RU2660412C1 - Integrated micro-mechanical tunnel accelerometer - Google Patents

Integrated micro-mechanical tunnel accelerometer Download PDF

Info

Publication number
RU2660412C1
RU2660412C1 RU2017129860A RU2017129860A RU2660412C1 RU 2660412 C1 RU2660412 C1 RU 2660412C1 RU 2017129860 A RU2017129860 A RU 2017129860A RU 2017129860 A RU2017129860 A RU 2017129860A RU 2660412 C1 RU2660412 C1 RU 2660412C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
electrode
electrostatic actuator
movable electrode
contact
adjacent
Prior art date
Application number
RU2017129860A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Марк Анатольевич Денисенко
Евгений Адальбертович Рындин
Алина Сергеевна Исаева
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 RU2017129860A priority Critical patent/RU2660412C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2660412C1 publication Critical patent/RU2660412C1/en

Links

Images

Classifications

    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01PMEASURING LINEAR OR ANGULAR SPEED, ACCELERATION, DECELERATION, OR SHOCK; INDICATING PRESENCE, ABSENCE, OR DIRECTION, OF MOVEMENT
    • G01P15/00Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration
    • G01P15/02Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration by making use of inertia forces using solid seismic masses
    • G01P15/08Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration by making use of inertia forces using solid seismic masses with conversion into electric or magnetic values
    • G01P15/0802Details

Abstract

FIELD: measuring equipment.
SUBSTANCE: invention relates to measuring and microsystem technology, namely to integral measuring elements of acceleration values. Accelerometer contains semi-insulating substrate, fixed electrode base, electrostatic actuator base, anchor region of movable electrode, technological layer in the area of fixed electrode, technological layer in the area of electrostatic actuator, elastic suspension, contact area of stationary electrode, contact area of electrostatic actuator, contact area of movable electrode, inertial mass, stationary electrode, static electrode of electrostatic actuator, contact to movable electrode, movable electrode of electrostatic actuator, movable electrode. Displacement transducer is tunnel contact formed by fixed electrode and movable electrode. Elastic suspension has J-shaped shape consisting of segment of cylindrical shell adjacent at one end to anchor region of movable electrode and rigidly fixed relative to semi-insulating substrate, and second end adjoining inertial mass.
EFFECT: increase in measurement sensitivity of acceleration component directed along axis perpendicular to plane of semi-insulating substrate.
1 cl, 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 specifically to integrated measuring elements of acceleration values.

Известен миниатюрный туннельный акселерометр на основе технологии поверхностной микросборки (см. "A New Miniaturized Surface Micromachined Tunneling Accelerometer" R.L. Kubena, G.M. Atkinson, W.P. Robinson, F.P. Stratton, IEEE Electron Device Letters, Vol. 17, No. 6, June 1996), содержащий преобразователь перемещений, электростатический актюатор, основание неподвижного электрода, неподвижный электрод электростатического актюатора, а также подложку, изолирующий слой, якорную область упругой балки, упругую балку, неподвижный электрод преобразователя перемещений, причем упругая балка представляет собой L-образную пластину из металла (золото), функционально объединяющую инерционную массу, подвижный электрод и подвижный электрод электростатического актюатора, расположенную с зазором относительно подложки, примыкающую одним своим концом к якорной области упругой балки, которая расположена на изолирующем слое, нанесенном на подложку; преобразователь перемещений образован упругой балкой с одной стороны, а с другой - острием неподвижного электрода, расположенного на основании неподвижного электрода, примыкающем к изолирующему слою, нанесенному на подложку; электростатический актюатор образован упругой балкой с одной стороны, а с другой - неподвижным электродом электростатического актюатора, расположенным на изолирующем слое, нанесенном на подложку.Known miniature tunnel accelerometer based on surface microassembly technology (see "A New Miniaturized Surface Micromachined Tunneling Accelerometer" RL Kubena, GM Atkinson, WP Robinson, FP Stratton, IEEE Electron Device Letters, Vol. 17, No. 6, June 1996), comprising a displacement transducer, an electrostatic actuator, a base of a fixed electrode, a fixed electrode of an electrostatic actuator, and also a substrate, an insulating layer, an anchor region of an elastic beam, an elastic beam, a fixed electrode of a displacement transducer, the elastic beam being an L-shaped astynom from a metal (gold) operatively combining the inertial mass, movable electrode and the movable electrode of the electrostatic actuator, disposed with a gap with respect to the substrate adjacent one end thereof to the anchor region elastic beam which is disposed on the insulating layer deposited on the substrate; the displacement transducer is formed by an elastic beam on the one hand, and on the other hand, by the tip of the fixed electrode located on the base of the fixed electrode adjacent to the insulating layer deposited on the substrate; The electrostatic actuator is formed by an elastic beam on one side, and on the other, by a fixed electrode of the electrostatic actuator located on an insulating layer deposited on a substrate.

Признаками аналога, совпадающими с существенными признаками, являются преобразователь перемещений, электростатический актюатор, основание неподвижного электрода, неподвижный электрод электростатического актюатора.Signs of an analogue that coincide with the essential features are a displacement transducer, an electrostatic actuator, a base of a fixed electrode, a fixed electrode of an electrostatic actuator.

Причинами, препятствующими достижению технического результата, являются снижение чувствительности измерительного устройства при переходе к наноразмерным проектным нормам; неудовлетворительная масштабируемость конструкции в целом вследствие того, что применение однородной подвижной балки, выполненной из пластичного металла, без выраженной инерционной массы накладывает ограничения на вариативность ее механических характеристик.The reasons that impede the achievement of the technical result are a decrease in the sensitivity of the measuring device during the transition to nanoscale design standards; poor scalability of the structure as a whole due to the fact that the use of a homogeneous movable beam made of ductile metal without a pronounced inertial mass imposes restrictions on the variability of its mechanical characteristics.

Известен высокопроизводительный туннельный акселерометр (см. "A High-Performance Tunneling Accelerometer", Е. Boyden, О. El Rifai, В. Hubert, M. Karpman, D. Roberts, Term Project 6.777, Introduction to Microelectromechanical Systems, Spring 1999, Prof. Stephen D. Senturia, 58 p. Online access. <http://edboyden.org/6777paper.pdf>), содержащий преобразователь перемещений, подвижный электрод преобразователя перемещений, неподвижный электрод преобразователя перемещений, электростатический актюатор, неподвижный электрод электростатического актюатора, а также подложку, изолирующий слой, якорную область упругой балки, упругую балку, неподвижный электрод системы самотестирования, контактную область подвижного электрода, причем упругая балка представляет собой пластину из полупроводникового материала (кремний), функционально объединяющую инерционную массу, подвижный электрод системы самотестирования и подвижный электрод электростатического актюатора, расположенную с зазором относительно подложки, на одном конце которой размещен заостренный металлический подвижный электрод, а другим концом примыкающую к якорной области упругой балки, которая расположена на изолирующем слое, нанесенном на подложку; преобразователь перемещений образован заостренным металлическим подвижным электродом, расположенным на упругой балке, с одной стороны, а с другой - неподвижным электродом, примыкающим к изолирующему слою, нанесенному на подложку; электростатический актюатор образован упругой балкой с одной стороны, а с другой - неподвижным электродом электростатического актюатора, расположенным на изолирующем слое, нанесенном на подложку; контактные области системы самотестирования образованы упругой балкой с одной стороны, а с другой - неподвижным электродом системы самотестирования, расположенным на изолирующем слое, нанесенном на подложку.Known high-performance tunnel accelerometer (see "A High-Performance Tunneling Accelerometer", E. Boyden, O. El Rifai, B. Hubert, M. Karpman, D. Roberts, Term Project 6.777, Introduction to Microelectromechanical Systems, Spring 1999, Prof Stephen D. Senturia, 58 p. Online access. <Http://edboyden.org/6777paper.pdf>) containing a displacement transducer, a movable displacement transducer electrode, a displacement transducer stationary electrode, an electrostatic actuator, an electrostatic actuator fixed electrode, and also a substrate, an insulating layer, an anchor region of an elastic beam, an elastic beam, a fixed electrode topics of self-testing, the contact region of the movable electrode, and the elastic beam is a plate of semiconductor material (silicon), functionally combining the inertial mass, the movable electrode of the self-test system and the movable electrode of the electrostatic actuator, located with a gap relative to the substrate, at one end of which there is a pointed metal movable electrode, and the other end adjacent to the anchor region of the elastic beam, which is located on the insulating layer, deposited m on the substrate; the displacement transducer is formed by a pointed metal movable electrode located on the elastic beam, on the one hand, and on the other hand, a fixed electrode adjacent to the insulating layer deposited on the substrate; the electrostatic actuator is formed by an elastic beam on one side and, on the other hand, a fixed electrode of an electrostatic actuator located on an insulating layer deposited on a substrate; The contact areas of the self-testing system are formed by an elastic beam on one side and, on the other, by a fixed electrode of the self-testing system located on an insulating layer deposited on a substrate.

Признаками аналога, совпадающими с существенными признаками, являются преобразователь перемещений, подвижный электрод преобразователя перемещений, неподвижный электрод преобразователя перемещений, электростатический актюатор, неподвижный электрод электростатического актюатора.Signs of an analogue that coincide with the essential features are a displacement transducer, a displacement transducer moving electrode, a displacement transducer stationary electrode, an electrostatic actuator, an electrostatic actuator fixed electrode.

Причинами, препятствующими достижению технического результата, являются снижение чувствительности измерительного устройства при переходе к наноразмерным проектным нормам; неудовлетворительная масштабируемость конструкции в целом вследствие того, что применение однородной подвижной балки, выполненной из полупроводникового материала, без выраженной инерционной массы накладывает ограничения на вариативность ее механических характеристик.The reasons that impede the achievement of the technical result are a decrease in the sensitivity of the measuring device during the transition to nanoscale design standards; poor scalability of the structure as a whole due to the fact that the use of a homogeneous movable beam made of a semiconductor material without a pronounced inertial mass imposes restrictions on the variability of its mechanical characteristics.

Из известных наиболее близким по технической сущности к заявляемому объекту является многоосевой интегральный микромеханический туннельный акселерометр (см. «Многоосевой интегральный микромеханический туннельный акселерометр», Б.Г. Коноплев, Н.К. Приступчик, Е.А. Рындин, RU 2 415 443 С1, 2011), содержащий полуизолирующую подложку, преобразователь перемещений, инерционную массу, основание неподвижного электрода, якорную область подвижного электрода, преобразователь перемещений, неподвижный электрод, подвижный электрод, а также активные области подвеса, пассивную область подвеса, два дополнительных подвеса с активными областями и с пассивными областями, две дополнительные инерционные массы, два дополнительных неподвижных электрода, два дополнительных подвижных электрода и два дополнительных туннельных преобразователя перемещения, причем преобразователь перемещения представляет собой туннельный контакт, образованный неподвижным электродом, который представляет собой цилиндрическую оболочку, жестко закрепленную относительно полуизолирующей подложки.Of the known closest in technical essence to the claimed object is a multi-axis integrated micromechanical tunnel accelerometer (see "Multi-axis integrated micromechanical tunnel accelerometer", B. G. Konoplev, N.K. Pristupchik, E. A. Ryndin, RU 2 415 443 C1 , 2011) containing a semi-insulating substrate, a displacement transducer, an inertial mass, a base of a fixed electrode, an anchor region of a movable electrode, a displacement transducer, a fixed electrode, a movable electrode, and also active regions and a suspension, a passive suspension region, two additional suspensions with active regions and with passive regions, two additional inertial masses, two additional stationary electrodes, two additional movable electrodes and two additional tunnel displacement transducers, the displacement transducer being a tunnel contact formed by a fixed electrode , which is a cylindrical shell, rigidly fixed relative to the semi-insulating substrate.

Признаками прототипа, совпадающими с существенными признаками, являются полуизолирующая подложка, преобразователь перемещений, инерционная масса, основание неподвижного электрода, якорная область подвижного электрода, неподвижный электрод, подвижный электрод.Signs of the prototype, coinciding with the essential features, are a semi-insulating substrate, a displacement transducer, an inertial mass, a base of a fixed electrode, an anchor region of a moving electrode, a fixed electrode, a moving electrode.

Причинами, препятствующими достижению технического результата, являются относительно большая площадь контактов туннельного преобразователя; отсутствие электростатического преобразователя.The reasons that impede the achievement of the technical result are the relatively large contact area of the tunnel converter; lack of electrostatic converter.

Задачей предлагаемого изобретения является обеспечение высокой чувствительности измерения составляющей ускорения, направленной вдоль оси, перпендикулярной плоскости полуизолирующей подложки, повышение технологичности, а также интегральная реализация в наномасштабе.The objective of the invention is to provide high sensitivity measurement of the acceleration component directed along an axis perpendicular to the plane of the semi-insulating substrate, increasing manufacturability, as well as integrated implementation in the nanoscale.

Для достижения необходимого технического результата в интегральный микромеханический туннельный акселерометр, содержащий полуизолирующую подложку, преобразователь перемещений, инерционную массу, основание неподвижного электрода, якорную область подвижного электрода, неподвижный электрод, подвижный электрод, введены основание электростатического актюатора, технологический слой в области неподвижного электрода, технологический слой в области электростатического актюатора, упругий подвес, контактная область неподвижного электрода, контактная область электростатического актюатора, контактная область подвижного электрода, неподвижный электрод электростатического актюатора, контакт к подвижному электроду, подвижный электрод электростатического актюатора, причем преобразователь перемещения представляет собой туннельный контакт, образованный неподвижным электродом, примыкающим к контактной области неподвижного электрода, расположенной на технологическом слое в области неподвижного электрода, который примыкает к основанию неподвижного электрода, жестко закрепленному на полуизолирующей подложке, и подвижным электродом, примыкающим к инерционной массе, на которой расположен подвижный контакт электростатического актюатора, и которая примыкает к упругому подвесу; упругий подвес имеет J-образную форму и представляет собой сегмент цилиндрической оболочки, примыкающий одним концом к контактной области подвижного электрода, контакту подвижного электрода и к якорной области подвижного электрода, жестко закрепленный относительно полуизолирующей подложки, а вторым концом примыкающий к инерционной массе; электростатический актюатор образован неподвижным отклоняющим электродом, примыкающим к контактной области электростатического актюатора, расположенной на технологическом слое в области электростатического актюатора, который примыкает к якорной области электростатического актюатора, жестко закрепленной на полуизолирующей подложке, и подвижным электродом электростатического актюатора, примыкающим к инерционной массе.To achieve the required technical result, an integral micromechanical tunnel accelerometer containing a semi-insulating substrate, a displacement transducer, an inertial mass, a base of a fixed electrode, an anchor region of a moving electrode, a fixed electrode, a moving electrode, an electrostatic actuator base, a technological layer in the fixed electrode area, a technological layer are introduced in the field of electrostatic actuator, elastic suspension, contact area of a fixed electro a, the contact region of the electrostatic actuator, the contact region of the movable electrode, the stationary electrode of the electrostatic actuator, the contact to the movable electrode, the movable electrode of the electrostatic actuator, and the displacement transducer is a tunnel contact formed by a fixed electrode adjacent to the contact region of the stationary electrode located on the technological layer in the region of the fixed electrode, which is adjacent to the base of the fixed electrode, rigidly behind mounted on a semi-insulating substrate, and a movable electrode adjacent to the inertial mass, on which the movable contact of the electrostatic actuator is located, and which is adjacent to the elastic suspension; the elastic suspension has a J-shape and represents a segment of a cylindrical shell adjacent at one end to the contact region of the movable electrode, the contact of the movable electrode and the anchor region of the movable electrode, rigidly fixed relative to the semi-insulating substrate, and adjacent to the inertial mass with the second end; The electrostatic actuator is formed by a stationary deflecting electrode adjacent to the contact region of the electrostatic actuator located on the technological layer in the area of the electrostatic actuator, which is adjacent to the anchor region of the electrostatic actuator, rigidly fixed to a semi-insulating substrate, and a movable electrode of the electrostatic actuator adjacent to the inertial mass.

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 обеспечении высокой чувствительности измерения составляющей ускорения, направленной вдоль оси, перпендикулярной плоскости полуизолирующей подложки, повышении технологичности, а также в возможности интегральной реализации в наномасштабе.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 ensuring high sensitivity of the measurement of the acceleration component directed along an axis perpendicular to the plane of the semi-insulating substrate, increasing manufacturability, as well as the possibility of integrated implementation in the nanoscale.

На фиг. 1 приведена структура предлагаемого интегрального микромеханического туннельного акселерометра. Регистрация линейного ускорения осуществляется в направлении вертикальной оси.In FIG. 1 shows the structure of the proposed integrated micromechanical tunnel accelerometer. The linear acceleration is recorded in the direction of the vertical axis.

На фиг. 2 приведена изометрическая проекция интегрального микромеханического туннельного акселерометра.In FIG. Figure 2 shows an isometric view of an integrated micromechanical tunnel accelerometer.

Интегральный микромеханический туннельный акселерометр содержит полуизолирующую подложку 1, основание неподвижного электрода 2, основание электростатического актюатора 3, якорную область подвижного электрода 4, технологический слой в области неподвижного электрода 5, технологический слой в области электростатического актюатора 6, несущий упругий подвес 7, контактная область неподвижного электрода 8, контактная область электростатического актюатора 9, контактная область подвижного электрода 10, инерционная масса 11, неподвижный электрод 12, неподвижный электрод электростатического актюатора 13, контакт к подвижному электроду 14, подвижный электрод электростатического актюатора 15, подвижный электрод 16, причем преобразователь перемещения представляет собой туннельный контакт, образованный неподвижным электродом 12, примыкающим к контактной области неподвижного электрода 8, расположенной на технологическом слое в области неподвижного электрода 5, который примыкает к основанию неподвижного электрода 2, жестко закрепленному на полуизолирующей подложке 1, и подвижным электродом 16, примыкающим к инерционной массе 11, на которой расположен подвижный электрод электростатического актюатора 15, и которая примыкает к несущему упругому подвесу 7; упругий подвес имеет J-образную форму и представляет собой сегмент цилиндрической оболочки, примыкающий одним концом к контактной области подвижного электрода 10, контакту подвижного электрода 14 и якорной области подвижного электрода 4 и жестко закрепленный относительно полуизолирующей подложки 1, а незакрепленным вторым концом примыкающий к инерционной массе 11; электростатический актюатор образован неподвижным отклоняющим электродом 13, примыкающим к контактной области электростатического актюатора 9, расположенной на технологическом слое в области электростатического актюатора 6, который примыкает к якорной области электростатического актюатора 3, жестко закрепленной на полуизолирующей подложке 1, и подвижным электродом электростатического актюатора 15, примыкающим к инерционной массе 11.The integrated micromechanical tunnel accelerometer contains a semi-insulating substrate 1, the base of the fixed electrode 2, the base of the electrostatic actuator 3, the anchor region of the movable electrode 4, the technological layer in the region of the stationary electrode 5, the technological layer in the region of the electrostatic actuator 6, bearing elastic suspension 7, the contact region of the fixed electrode 8, contact area of the electrostatic actuator 9, contact area of the movable electrode 10, inertial mass 11, fixed electrode 12, the fixed electrode of the electrostatic actuator 13, contact with the movable electrode 14, the movable electrode of the electrostatic actuator 15, the movable electrode 16, and the displacement transducer is a tunnel contact formed by the fixed electrode 12 adjacent to the contact region of the stationary electrode 8 located on the technological layer in the area of the fixed electrode 5, which is adjacent to the base of the fixed electrode 2, rigidly mounted on a semi-insulating substrate 1, and a movable electrode Building 16, adjacent to the inertial mass 11 on which the movable electrode of the electrostatic actuator 15, and which is adjacent to the carrier 7 the spring suspension; the elastic suspension is J-shaped and represents a segment of a cylindrical shell adjacent at one end to the contact region of the movable electrode 10, the contact of the movable electrode 14 and the anchor region of the movable electrode 4 and rigidly fixed relative to the semi-insulating substrate 1, and adjacent to the inertial mass with an unsecured second end eleven; the electrostatic actuator is formed by a stationary deflecting electrode 13 adjacent to the contact region of the electrostatic actuator 9 located on the technological layer in the region of the electrostatic actuator 6, which is adjacent to the anchor region of the electrostatic actuator 3, rigidly mounted on a semi-insulating substrate 1, and a movable electrode of the electrostatic actuator 15, to inertial mass 11.

Несущий упругий подвес 7, технологический слой в области электростатического актюатора 6 и технологический слой в области неподвижного контакта 5 выполнены из двухслойного материала таким образом, что поверхности, примыкающие к якорной области подвижного электрода 4 (то есть внешняя поверхность упругого повеса), якорной области электростатического актюатора 3 и якорной области неподвижного электрода 2, соответственно сформированы из сжатой пленки арсенида индия второго типа проводимости, а поверхности, примыкающие к контактной области подвижного электрода 10 (то есть внутренняя поверхность упругого подвеса), контактной области электростатического актюатора 9 и контактной области неподвижного электрода 8 сформированы из растянутой пленки арсенида галлия второго типа проводимости.Bearing elastic suspension 7, the technological layer in the area of the electrostatic actuator 6 and the technological layer in the area of the fixed contact 5 are made of a two-layer material so that the surfaces adjacent to the anchor region of the movable electrode 4 (that is, the outer surface of the elastic suspension), the anchor region of the electrostatic actuator 3 and the anchor region of the fixed electrode 2, respectively, are formed from a compressed film of indium arsenide of the second type of conductivity, and the surfaces adjacent to the contact region the movable electrode 10 (i.e., the inner surface of the elastic suspension), the contact region of the electrostatic actuator 9, and the contact region of the stationary electrode 8 are formed from a stretched film of gallium arsenide of the second type of conductivity.

Работает устройство следующим образом. При подаче положительного напряжения питания на неподвижный электрод 12 относительно подвижного электрода 16 (а соответственно и относительно контакта к подвижному электроду 14) вследствие малости разделяющего их пространственного зазора электроны туннелируют из области подвижного электрода 16 в область неподвижного электрода 12 сквозь потенциальный барьер, образованный пространственным зазорам, и создают туннельный ток, величина которого определяется составляющей линейного ускорения в направлении оси, перпендикулярной плоскости полуизолирующей подложки.The device operates as follows. When a positive supply voltage is applied to the fixed electrode 12 relative to the movable electrode 16 (and, accordingly, relative to the contact to the movable electrode 14), due to the small spatial gap separating them, the electrons tunnel from the region of the movable electrode 16 to the region of the stationary electrode 12 through the potential barrier formed by the spatial gaps, and create a tunneling current, the value of which is determined by the linear acceleration component in the direction of the axis perpendicular to the plane of the floor an insulating substrate.

При возникновении ускорения полуизолирующей подложки 1 в направлении, совпадающем с отрицательным направлением оси, перпендикулярной плоскости полуизолирующей подложки, инерционная масса 11 с закрепленным на ней подвижным электродом 16 под действием сил инерции перемещается в противоположном направлении, инициируя упругую деформацию соединенного с ней несущего упругого подвеса 7 в области сегмента цилиндрической оболочки. Значение силы туннельного тока, протекающего между подвижным электродом 16 и неподвижным электродом 12, уменьшается вследствие увеличения пространственного зазора между электродами 16 и 12.When acceleration of the semi-insulating substrate 1 occurs in the direction coinciding with the negative direction of the axis perpendicular to the plane of the semi-insulating substrate, the inertial mass 11 with the movable electrode 16 mounted on it under the action of inertia forces moves in the opposite direction, initiating elastic deformation of the supporting elastic suspension 7 connected to it in area of the segment of the cylindrical shell. The value of the strength of the tunneling current flowing between the movable electrode 16 and the stationary electrode 12 decreases due to an increase in the spatial gap between the electrodes 16 and 12.

При возникновении ускорения полуизолирующей подложки 1 в направлении, совпадающем с положительным направлением оси, перпендикулярной плоскости полуизолирующей подложки, инерционная масса 11 с закрепленным на ней подвижным электродом 16 под действием сил инерции перемещается в противоположном направлении, инициируя упругую деформацию соединенного с ней несущего упругого подвеса 7 в области сегмента цилиндрической оболочки. Значение силы туннельного тока, протекающего между подвижным электродом 16 и неподвижным электродом 12, увеличивается вследствие уменьшения пространственного зазора между электродами 16 и 12.When acceleration of the semi-insulating substrate 1 occurs in the direction coinciding with the positive direction of the axis perpendicular to the plane of the semi-insulating substrate, the inertial mass 11 with the movable electrode 16 fixed thereon under the action of inertia forces moves in the opposite direction, initiating elastic deformation of the supporting elastic suspension 7 connected to it in area of the segment of the cylindrical shell. The value of the strength of the tunneling current flowing between the movable electrode 16 and the stationary electrode 12 increases due to a decrease in the spatial gap between the electrodes 16 and 12.

При подаче напряжения на неподвижный электрод электростатического актюатора 12 относительно подвижного электрода электростатического актюатора 15 можно добиться взаимного притяжения или отталкивания подвижных и неподвижных электродов за счет возникновения электростатических сил, что позволяет варьировать величину пространственного зазора между электродами 16 и 12. Таким образом, изменяя режимы подачи напряжения на электроды 16 и 12, можно как осуществлять калибровку прибора в процессе эксплуатации, так и проводить его самотестирование. Режимы при этом будут определяться применяемыми схемами управления электростатическим актюатором и обработки сигналов акселерометра.When applying voltage to the fixed electrode of the electrostatic actuator 12 relative to the moving electrode of the electrostatic actuator 15, it is possible to achieve mutual attraction or repulsion of the movable and fixed electrodes due to the emergence of electrostatic forces, which allows you to vary the spatial gap between the electrodes 16 and 12. Thus, changing the voltage supply on the electrodes 16 and 12, you can both calibrate the device during operation, and conduct its self-test. The modes in this case will be determined by the applied circuits for controlling the electrostatic actuator and processing the accelerometer signals.

Таким образом, предлагаемое устройство представляет собой интегральный микромеханический туннельный акселерометр, обеспечивающий за счет эффекта туннелирования носителей заряда между подвижным и неподвижным электродами высокую чувствительность измерения составляющей линейного ускорения в направлении оси, перпендикулярной плоскости полуизолирующей подложки, а также возможность интегральной реализации в наномасштабе.Thus, the proposed device is an integrated micromechanical tunnel accelerometer, which, due to the tunneling effect of charge carriers between the movable and fixed electrodes, provides high sensitivity for measuring the linear acceleration component in the direction of the axis perpendicular to the plane of the semi-insulating substrate, as well as the possibility of integrated implementation in the nanoscale.

Claims (2)

1. Интегральный микромеханический туннельный акселерометр, содержащий полуизолирующую подложку, преобразователь перемещений, инерционную массу, основание неподвижного электрода, якорную область подвижного электрода, неподвижный электрод, подвижный электрод, отличающийся тем, что в него введены основание электростатического актюатора, технологический слой в области неподвижного электрода, технологический слой в области электростатического актюатора, несущий упругий подвес, контактная область неподвижного электрода, контактная область электростатического актюатора, контактная область подвижного электрода, неподвижный электрод электростатического актюатора, контакт к подвижному электроду, подвижный электрод электростатического актюатора, причем преобразователь перемещения представляет собой туннельный контакт, образованный неподвижным электродом, примыкающим к контактной области неподвижного электрода, расположенной на технологическом слое в области неподвижного электрода, который примыкает к основанию неподвижного электрода, жестко закрепленному на полуизолирующей подложке, и подвижным электродом, примыкающим к инерционной массе, на которой расположен подвижный электрод электростатического актюатора, и которая примыкает к несущему упругому подвесу; упругий подвес имеет J-образную форму и представляет собой сегмент цилиндрической оболочки, примыкающий одним концом к контактной области подвижного электрода, контакту подвижного электрода и к якорной области подвижного электрода, жестко закрепленный относительно полуизолирующей подложки, а вторым концом примыкающий к инерционной массе; электростатический актюатор образован неподвижным электродом электростатического актюатора, примыкающим к контактной области электростатического актюатора, расположенной на технологическом слое в области электростатического актюатора, который примыкает к якорной области электростатического актюатора, жестко закрепленной на полуизолирующей подложке, и подвижным электродом электростатического актюатора, примыкающим к инерционной массе.1. An integrated micromechanical tunnel accelerometer containing a semi-insulating substrate, a displacement transducer, an inertial mass, a fixed electrode base, an anchor region of a movable electrode, a fixed electrode, a movable electrode, characterized in that an electrostatic actuator base is inserted into it, a technological layer in the region of the fixed electrode, technological layer in the area of the electrostatic actuator, carrying an elastic suspension, the contact region of the fixed electrode, the contact region These are the electrostatic actuator, the contact region of the movable electrode, the stationary electrode of the electrostatic actuator, the contact to the movable electrode, the movable electrode of the electrostatic actuator, and the displacement transducer is a tunnel contact formed by the stationary electrode adjacent to the contact region of the stationary electrode located on the technological layer in the region of the stationary electrode, which is adjacent to the base of the fixed electrode, rigidly fixed to louisolating substrate, and a movable electrode adjacent to the inertial mass on which the movable electrode of the electrostatic actuator is located, and which is adjacent to the bearing elastic suspension; the elastic suspension has a J-shape and represents a segment of a cylindrical shell adjacent at one end to the contact region of the movable electrode, the contact of the movable electrode and the anchor region of the movable electrode, rigidly fixed relative to the semi-insulating substrate, and adjacent to the inertial mass with the second end; The electrostatic actuator is formed by the fixed electrode of the electrostatic actuator adjacent to the contact area of the electrostatic actuator located on the technological layer in the area of the electrostatic actuator, which is adjacent to the anchor region of the electrostatic actuator, rigidly fixed to the insulating substrate, and the movable electrode of the electrostatic actuator adjacent to the mass. 2. Интегральный микромеханический туннельный акселерометр по п. 1, отличающийся тем, что несущий упругий подвес, технологический слой в области электростатического актюатора и технологический слой в области неподвижного контакта выполнены из двухслойного материала таким образом, что поверхности, примыкающие к якорной области подвижного электрода, якорной области электростатического актюатора и якорной области неподвижного электрода, соответственно сформированы из сжатой пленки арсенида индия второго типа проводимости, а поверхности, примыкающие к контактной области подвижного электрода, контактной области электростатического актюатора и контактной области неподвижного электрода, сформированы из растянутой пленки арсенида галлия второго типа проводимости.2. The integrated micromechanical tunnel accelerometer according to claim 1, characterized in that the supporting elastic suspension, the technological layer in the area of the electrostatic actuator, and the technological layer in the area of fixed contact are made of a two-layer material so that the surfaces adjacent to the anchor region of the movable electrode, the anchor areas of the electrostatic actuator and the anchor region of the fixed electrode, respectively, are formed from a compressed film of indium arsenide of the second type of conductivity, and the surface Adjacent to the contact area of the movable electrode, the contact area of the electrostatic actuator and the stationary electrode contact region are formed of gallium arsenide stretched film of the second conductivity type.
RU2017129860A 2017-08-23 2017-08-23 Integrated micro-mechanical tunnel accelerometer RU2660412C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2017129860A RU2660412C1 (en) 2017-08-23 2017-08-23 Integrated micro-mechanical tunnel accelerometer

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2017129860A RU2660412C1 (en) 2017-08-23 2017-08-23 Integrated micro-mechanical tunnel accelerometer

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2660412C1 true RU2660412C1 (en) 2018-07-06

Family

ID=62815656

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2017129860A RU2660412C1 (en) 2017-08-23 2017-08-23 Integrated micro-mechanical tunnel accelerometer

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2660412C1 (en)

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5877421A (en) * 1995-02-23 1999-03-02 Siemens Aktiengesellschaft Acceleration sensor
US6170332B1 (en) * 1993-05-26 2001-01-09 Cornell Research Foundation, Inc. Micromechanical accelerometer for automotive applications
RU2390031C1 (en) * 2009-02-24 2010-05-20 Федеральное государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Сибирский федеральный университет" (СФУ) Integrated micromechanical field emission accelerator
RU2415443C1 (en) * 2009-12-04 2011-03-27 Федеральное государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "ЮЖНЫЙ ФЕДЕРАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ" (ЮФУ) Multi-axial integral micromechanical tunnel-type accelerometre
RU2597953C1 (en) * 2015-06-30 2016-09-20 федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Южный федеральный университет" (Южный федеральный университет) Integral micromechanical gyroscope-accelerometer

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6170332B1 (en) * 1993-05-26 2001-01-09 Cornell Research Foundation, Inc. Micromechanical accelerometer for automotive applications
US5877421A (en) * 1995-02-23 1999-03-02 Siemens Aktiengesellschaft Acceleration sensor
RU2390031C1 (en) * 2009-02-24 2010-05-20 Федеральное государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Сибирский федеральный университет" (СФУ) Integrated micromechanical field emission accelerator
RU2415443C1 (en) * 2009-12-04 2011-03-27 Федеральное государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "ЮЖНЫЙ ФЕДЕРАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ" (ЮФУ) Multi-axial integral micromechanical tunnel-type accelerometre
RU2597953C1 (en) * 2015-06-30 2016-09-20 федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Южный федеральный университет" (Южный федеральный университет) Integral micromechanical gyroscope-accelerometer

Similar Documents

Publication Publication Date Title
EP1564182A1 (en) Miniature relay and corresponding uses thereof
JP2003052163A (en) Use of standoff for protecting atomic resolution storage mover for out-of plane motion
US20060291129A1 (en) Electrostatic actuator, device comprising such actuators, microsystem comprising such a device and method for making such an actuator
US7916879B2 (en) Electrostatic acoustic transducer based on rolling contact micro actuator
EP3232559A1 (en) Vibration power generation element
US10858242B2 (en) MEMS or NEMS device with stacked stop element
US20210198096A1 (en) Enhanced control of shuttle mass motion in mems devices
Zhanwen et al. A novel MEMS omnidirectional inertial switch with flexible electrodes
US11186478B2 (en) MEMS and method of manufacturing the same
KR101766482B1 (en) Switch structures
US20130111992A1 (en) Proof mass positioning features having tangential contact surfaces
Kumar et al. Ultra-low power digitally operated tunable MEMS accelerometer
RU2660412C1 (en) Integrated micro-mechanical tunnel accelerometer
Cai et al. Design, simulation and fabrication of a novel contact-enhanced MEMS inertial switch with a movable contact point
US7999201B2 (en) MEMS G-switch device
US6307298B1 (en) Actuator and method of manufacture
Kumar et al. Single-mask field emission based tunable MEMS tunneling accelerometer
Jungmann et al. Violation of triboelectric charge conservation on colliding particles
RU2716869C1 (en) Integrated micromechanical gyroscope-accelerometer
Kim et al. MEMS acceleration switch capable of increasing threshold acceleration
RU2390031C1 (en) Integrated micromechanical field emission accelerator
RU2597951C1 (en) Integral tunnel accelerometer
Naumann et al. The effect of multi-directional stimuli on the stiction-induced failure behavior of MEMS
Yamane et al. A design of spring constant arranged for MEMS accelerometer by multi-layer metal technology
RU2415443C1 (en) Multi-axial integral micromechanical tunnel-type accelerometre

Legal Events

Date Code Title Description
MM4A The patent is invalid due to non-payment of fees

Effective date: 20190824