Автоемісійний чутливий елемент акселерометра

Автоемісійний чутливий елемент акселерометра, який складається із напівпровідникової підк 3 ється як зміна ємності конденсаторного акселерометра [Yu H.G. et. all. Lead zirconate titanate MEMS accelerometer using interdigitated electrodes // Sensors and Actuators A:Physical. - Vol. 107. - Issue 1.2003. - P. 26035]. Однак такий тип конструкції акселерометрів передбачає складність визначення деформацій в конструкції акселерометра, а також ємності чи її зміни, високу інерційність та невисоку стабільність параметрів, яка залежить як від середовища, так і матеріалу діелектрика, в якому знаходяться гребінчасті електроди, що впливає на чутливість приладу. В основу корисної моделі поставлена задача за рахунок створення нового конструктивного виконання автоемісійного чутливого елемента акселерометра покращити параметри чутливості. Поставлена задача вирішується тим, що в автоемісійному чутливому елементі акселерометра, який складається із напівпровідникової підкладки, що являє собою перший електрод, на яку послідовно нанесені діелектрична плівка з витравленою ділянкою, електропровідна плівка, що являє собою другий електрод, згідно з корисною моделлю, перший електрод, другий електрод, основою якого є структура "кремній-на-ізоляторі", виготовлені у формі загострених вістер, які розміщені один навпроти одного над та під витравленою ділянкою діелектричної плівки. Для фіксації переміщень автоемісійним чутливим елементом акселерометра реєструють зміну величини емісійного струму між першим та другим електродами, які конструктивно є електрично ізольованими між собою. При подачі напруги на електроди між ними протікає автоемісійний струм, який, суттєво, на порядки, змінюється при незначних, в межах десятих частин мікрометра, змінах (переміщеннях) положення вістря другого електрода відносно вістря першого електрода. Виготовлення автоемісійного чутливого елемента акселерометра на основі структур "кремнійна-ізоляторі" дасть змогу отримувати як дискретні прилади, так і зінтегровані, зокрема мікросистемина-кристалі, з інтеграцією чутливих елементів зі схемами обробки інформації на одному кристалі в єдиному технологічному циклі груповими методами. В результаті проведених розрахунків зміни величин автоемісійних струмів, досліджень і комп'ютерного моделювання розподілу густини електричних полів і напруженостей в залежності від положення другого електрода відносно нерухомого електрода встановлено, що запропонована конструкція автоемісійного чутливого елемента акселерометра має надвисоку чутливість до переміщень, а його надмалі габарити забезпечують малу інерційність і водночас високу швидкодію, а фіксація змін емісійного струму суттєво зменшує його чутливість до впливу умов зовнішнього середовища, зокрема електромагнітних полів на параметри акселерометра. На фіг. 1 зображено автоемісійний чутливий елемент акселерометра (поперечний переріз), на фіг. 2 - розподіл ліній електричного поля без зміщення другого електрода відносно першого елект 62951 4 рода, на фіг. 3 - вплив зміщення другого електрода на зміну густини ліній електричного поля, де 1 перший електрод (нерухомий), 2 - діелектрична плівка у вигляді окислу кремнію; 3 - другий електрод (рухома сейсмічна маса); 4 - порожнина; 5 лінії електричного поля. Автоемісійний чутливий елемент акселерометра складається із напівпровідникової підкладки, що являє собою перший електрод 1, на яку послідовно нанесені діелектрична плівка 2 з витравленою ділянкою 4, електропровідна плівка, що являє собою другий електрод 3. Перший нерухомий електрод 1, діелектрична плівка 2 і другий рухомий електрод 3 утворюють структуру "кремній-наізоляторі". Для другого рухомого електрода 3 ізолятором є діелектрична плівка 2 у вигляді окислу кремнію. Одночасно, між сейсмічною масою другого електрода 3 (вістря) та першим нерухомим електродом 1 ізолятором є порожнина 4. Для цієї частини чутливого елемента має місце структура "кремній-на-нічому" (кремній-над-порожниною). На фіг. 2 і 3 вказані реальні розміри чутливого елемента по горизонтальній і вертикальних осях X і Y в мікрометрах. Автоемісійний чутливий елемент акселерометра функціонує наступним чином. При подачі різниці потенціалів між рухомою сейсмічною масою другого електрода 3 і першим нерухомим електродом 1 протікає початковий струм автоемісії (фіг. 2). При зміщенні рухомої сейсмічної маси другого електрода 3 (фіг. 3) збільшується відстань між вістрями, в результаті цього зменшується напруженість електричного поля у порожнині 4 і, відповідно, струм автоемісії, який реєструється вимірювальними приладом, або схемою фіксації. При різниці потенціалів 1000 В між електродами 1 і 3, радіусі кривизни вістря електродів 5 нм розраховані значення напруженості електричного поля, автоемісійного струму, при заданих зміщеннях рухомого елемента сейсмічної маси, і наведені в табл. Таблиця Струм автоемісії при зміщеннях рухомого електрода Зміщення, мкм 0 0,2 0,4 Напруженість поля, Струм автоеміВ/см сії, А 7 6 4,6 × 10 1,5 × 107 7 4,2 × 10 3,2 × 107 8 3,8 × 10 7,2 × 10 Враховуючи сильну залежність автоемісійного струму від величини переміщення, про що свідчать результати, наведені в таблиці, та дуже малу інерційність сейсмічної маси, запропоновані елементи можуть бути основою для створення надчутливих елементів автоемісійних чутливих елементів акселерометрів з реєстрацією змін емісійних струмів як в дискретному виконанні, так і для створення інтелектуальних елементів акселерометрів в складі мікросистем-на-кристалі. Технологія виготовлення пропонованого елемента базується на комбінованих методах форму 5 вання тривимірних КНІ-структур на основі сучасних КМОН-процесів і базових технологічних операцій фотолітографії, локального термічного окислення, маскування, ізотропного та анізотропного плазмохімічного травлень для отримання профілю автоемісійного чутливого елемента акселерометра. Це дозволяє створити як рухому сейсмічну масу електрода 3, так і нерухомий електрод 1 з профілями у формі загострених вістер. Сумісність технології формування електродів з промисловими КМОН-процесами інтегральних схем є суттєвою перевагою такої технології. Окрім цього, автоемісійні чутливі елементи акселерометра з тривимірними КНІ-структурами не мають деструктивних порушень поверхні, а їх властивості є такими ж, як у вихідній кремнієвій пластині. Одночасно із формуванням рухомого 3 і нерухомого електродів 1 на основі локальних тривимірних КНІструктур, за заданою топологією формують структури типу "кремній-на-нічому", в яких забезпечується переміщення електрода сейсмічної маси 3 Комп’ютерна верстка Г. Паяльніков 62951 6 відносно нерухомого електрода 1 (фіг. 1), при цьому одночасно з електродами в єдиному циклі формують високоякісну міжелектродну окисну ізоляцію 2, на якій розташовано електрод 3 (фіг. 1). Цей конструктивний ізоляційний шар автоемісійного чутливого елемента акселерометра витримує напруженості електричного поля до 1000 В/мкм, тому є придатним для високовольтних використань в пристроях та зінтегрованих мікросистемахна-кристалі. Отже, запропонована конструкція чутливого елемента акселерометра дозволяє підвищити параметри чутливості, стійкості до зовнішніх впливів електромагнітних полів, забезпечити його малоінерційність, є придатною для створення як дискретних, так і мікросистемних пристроїв. Може мати застосування як у промисловості, так і в науково-дослідних роботах, особливо, зі створення і експлуатації пристроїв реєстрації прискорень в умовах високого вакууму, наприклад в аерокосмічних застосуваннях. Підписне Тираж 23 прим. Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601