 31, 32, 33, выполненных из полупроводникового материала, расположенных с зазором относительно полупроводниковой подложки 1, третью инерционную массу 34, выполненную в виде пластины с перфорацией и гребенчатыми структурами из полупроводникового материала, расположенную с зазором относительно полупроводниковой подложки 1, связанную с первой и второй инерционными массами 24, 29 с помощью торсионов 35, 36, выполненных из полупроводникового материала, расположенных с зазором относительно полупроводниковой подложки 1, образующую туннельные контакты с неподвижными электродами 6, 7 в плоскости их пластин, опоры 37, 38, выполненные из полупроводникового материала, расположенные непосредственно на полупроводниковой подложке 1.The integrated tunnel accelerometer (Fig. 1) contains a semiconductor substrate 1 with six stationary electrodes 2, 3, 4, 5, 6, 7 located on it, made with comb structures of semiconductor material, four movable electrodes 8, 9, 10, 11, made in the form of plates with perforation and comb structures of semiconductor material and located with a gap relative to the semiconductor substrate 1, forming tunnel contacts with fixed electrodes 2, 3, 4, 5 in the plane of their plates and associated with the semiconductor single substrate 1 using elastic beams 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19, made of semiconductor material, which at one end are rigidly connected to the movable electrodes 8, 9, 10, 11, and the other with supports 20 , 21, 22, 23, made of a semiconductor material and located directly on the semiconductor substrate 1, the first inertial mass 24, made in the form of a plate with perforation of the semiconductor material, located with a gap relative to the semiconductor substrate 1, connected with the movable electrodes 8, 9, 10 s by means of elastic beams 25, 26, 27, 28 made of a semiconductor material located with a gap relative to the semiconductor substrate 1, the second inertial mass 29 made in the form of a plate with perforation of the semiconductor material located with a gap relative to the semiconductor substrate 1, associated with movable electrodes 8, 9, 11 using elastic beams 30, 31, 32, 33 made of semiconductor material located with a gap relative to the semiconductor substrate 1, the third inertial mass 34 made in ide plate with perforation and comb structures of semiconductor material, located with a gap relative to the semiconductor substrate 1, connected with the first and second inertial masses 24, 29 using torsion bars 35, 36 made of semiconductor material, located with a gap relative to the semiconductor substrate 1, forming tunnel contacts with fixed electrodes 6, 7 in the plane of their plates, supports 37, 38 made of semiconductor material, located directly on the semiconductor substrate 1.

Работает устройство следующим образом.The device operates as follows.

При подаче напряжения питания на подвижные структуры акселерометра, включающие в себя подвижные электроды 8, 9, 10, 11, инерционные массы 24, 29, 34 относительно неподвижных электродов 2, 3, 4, 5, 6, 7, на которые подан нулевой потенциал, из-за малости воздушного зазора, разделяющего гребенки подвижных электродов 8, 9, 10, 11, инерционной массы 34 и гребенки неподвижных электродов 2, 3, 4, 5, 6, 7, электроны, имеющие достаточную вероятность прохождения сквозь потенциальный барьер, образованный зазором между гребенками, туннелируют в области подвижных электродов 8, 9, 10, 11, инерционной массы 34 и создают туннельные токи.When applying a supply voltage to the moving structures of the accelerometer, including moving electrodes 8, 9, 10, 11, inertial masses 24, 29, 34 relative to the stationary electrodes 2, 3, 4, 5, 6, 7, to which a zero potential is applied, due to the small air gap separating the combs of the movable electrodes 8, 9, 10, 11, the inertial mass 34 and the combs of the stationary electrodes 2, 3, 4, 5, 6, 7, electrons having a sufficient probability of passing through the potential barrier formed by the gap between the combs, tunnel in the region of the movable electrodes 8, 9, 10, 11, inertial mass 34 and create tunneling currents.

При возникновении линейного ускорения вдоль оси X, расположенной в плоскости полупроводниковой подложки 1, инерционные массы 24, 29, 34 под действием сил инерции перемещаются вдоль оси X за счет изгиба упругих балок 12, 13, 16, 17, которые одними концами соединены с подвижными электродами 8, 9 соответственно, а другими - с опорами 20, 21, 22, 23, и изгиба упругих балок 25, 26, 30, 31. Изменения туннельных токов, протекающих между гребенками подвижных 8, 9 и неподвижных 2, 3 электродов, за счет изменения величины зазора между ними характеризуют величину линейного ускорения.When linear acceleration occurs along the X axis located in the plane of the semiconductor substrate 1, the inertial masses 24, 29, 34 under the influence of inertia move along the X axis due to the bending of the elastic beams 12, 13, 16, 17, which are connected at one end to the movable electrodes 8, 9, respectively, and others with supports 20, 21, 22, 23, and bending of elastic beams 25, 26, 30, 31. Changes in tunnel currents flowing between the combs of moving 8, 9 and fixed 2, 3 electrodes, due to changes in the gap between them characterize the magnitude of the linear acceleration Eden.

При возникновении линейного ускорения вдоль оси Y, расположенной в плоскости полупроводниковой подложки 1, инерционные массы 24, 29, 34 под действием сил инерции перемещаются вдоль оси Y за счет изгиба упругих балок 14, 15, 18, 19, 27, 28, 32, 33. Изменения туннельных токов, протекающих между гребенками подвижных 10, 11 и неподвижных 4, 5 электродов, за счет изменения величины зазора между ними характеризуют величину линейного ускорения.When linear acceleration occurs along the Y axis located in the plane of the semiconductor substrate 1, the inertial masses 24, 29, 34 under the influence of inertia move along the Y axis due to the bending of the elastic beams 14, 15, 18, 19, 27, 28, 32, 33 Changes in the tunneling currents flowing between the combs of the movable 10, 11 and stationary 4, 5 electrodes, due to changes in the gap between them, characterize the magnitude of the linear acceleration.

При возникновении линейного ускорения вдоль оси Z, направленной перпендикулярно плоскости полупроводниковой подложки 1, инерционная масса 34 под действием сил инерции отклоняется перпендикулярно плоскости полупроводниковой подложки 1 за счет кручения торсионов 35, 36. Изменения туннельных токов, протекающих между гребенками инерционной массы 34 и неподвижных электродов 6, 7, за счет изменения величины их площади перекрытия характеризуют величину линейного ускорения.When linear acceleration occurs along the Z axis, perpendicular to the plane of the semiconductor substrate 1, the inertial mass 34 is deflected perpendicular to the plane of the semiconductor substrate 1 due to torsion 35, 36 due to inertia forces. Changes in tunnel currents flowing between the inertial mass combs 34 and the stationary electrodes 6 , 7, due to a change in the magnitude of their overlap area, they characterize the value of linear acceleration.

Опоры 37, 38 выполняют роль ограничителей движения инерционных масс 24, 29, 34 в плоскости полупроводниковой подложки 1.Supports 37, 38 act as restraints on the movement of inertial masses 24, 29, 34 in the plane of the semiconductor substrate 1.

Таким образом, предлагаемое устройство представляет собой интегральный туннельный акселерометр, позволяющий измерять величины линейного ускорения вдоль осей X и Y, расположенных в плоскости подложки, и оси Z, направленной перпендикулярно плоскости подложки.Thus, the proposed device is an integrated tunnel accelerometer that allows you to measure linear 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.

Введение четырех дополнительных неподвижных электродов, выполненных с гребенчатыми структурами из полупроводникового материала и расположенных непосредственно на полупроводниковой подложке, четырех подвижных электродов, выполненных в виде пластин с перфорацией и гребенчатыми структурами из полупроводникового материала и расположенных с зазором относительно полупроводниковой подложки, так что они образуют туннельные контакты с дополнительными неподвижными электродами в плоскости их пластин, двух дополнительных инерционных масс, выполненных в виде пластин с перфорацией из полупроводникового материала и расположенных с зазором относительно полупроводниковой подложки, двенадцати дополнительных упругих балок, выполненных из полупроводникового материала и расположенных с зазором относительно полупроводниковой подложки, двух торсионов, выполненных из полупроводникового материала и расположенных с зазором относительно полупроводниковой подложки, двух дополнительных опор, выполненных из полупроводникового материала и расположенных непосредственно на полупроводниковой подложке, позволяет измерять величины линейного ускорения вдоль осей X и Y, расположенных взаимно перпендикулярно в плоскости полупроводниковой подложки, и оси Z, направленной перпендикулярно плоскости полупроводниковой подложки.The introduction of four additional stationary electrodes made with comb structures of semiconductor material and located directly on the semiconductor substrate, four movable electrodes made in the form of plates with perforation and comb structures of semiconductor material and located with a gap relative to the semiconductor substrate, so that they form tunnel junctions with additional stationary electrodes in the plane of their plates, two additional inertial masses made in the form of plates with perforation of a semiconductor material and located with a gap relative to the semiconductor substrate, twelve additional elastic beams made of semiconductor material and located with a gap relative to the semiconductor substrate, two torsion bars made of semiconductor material and located with a gap relative to the semiconductor substrate, two additional supports made of semiconductor material and located directly on the floor ovodnikovoy substrate allows measurement values of linear acceleration along the axes X and Y, are mutually spaced perpendicularly to the plane of the semiconductor substrate, and an axis Z, perpendicular to the directional plane of the semiconductor substrate.

Таким образом, по сравнению с аналогичными устройствами, предлагаемый интегральный туннельный акселерометр позволяет сократить площадь полупроводниковой подложки, используемую под размещение измерительных элементов величин линейного ускорения, так как для измерения линейного ускорения по трем осям используется только один интегральный туннельный акселерометр.Thus, in comparison with similar devices, the proposed integrated tunnel accelerometer reduces the area of the semiconductor substrate used for the placement of measuring elements of linear acceleration values, since only one integral tunnel accelerometer is used to measure linear acceleration along three axes.

Claims (1)

Интегральный туннельный акселерометр, содержащий полупроводниковую подложку с расположенными на ней двумя неподвижными электродами, выполненными с гребенчатыми структурами из полупроводникового материала, инерционную массу, выполненную в виде пластины с перфорацией и гребенчатыми структурами из полупроводникового материала, расположенную с зазором относительно подложки, четыре упругие балки, выполненные из полупроводникового материала, расположенные с зазором относительно подложки, опоры, выполненные из полупроводникового материала и расположенные непосредственно на подложке, отличающийся тем, что в него введены четыре дополнительных неподвижных электрода, выполненные с гребенчатыми структурами из полупроводникового материала и расположенные непосредственно на полупроводниковой подложке, четыре подвижных электрода, выполненные в виде пластин с перфорацией и гребенчатыми структурами из полупроводникового материала и расположенные с зазором относительно полупроводниковой подложки, так что они образуют туннельные контакты с дополнительными неподвижными электродами в плоскости их пластин, вторую и третью дополнительные инерционные массы, выполненные в виде пластин с перфорацией из полупроводникового материала и расположенные с зазором относительно полупроводниковой подложки, так что они образуют туннельные контакты с неподвижными электродами в плоскости их пластин, двенадцать дополнительных упругих балок, выполненные из полупроводникового материала и расположенные с зазором относительно полупроводниковой подложки, два торсиона, выполненные из полупроводникового материала и расположенные с зазором относительно полупроводниковой подложки, две дополнительные опоры, выполненные из полупроводникового материала и расположенные непосредственно на полупроводниковой подложке. An integrated tunnel accelerometer containing a semiconductor substrate with two stationary electrodes located on it, made with comb structures of a semiconductor material, an inertial mass made in the form of a plate with perforation and comb structures of a semiconductor material, located with a gap relative to the substrate, four elastic beams made from a semiconductor material, located with a gap relative to the substrate, supports made of a semiconductor material and located directly on the substrate, characterized in that four additional stationary electrodes are introduced into it, made with comb structures of semiconductor material and located directly on the semiconductor substrate, four movable electrodes made in the form of perforated plates and comb structures of semiconductor material and located with a gap relative to the semiconductor substrate, so that they form tunneling contacts with additional fixed electrodes in the plane of their plates, the second and third additional inertial masses made in the form of plates with perforation of a semiconductor material and located with a gap relative to the semiconductor substrate, so that they form tunnel contacts with fixed electrodes in the plane of their plates, twelve additional elastic beams made of semiconductor material and located with a gap relative to the semiconductor substrate, two torsion bars made of semiconductor material and laid with a gap relative to the semiconductor substrate, two additional supports made of semiconductor material and located directly on the semiconductor substrate.
RU2015124852/28A 2015-06-24 2015-06-24 Integral tunnel accelerometer RU2597951C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2015124852/28A RU2597951C1 (en) 2015-06-24 2015-06-24 Integral tunnel accelerometer

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2015124852/28A RU2597951C1 (en) 2015-06-24 2015-06-24 Integral tunnel accelerometer

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2597951C1 true RU2597951C1 (en) 2016-09-20

Family

ID=56937938

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2015124852/28A RU2597951C1 (en) 2015-06-24 2015-06-24 Integral tunnel accelerometer

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2597951C1 (en)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN111579818A (en) * 2020-07-06 2020-08-25 吉林大学 High-sensitivity low-noise acceleration detection device and method

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP0773443B1 (en) * 1995-11-07 2000-05-24 TEMIC TELEFUNKEN microelectronic GmbH Micro-machined accelerometer
RU2351897C1 (en) * 2007-12-03 2009-04-10 Федеральное государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "ЮЖНЫЙ ФЕДЕРАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ" (ЮФУ) Integrated micromechanical accelerometer gyroscope

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP0773443B1 (en) * 1995-11-07 2000-05-24 TEMIC TELEFUNKEN microelectronic GmbH Micro-machined accelerometer
RU2351897C1 (en) * 2007-12-03 2009-04-10 Федеральное государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "ЮЖНЫЙ ФЕДЕРАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ" (ЮФУ) Integrated micromechanical accelerometer gyroscope

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
J.W. Weigold, K. Najafi, S.W. Pang, Design and Fabrication of Submicrometer, Single Crystal Si Accelerometer, Journal of Microelectromechanical Systems, vol. 10, N4, 2001, p. 520, fig. 2;RU 2351897 C1, 10.04.2009;US 6170332 B2, 09.01.2001. *

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN111579818A (en) * 2020-07-06 2020-08-25 吉林大学 High-sensitivity low-noise acceleration detection device and method
CN111579818B (en) * 2020-07-06 2021-09-28 吉林大学 High-sensitivity low-noise acceleration detection device and method

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Selvakumar et al. A high-sensitivity z-axis capacitive silicon microaccelerometer with a torsional suspension
Mojahedi et al. The influence of the intermolecular surface forces on the static deflection and pull-in instability of the micro/nano cantilever gyroscopes
KR101754634B1 (en) MEMS gyroscope with 2 DOF sense-mode
Wang et al. A novel micro electric field sensor with X–Y dual axis sensitive differential structure
Greek et al. Deflection of surface-micromachined devices due to internal, homogeneous or gradient stresses
RU2597951C1 (en) Integral tunnel accelerometer
Ramezani et al. Closed-form approximation and numerical validation of the influence of van der Waals force on electrostatic cantilevers at nano-scale separations
RU2597950C1 (en) Integral micro mechanical gyroscope accelerometer
Momen et al. A 3-axis MEMS capacitive accelerometer free of cross axis sensitivity
Mojahedi et al. Static deflection and pull-in instability analysis of an electrostatically actuated mirocantilever gyroscope considering geometric nonlinearities
Abu-Salih et al. Experimental validation of electromechanical buckling
Gao et al. The design and analysis of a novel micro force sensor based on depletion type movable gate field effect transistor
Sinha et al. Design and simulation of MEMS differential capacitive accelerometer
Lee et al. High-shock silicon accelerometer with a plate spring
Krylov et al. Large displacement parallel plate electrostatic actuator with saturation type characteristic
RU2597953C1 (en) Integral micromechanical gyroscope-accelerometer
Tavakoli et al. Designing a new high performance 3-axis MEMS capacitive accelerometer
RU2351896C1 (en) Integrated micromechanical accelerometer gyroscope
RU2279092C1 (en) Integral micro-mechanical acceleration meter - clinometer
RU2334237C1 (en) Integral micromechanical gyroscope-accelerometer on basis of carbon nanotubes
RU2649249C1 (en) Integral micro mechanical gyroscope-accelerometer
Wang et al. A novel 2-dimensional electric field sensor based on in-plane micro rotary actuator
RU2266521C1 (en) Integrating micromechanical gyro
RU2390031C1 (en) Integrated micromechanical field emission accelerator
Gerson et al. Pull-in experiments on electrostatically actuated microfabricated meso scale beams

Legal Events

Date Code Title Description
QB4A Licence on use of patent

Free format text: LICENCE

Effective date: 20170613

MM4A The patent is invalid due to non-payment of fees

Effective date: 20200625

NF4A Reinstatement of patent

Effective date: 20210408