SE462997B - Accelerometer - Google Patents

Description

462 097 2 Accelerometern enligt uppfinningen innefattar en kritisk, cen- tral tröghetsmassa utformad från ett halvledarsubstrat, såsom kisel, som kan vara dopat för att alstra ledande organ där så behövs. Tröghetsmassan är fäst vid substratet genom leder, vilka alla är bildade genom anisotrop etsning av det enkris- tallina kislet. Lederna förbinder tröghetsmassan till substra- tet med ett fribärande arrangemang.

Den fribärande förbindningen av massan åstadkommas företrädes- vis genom leder bildade av flexibla blad. som korsar varandra.

Bladen är bildade av V-formade spår etsade i motsatta ytor på halvledarsubstratet under kvarlämning av ett tunt, vinklat blad av kisel. som förbinder tröghetsmassan till substratet.

Ett andra korsande flexibelt blad är bildat av likadana spår förskjutna från den första uppsättningen spår med approxima- tivt en halv spårbredd. Den andra uppsättningen spår är om- vänd. Det resulterande. lutande. tunna flexibla bladet är sålunda orienterat med en motsatt lutning mot dess motpart.

P.g.a. förskjutningen och omvändningen korsar de båda flexibla bladen varandra vid deras mittre delar för att åstadkomma hög vrídeftergivlighet omkring en axel parallell med kiselsubstra- tets plan under åstadkommande av hög styvhet för vridning eller förflyttning i andra riktningar.

En accelerometer med sluten slinga tillgänglig för tillverk- ning medelst välkända halvledartillverkningsmetoder inne- fattande exempelvis fotolitografisk och differentiell etsning ger många fördelar inklusive tät toleransstyrning och möjlig- het att integrera all eller del av accelerometerelektroniken i ett enda gemensamt substrat med relativt obetydlig storlek. vidare kan mikrodatorstyrning användas på en dylik accelero- meter vilket tillåter användaren att skräddarsy och kalibrera anordningen för dennes specifika tillämpning.

Uppfinningen beskrivs närmare nedan under hänvisning till de bifogade ritningarna, där fig. 1 är en genombruten perspektivvy och visar en integrerad kraftbalanserad accelerometer monterad i ett typiskt hölje för användning i ett system; 3 462 997 fig. 2 visar en sprängvy och visar ett enda accelerometerchip tillverkat av kisel- och pyrexbríckor; fig. 3 är en planvy av tröghetsmassa- och korsstavböjningsupp- hängningen enligt uppfinningen; fig. 4 visar ett tvärsnitt längs linjen 4-4 i fig. 3: fig. 5 visar en perspektivvy och visar monteringen av de kor- sande stavböjningsbladen och den utskjutande monteringen av tröghetsmassan enligt uppfinningen i en något annorlunda kon- figuration: och fig. 6 visar ett elektriskt kopplingsschema av den integrerade kraftbalanserade accelerometern enligt uppfinningen.

Fig. 1 visar i bruten perspektivvy en integrerad och kraft- balanserad accelerometer 10 monterad i ett hölje 12. Höljet 12 har fyra sidoväggar 14 med två monteringstungor 16 utskjutande från två motsatta sidoväggar. Elektriska kontakter 18 är in- satta i de två återstående motsatta väggarna för att ge elek- trisk anslutning till den kraftbalanserade accelerometern 10.

Separata hybridkretsar bildar en förstärkare 10 och en kompen- sationskrets 22 monterade 1 höljet 12.

Såsom bäst framgår av fig. 2 innefattar den kraftbalanserade accelerometern ett halvledarsubstrat 24, som kan tillverkas av kisel placerat som sandwichelement mellan ett par icke ledande isolerande skikt 26 och 28 utformade av pyrex eller annat lämpligt dielektriskt material. Den visade integrerade, kraft- balanserade accelerometern kan tillverkas genom kända aniso- tropiska etsningsmetoder. Tillverkning av systemet förenklas vidare av dess lätta anpassning till kända tillverkninqsmeto- der för integrerade kretsar, vilka medger bildande av sensor- -driv- och databehandlingselektronik, såsom en accelerometer- återföringsförstärkare (ARA) 30 på halvledarsubstratets 24 yta.

Accelerometern 10 innefattar en tröghetsmassa 32, som avkänner accelerationer normalt mot substratets 24 plan. Massan 32 _innefattar en första ledande yta 34, som bildar en kapacitiv upptagning i samband med en ledande yta 36 bildad på den undre ytan av det övre, isolerade substratet 28. 1362 997 Såsom framgår av fig. 2 är tröghetsmassan 32 fribärande med en enkel banliknande led 38. Denna led 38 kan bildas medelst den anisotropiska etsningen av halvledarsubstratets 24 båda sidor.

En liknande metod kan användas för att göra tröghetsmassan 32 fri från substratet 24. Alternativa utföringsformer av leden 38 visas mera detaljerat i anslutning till fig. 3 - 5. Sub- stratets 24 yta kan dopas eller metalliseras för att bilda en ledande bana mellan förstärkaren 30 och den ledande ytan 34.

På motsatta sidan av tröghetsmassan 32 ligger en andra ledande yta 34, visad i fig. 4, i angränsning till en ledande yta 40 på det undre, icke ledande substratet 26.

Såsom inses lätt alstrar matningen av en elektrisk potential av ARA 30 till den ledande ytan 34 mellan de ledande ytorna 36 och 40 på de isolerande skikten 28 resp. 26 ett förspännings- fält. Detta fält tjänar till att bringa tröghetsmassan 32. som innefattar de ledande ytorna 34, mot ett "noll"-läge eller neutralt läge. Det bör observeras att accelerationer hos en kropp fäst vid accelerometern 10 får tröghetsmassan 32 att förskjutas fysiskt, vilket ger obalans åt den kapacítans- brygga, som bildas delvis av plattorna 36 och 40 och de ledan- de ytorna 34 och som genererar en elektrisk utsignal till ARA 30. Det ovan angivna systemet åstadkommer en styrarbetsmod med återkoppling i sluten slinga, vilken arbetsmod upprätt- håller tröghetsmassans rörelseområde inom ett extremt begrän- sat fysiskt utrymme.

I fig. 3 och 4 visas en andra typ av led 39, som i den före- dragna utföringsformen är bildad av korsande blad 42. Bladen 42 är bildade genom anisotrop etsning av enkristallint kisel.

Kislet är orienterat såsom en (l.0.0)- -kiselbricka och maske- rat för etsning, vilken ger ett V-format spår 44 i både den övre och den undre ytan på substratet 24. vid betraktande av den led, som visas utmed linjen 4-4 i fig. 3 i fig. 4 framgår det att det övre spåret 44 är förskjutet åt vänster i för- hållande till det undre spåret 44. Efter det att det anisotro- pa.etsmedlet etsar bort kislet är det tunna bladet 42, som finns kvar mellan spåren 44, orienterat med en vinkel med en 5 462 997 positiv lutning mot det halvledande substratets 24 plan. Det andra flexibla bladet 42' bildas genom en likadan uppsättning av V-formade spår 44, som är orienterade på motsatta sidor av substratet 24 för att bilda ett blad 42'. som är anordnad med approximativt 70° mot det första bladet 42 och har sitt cen- trum inriktat med det första bladets centrum. Sålunda bildas de korsande flexibla bladen. Såsom framgår av fig. 3 inne- fattar de flexibla bladen 42 och 42' två par av korsande flexibla blad 39. Undet etsning av bladen är substratet 24 maskerat för att etsa periferin 46 av tröghetsmassan 32.

Tröghetsmassan 32 och bladen 42 och 42' är dopade med t.ex. bor för att åstadkomma ledande ytor. Denna dopning kan fort- sättas över substratets 24 yta till en kontaktkudde 48, fig. 3. Det dopade området etsar med en hastighet, som är sig- nifikant lägre än de odopade områdena. Därför kan djupet hos det dopade området användas för att styra tjockleken hos de korsande flexibla bladen. Dessa ledande ytor kan följaktligen formas genom metalliseringsmetoder av samma slag som de meto- der. som används för att placera de ledande ytorna 36 och 40 på substrat 28 resp. 26. Under användning av denna metod görs elektriska förbindningar mellan de ledande ytorna 36 och 40 och kontaktkuddar 50 och 52 på substrat 26 resp. 28.

I den föredragna utföringsformen är det önskvärt att bortta överskottskisel från halvledarsubstratet, vilket bildar trög- hetsmassan 32, för att lätta denna massa. En metod för att borttaga detta material är att etsa våffelliknande fördjup- ningar 54 i motsatta ytor av substratet 24. Ett centralt hål 56 är också etsat i massan 32 för att balansera kapacitansen på ytorna 34 och för att hålla massans tyngdkraftscentrum vid dess fysiska centrum. Det bör observeras att tröghetsmassans 32 massa bör hållas liten för att ge så stor area/massa-för- hållande som möjligt.

En illustration av tröghetsmassan 32 uppburen av korsande flexibla bladleder 39 från substratet 24 visas i fig. 5. Man ser här att ändamålsenlig etsning av de V-formade spåren 44 462 997 åstadkommer tvâ par av korsande blad 42 och 42', vilkas centra sammanfaller utmed en gemensam linje. som ligger i ett plan innefattande tyngdpunktscentrumet och parallellt med substra- tets 24 plan.

Notera att det i fig. 5 visade ledarrangemanget är annorlunda beträffande sin orientering än vad som visas i fig. 3 i det att centrumavstånden år större i fig. 5. Uppenbarligen är andra variationer möjliga inom uppfinningens ram. Tillverk- ningen av kiselstrukturen kan utföras av företag, som är spe- cialiserade på tillverkning av miniatyriserade, komplext for- made kiselstrukturer. Dylika företag är bl.a. Transensory Devices, Inc.. Fremont, California och Díelectric Semi- conductor, Santa Clara. California.

I fig. 6 visas ett typiskt kretsarrangemang, som kan användas med den kraftbalanserade accelerometern 10. Denna krets är byggd omkring en accelerometer-återställningsförstärkare (ARA) 30, vars utgång är kopplad till en utgångsklämma 61 och via en återkopplingsslinga till kontaktkudden 48, som i sin tur förbinder de ledande ytorna 34 hos tröghetsmassan 32 pla- cerad mellan den övre, ledande elektroden 36 och den undre elektroden 40. Elektroderna 36 och 40 är medelst blockeringa- kondensatorer 64 och 66 kopplade till förstârkarens 30 in- gângsklämmor. Kontaktkudden 52 är kopplad till en knutpunkt 68 och därigenom till elektroden 36. På samma sätt är kontakt- kudden 50 på det undre substratet 26 via en knutpunkt 70 an- sluten till elektroden 40. Mellan knutpunkterna 68 och 70 är ett par kondensatorer 72 och 74 kopplade. vilkas hopkopplade elektroder är anslutna till en växelspänningskälla 76, såsom en källa med 50 kHz, som bildar kapacitansupptagníngsbryggan.

Anslutningsklämmorna 50 och 52 är en likspänning på -15 V resp. på +15 V.

I drift får en uppâtgående förskjutning av tröghetsmassan 32 växelspänningen att minska över elektroden 36 och öka över elektroden 40. Denna växelspänningsåndring-matas till ingången- på förstärkaren 30, som genererar en återkopplingssignal, som 7 f - ~ 462 997 matas till anslutningsklämman 48 i syfte att få tröghetsmassan 32 att återföra accelerometern till ett balanserat tillstånd eller "noll"-tillstånd. Utsignalen från förstärkaren 30 upp- träder också såsom accelerometerns informationsutsignal för ändamålsenlig systemanvändning vid anslutningsklämman 61.

Fastän den föredragna utföringsformen har beskrivits innefatta en banliknande led 38 eller en led 39 med korsande flexibla blad är det uppenbart att andra utföringsformer av uppfinning- en är möjliga. Följaktligen bör uppfinningen begränsas enbart av de bifogade kraven.

Claims (8)

10 15 20 25 30 462-997 s Patentkrav

1. Accelerometer innefattande en accelerationskänslig massa (32), ett första och ett andra substrat (26, 28) monterade på motsatta sidor om den accelerationskänsliga massan (32). där var och en har en ledande yta (40. 36) näraliggande den acce- 'lerationskänsliga massan (32) och en anordning (fig. 6) för att tillföra en elektrisk likspänníng mellan den accelera- tionskänsliga massan (32) och de ledande ytorna (40. 36) på det första och det andra substratet, k ä n n e t e c k n a d av ett tredje plant substrat (24) av halvledande material med en öppning (46) i detta, vilken öppning definierar periferin av den accelerationskänsliga massan (32): att den accelera- tionskänsliga massan är kopplad till det tredje substratet (24) med ett flertal flexibla blad (42, 42'), som korsar var- andra: och att en anordning (30) är bildad i halvledarmateria- let i det tredje plana substratet (24) för att koppla nämnda elektriska likspänning till de accelerationskänsliga massan (32).

2. Acceleromter enligt krav 1, k ä n n e t e c k n a d av att den i halvledarmaterialet bildade anordningen (30) vidare innefattar en elektronisk anordning. som är känslig för acce- lerometerns utsignal.

3. Acceleromter enligt krav l. k ä n n e t e c k n a d av att de korsande flexibla bladen åstadkommer en fribärande böj- ning i en riktning och styvhet i alla andra riktningar.

4. Acceleromter enligt krav 1. k ä n n e t e c k n a d av att de korsande flexibla bladen är bildade i par, där varje .blad är bildat av tvâ V-formade spår i motsatta sidor av halv- ledarsubstratet, vilket bildar ett blad med en vinkel mot sub- stratets plan, där varje blad i paret har en motsatt vinkel mot det andra. 10 15 20 Åíñ Q" O¿. J/ 9 v wö

5. Accelerometer enligt krav 1, k ä n n e t e c k n a d av att den accelerationskänsliga massan (32) har ett våffellik- nande mönster för att alstra ett stort ytarea/massa-för- hållande.

6. Accelerometer enligt krav 1, k ä n n e t e c k n a d av att det första och det andra substratet (26,28) är bildade av oledande material.

7. Acceleromter enligt något av föregående krav, k ä n n e - t e c k n a d av att den accelerationskänsliga massan (32) är bildad i det tredje substratet av halvledarmaterial (24) genom dopning av materialet för att bli ledande, och att det första och det andra plana substratet (26, 28) är bildade av ett par isolerade plattor, som är monterade på motsatta sidor om halv- ledarmaterialet och har elektriskt ledande kuddar (40, 36) placerade på den i angränsníng till den accelerationskänsliga massan (32).

8. Accelerometer enligt något av föregående krav, där de kor- sade flexibla bladen är bildade genom anisotrop etsning av en enda kristall, som bildar substratet av halvledarmateríal.