RU2639610C1

RU2639610C1 - Integral acceleration sensor

Info

Publication number: RU2639610C1
Application number: RU2016127481A
Authority: RU
Inventors: Павел Сергеевич Маринушкин
Priority date: 2016-07-07
Filing date: 2016-07-07
Publication date: 2017-12-21

Abstract

FIELD: physics.SUBSTANCE: sensor comprises a support frame and an inertial mass fixed to one of its arms by means of elastic console elements with piezoresistive deformation transformers made of semiconductor material integrally, wherein the sensor additionally comprises a pair of elastic torsion elements disposed on opposite arms of the support frame perpendicular to the elastic console elements and connected with the inertial mass, wherein the piezoresistive deformation transformers are made on the basis of silicon nanowires equipped with measuring electrodes.EFFECT: increasing the sensitivity of the integral acceleration sensor while maintaining the operating frequency range.2 cl, 3 dwg

Description

Изобретение относится к области микросистемной техники, в частности к приборам для измерения величины линейного ускорения.The invention relates to the field of microsystem engineering, in particular to devices for measuring linear acceleration.

Известен интегральный датчик ускорения [Патент США №5616844 А], содержащий опорную рамку, инерционную массу и упругие элементы подвеса, изготовленные из единой кремниевой пластины. Емкостной преобразователь служит для измерения перемещений инерционной массы при наличии измеряемого ускорения.Known integral acceleration sensor [US Patent No. 5616844 A] containing a support frame, inertial mass and elastic suspension elements made of a single silicon wafer. A capacitive transducer is used to measure inertial mass displacements in the presence of measured acceleration.

Недостатком данного устройства являются его недостаточные точностные характеристики, обусловленные влиянием токов утечки и паразитных емкостей, присущих емкостным преобразователям перемещений.The disadvantage of this device is its insufficient accuracy characteristics due to the influence of leakage currents and stray capacitances inherent in capacitive displacement transducers.

Функциональным аналогом заявляемого объекта является интегральный датчик ускорения [Патент США №6105427 А], содержащий инерционную массу, сформированную в опорной рамке вместе с двумя упругими элементами подвеса и элементами их крепления к рамке. Перемещения инерционной массы при наличии ускорения измеряются емкостным преобразователем перемещений.A functional analogue of the claimed object is an integrated acceleration sensor [US Patent No. 6105427 A] containing an inertial mass formed in a support frame together with two elastic suspension elements and their fastening elements to the frame. Inertial mass displacements in the presence of acceleration are measured by a capacitive displacement transducer.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому объекту является интегральный кремниевый тензоакселерометр (далее - интегральный датчик ускорения) [Патент РФ 2072728], содержащий выполненные из единой монокристаллической кремниевой подложки основание (далее - опорная рамка), инерционную массу, соединяющий их концентратор механических напряжений (далее - упругий консольный элемент), на рабочей поверхности которого расположены диффузионные тензорезисторы, соединенные металлизацией в мостовую измерительную схему (далее - тензорезистивные преобразователи деформации), и дополнительный груз, размещенный на инерционной массе. При наличии измеряемого ускорения силы инерции вызывают деформацию изгиба упругого консольного элемента, которая фиксируется тензорезистивными преобразователями информации.The closest in technical essence to the claimed object is an integrated silicon tensoaccelerometer (hereinafter referred to as an integrated acceleration sensor) [RF Patent 2072728], containing a base made of a single monocrystalline silicon substrate (hereinafter referred to as a support frame), an inertial mass connecting their stress concentrator (hereinafter - elastic cantilever element), on the working surface of which diffusion strain gages are located, connected by metallization to a bridge measuring circuit (hereinafter referred to as strain gage ive strain transducers), and additional load placed on the inertial mass. In the presence of measurable acceleration, inertia forces cause a bending deformation of the elastic cantilever element, which is fixed by strain-resistant information converters.

Недостатком данного устройства являются его недостаточная чувствительность, обусловленная тем, что при заданном диапазоне частот измеряемых ускорений и толщине упругого консольного элемента чувствительность интегрального датчика ускорения ограничена низкой чувствительностью тензорезистивных преобразователей деформации на основе диффузионных тензорезисторов. В результате приходится идти на компромисс, так как с повышением чувствительности связана необходимость в уменьшении толщины упругого консольного элемента, что, однако, влечет за собой снижение верхней границы рабочего частотного диапазона и показателя качества интегрального датчика ускорения (произведение чувствительности на квадрат резонансной частоты).The disadvantage of this device is its lack of sensitivity, due to the fact that for a given frequency range of measured accelerations and the thickness of the elastic cantilever element, the sensitivity of the integrated acceleration sensor is limited by the low sensitivity of strain gauge strain transducers based on diffusion strain gages. As a result, we have to compromise, since the increase in sensitivity leads to a decrease in the thickness of the elastic cantilever element, which, however, entails a decrease in the upper limit of the working frequency range and the quality index of the integral acceleration sensor (sensitivity product by the square of the resonant frequency).

Задача предлагаемого изобретения состоит в повышении чувствительности интегрального датчика ускорений при сохранении рабочего частотного диапазона.The task of the invention is to increase the sensitivity of the integrated acceleration sensor while maintaining the working frequency range.

Для решения поставленной задачи интегральный датчик ускорения, содержащий выполненные из полупроводникового материала за одно целое опорную рамку и закрепленную на одном из ее плеч с помощью упругих консольных элементов с тензорезистивными преобразователями деформации инерционную массу, согласно изобретению дополнительно содержит пару упругих торсионных элементов, расположенных на противоположных плечах опорной рамки перпендикулярно упругим консольным элементам и соединенных с инерционной массой, при этом тензорезистивные преобразователи деформации выполнены на основе кремниевых нанонитей, оснащенных измерительными электродами. Кремниевые нанонити могут быть образованы участками локальных утоньшений упругих консольных элементов.To solve the problem, an integral acceleration sensor comprising an integral support frame made of a semiconductor material and mounted on one of its shoulders using elastic cantilever elements with strain-resistive strain transducers, the inertial mass, according to the invention further comprises a pair of elastic torsion elements located on opposite shoulders the supporting frame perpendicular to the elastic cantilever elements and connected to the inertial mass, while the tensor resistive verters deformations are based on silicon nanowires, equipped with measuring electrodes. Silicon nanowires can be formed by areas of local thinning of elastic cantilever elements.

На фиг. 1 представлен общий вид сверху на интегральный датчик ускорения, на фиг. 2 представлен общий вид сзади на интегральный датчик ускорения, на фиг. 3 представлен частный случай исполнения интегрального датчика ускорения, в соответствии с которым, кремниевые нанонити образованы участками локальных утоньшений упругих консольных элементов.In FIG. 1 is a top view of an integrated acceleration sensor; FIG. 2 is a general rear view of the integrated acceleration sensor; FIG. Figure 3 presents a special case of the integral acceleration sensor, according to which, silicon nanowires are formed by areas of local thinning of the elastic cantilever elements.

Интегральный датчик ускорения (фиг. 1) содержит опорную рамку 1 и закрепленную на одном из ее плеч с помощью упругих консольных элементов 2 с тензорезистивными преобразователями деформации инерционную массу 3. Кроме того, интегральный датчик ускорения содержит пару упругих торсионных элементов 4 (фиг. 2), расположенных на противоположных плечах опорной рамки 1 перпендикулярно упругим консольным элементам 2 и соединенных с инерционной массой 3. При этом тензорезистивные преобразователи деформации выполнены на основе кремниевых нанонитей 5 (показаны условно), оснащенных измерительными электродами 6. Возможно исполнение предлагаемого интегрального датчика ускорения (фиг. 3), в соответствии с которым кремниевые нанонити 5 образованы участками локальных утоньшений упругих консольных элементов 2.The integrated acceleration sensor (Fig. 1) contains a support frame 1 and is mounted on one of its shoulders using elastic cantilever elements 2 with strain-resistant strain transducers of inertia mass 3. In addition, the integral acceleration sensor contains a pair of elastic torsion elements 4 (Fig. 2) located on opposite shoulders of the support frame 1 perpendicular to the elastic cantilever elements 2 and connected to the inertial mass 3. In this case, the strain-resistant strain transducers are made on the basis of silicon nanowires 5 (p rendered conditionally) equipped with measuring electrodes 6. Possible implementation of the proposed integrated acceleration sensor (Fig. 3), according to which silicon nanowires 5 are formed by areas of local thinning of the elastic cantilever elements 2.

Интегральный датчик ускорения работает следующим образом. При возникновении ускорения опорной рамки 1 в направлении оси Z, направленной перпендикулярно плоскости опорной рамки, под действием сил инерции происходит угловое перемещение инерционной массы 3 вокруг оси Y (фиг. 1), которое с помощью упругих торсионных элементов 4 преобразуется в продольную деформацию упругих консольных элементов 2, величина которой измеряется тензорезистивными преобразователями деформации, выполненными на основе кремниевых нанонитей 5, оснащенных измерительными электродами 6. Принцип действия последних обусловлен изменением электрического сопротивления чрезвычайно чувствительных к механическим воздействиям кремниевых нанонитей вследствие их деформации (тензорезистивный эффект). Результатом изменения сопротивления кремниевых нанонитей является значительное (по сравнению с тензорезистивными преобразователями деформации на основе диффузионных тензорезисторов) изменение уровня электрического сигнала на измерительных электродах 6, пропорциональное измеряемому ускорению. Таким образом, предлагаемый интегральный датчик ускорения обладает лучшей по сравнению с прототипом чувствительностью к измеряемым ускорениям, что достигается без существенного уменьшения толщины упругих консольных элементов и снижения верхней границы рабочего частотного диапазона.The integrated acceleration sensor works as follows. When there is an acceleration of the support frame 1 in the direction of the Z axis, perpendicular to the plane of the support frame, under the action of inertia forces the inertial mass 3 angularly moves around the Y axis (Fig. 1), which with the help of elastic torsion elements 4 is converted into a longitudinal deformation of the elastic cantilever elements 2, the value of which is measured by strain gauge strain gauges made on the basis of silicon nanowires 5, equipped with measuring electrodes 6. The principle of operation of the latter is determined by by changing the electrical resistance of silicon nanowires extremely sensitive to mechanical stresses due to their deformation (strain-resisting effect). The result of a change in the resistance of silicon nanowires is a significant (in comparison with strain gauge strain transducers based on diffusion strain gauges) a change in the level of the electric signal at the measuring electrodes 6, proportional to the measured acceleration. Thus, the proposed integrated acceleration sensor has a better sensitivity to measured accelerations compared to the prototype, which is achieved without significantly reducing the thickness of the elastic cantilever elements and reducing the upper limit of the working frequency range.

Технический результат предлагаемого изобретения объясняется следующим. Во-первых, за счет выполнения тензорезистивных преобразователей деформации на основе кремниевых нанонитей, оснащенных измерительными электродами, повышается чувствительность интегрального датчика ускорений, поскольку тензочувствительность кремниевых нанонитей в десятки раз превосходит аналогичный показатель объемного кремния (R. Не, P. Yang, "Giant piezoresistance effect in silicon nanowires", Nature Nanotechnology, vol. 1, pp. 42-46, 2006), в котором формируются диффузионные тензорезисторы. Во вторых, введение дополнительных упругих торсионных элементов позволяет повысить жесткость подвеса инерционной массы, что способствует сохранению рабочего частотного диапазона интегрального датчика ускорения.The technical result of the invention is explained as follows. Firstly, due to the implementation of strain-resistant strain gauges based on silicon nanowires equipped with measuring electrodes, the sensitivity of the integrated acceleration sensor is increased, since the tensile sensitivity of silicon nanowires is tens of times higher than that of bulk silicon (R. He, P. Yang, "Giant piezoresistance effect in silicon nanowires ", Nature Nanotechnology, vol. 1, pp. 42-46, 2006), in which diffusion strain gages are formed. Secondly, the introduction of additional elastic torsion elements can increase the stiffness of the suspension of inertial mass, which helps to maintain the working frequency range of the integrated acceleration sensor.

Для обеспечения лучшей технологичности конструкции интегрального датчика ускорения кремниевые нанонити могут быть образованы участками локальных утоньшений упругих консольных элементов.To ensure better technological design of the integrated acceleration sensor, silicon nanowires can be formed by areas of local thinning of the elastic cantilever elements.

В целом, по сравнению с прототипом, предлагаемое изобретение позволяет повысить чувствительность интегрального датчика ускорения при сохранении рабочего частотного диапазона.In General, compared with the prototype, the present invention improves the sensitivity of the integrated acceleration sensor while maintaining the working frequency range.

Claims

1. An integrated acceleration sensor containing made of a semiconductor material in one whole support frame and mounted on one of its shoulders with the help of elastic cantilever elements with strain-resistant strain transducers inertial mass, characterized in that it additionally contains a pair of elastic torsion elements located on opposite the shoulders of the support frame perpendicular to the elastic cantilever elements and connected to the inertial mass, while tensor-resistive strain transducers Nena based on silicon nanowires, equipped with measuring electrodes.

2. The integrated acceleration sensor according to claim 1, characterized in that the silicon nanowires are formed by areas of local thinning of the elastic cantilever elements.