Трикомпонентний аналоговий акселерометр вектора лінійного прискорення з електромеханічним захистом від кутових прискорень

Реферат: UA 92733 U UA 92733 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Корисна модель належить до інтегральної електроніки та вимірювальної техніки, що пов'язні з успіхами в мікроелектроніці та з новими формотворними технологіями. У монографії (В.И. Ваганов Интегральные тензопреобразователи. М.:Энергоатомиздат, 1983. - 136 с.) проведено докладний науково-технічний аналіз напрямків, за більш ніж двадцятирічний період. Фізичні та у першу чергу електромеханічні експерименти були присвячені вивченню напівпровідникових матеріалів германію і кремнію та їх прикладному застосуванню, за рахунок фізичних ефектів, які для них характерні. За рахунок тензоефекту у монокристалічному кремнії можливо отримати сенсори фізичних та механічних величин, серед них були і акселерометри. Тензоефект в монокристалічному кремнії має більшу величину коефіцієнта тензочутливості К. Він для сильно легованого кремнію р-типу, у кристалографічних напрямках [111] К = +120 та більше, при цьому має фіксовані простори, але не ортогональні, чотири кристалографічних напрямки. При зростанні механічних навантаженнях розтягнення, коефіцієнт К зростає. У напрямках [110] існує тензоефект, але при меншому К = +7080, і вони мають тільки два ортогональні напрямки. Такі монокристали вирощують промисловістю в меншому обсязі. Крім того, кристалографічна площина (110) являє собою просторову діагональ кубічного кристала і тому при анізотропному травленні інерційна маса має витягнуту форму, асиметричну у об'ємі. Для потреб електронної промисловості вирощують у широкому асортименті кремній n- та ртипів у кристалографічних напрямках [100]. У цих напрямках кремній n-типу має максимальний тензоефект з коефіцієнтом тензочутливості К = - 60100, але на відміну від р-типів, має негативну величину та всі три напрямки [100] взаємно ортогональні. У кремнії n-типу за строгою фізикою перенесення електронів, величини електричних опорів тензорезисторів спадають, вступає у протиріччя з геометричним тензоефектом, тому при великих статичних механічних навантаженнях розтягнення, чутливість сенсора знижується. Технологія мікроелектронних механічних систем (МЕМС) дозволяє виконувати функції сенсора, яка, в свою чергу, реєструє зовнішні механічні дії сил інерції або гравітації. Першими з'явилися інтегральні кремнієві сенсори консольного або балкового типу, коли енергія руху інерційної маси викликає деформацію балок із високомодульного але крихкого матеріалу з розвиненою поверхнею, кількість дефектів на якої пропорційна її площини. Корисний сигнал реєструють схеми на тензорезисторах, які інтегровані у кореневі частини балок. Так в однокомпонентному сенсорі (United States Patent: 4,488,455 Dec. 18, 1984.) з інерційною масою прямокутної форми, яка закріплена на двох балках, які паралельно максимально рознесені і закріплені на кутах маси. їх пружний згин реєструється двома мостами на тензорезисторах. При вимірюванні прискорення, при узгодженому по виходу послідовному електричному з'єднанні двох мостів, виникає пригнічення помилкового сигналу від впливу кутових прискорень при обертанні навколо повздовжньої та поперекової осей сенсора. Відомий також (United States Patent: 5,121,180 Jun. 9, 1992) однокомпонентний сенсор, але з двома каналами реєстрації: ємнісним і тензорезисторним вертикальної складової прискорення. Один із каналів працює за принципом зміни геометричної ємності, та у сучасних наноелектронних приладах вона дорівнює десяткам і навіть одиницями фемтофарад. Ці сенсори мають вузький робочий діапазон із за великого рівня шумів, оскільки саме ці джерела мають власний рівень Vшум = 1520 мкВ на один вольт змінної напруги. Цей канал вимірювання вертикальних переміщень виконаний на основі ємності з корпусом і двома обкладинками на поверхні інерційної маси, для компенсації перекосів інерційної маси під впливом кутових прискорень. Ця частина сенсора виконана за потенціометричного схемою при підключенні ланцюга зі змінним струмом і постійним резистором як навантаження. Слід зазначити, що коефіцієнт тензочутливості К цього каналу наближується до одиниці, і тому має меншу роздільну здатність з боку низьких сигналів. Другий канал реєстрації працює за принципом деформації чотирьох балок, згін яких вимірюється з допомогою восьми тензорезисторів. Особливу увагу приділено захисту від механічних руйнувань. Розвинена поверхня балок має велику кількість поверхневих дефектів, які являють собою центри концентрації механічних напруг, та можуть призвести до руйнування напружених елементів сенсора. Відомі дротяні тензорезистори, які позбавлені підкладки і закріплені без клейового зв'язуючого, вони мають мінімальні похибки (United States Patent: 5,005,413 Apr. 9, 1991). Інерційна маса зв'язана з масою пружним підвісом, сформованим за рахунок зменшення зворотної товщини підкладки, а тензорезистори кінцевими частинами закріплені над підвісом у проміжку між підставою і рухомий масою. Зони закріплення тензорезисторів мають омічні контакти та ізольовані р-n переходами і від підкладки і від рухомої маси. Таким чином, розміри рухомої маси і поперечні перерізи тензорезисторів можна вибирати під задану чутливість щодо 1 UA 92733 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 прискорення. Відсутність високомодульної підкладки при постійному поперечному перерізі тензорезисторів забезпечує рівномірний розподіл механічних напружень по їх довжині. Недоліком цієї конструкції є той факт, що при тому русі інерційної маси, коли тензорезистори піддають деформації стискання, то виникає загроза втрати осьової стійкості за Ейлером, що загрожує крихким, резонансним руйнування високомодульного але з високо добротного кремнію з низьким внутрішнім тертям пружності. Як найближчий аналог вибраний інтегральний сенсор (United States Patent: 4,969,359 Nov. 13, 1990.), в якому на одній підкладці розміщено три сенсори консольного типу з рознесеними в просторі інерційних масами. Ці маси переміщаються під дією сил інерції і деформують консолі з тензорезисторами в зонах максимальних механічних напруг. При стендових випробуваннях, коли почергово вектор лінійного прискорення діє в координатах сенсора Χ, Υ і Ζ по черзі трьом ортогональним напрямкам, калібрування виконують успішно. Але в тих випадках, коли окрім одного лінійного прискорення, діють і кутові прискорення, обертання яких може виконуватися по одній або декількох не співпадаючих осях, виникають методичні помилки, які не можливо усунути. Причини їх пов'язують з тим, що у трьох сенсорів центри ваги інерційних мас рознесені в просторі, ближче до кінцевих частин різних консолей, тензорезистори розміщують у невеликих зонах максимальних деформацій, які знаходяться в кореневих частинах консолей. При одночасному накладенні одного або декількох кутових прискорень у кожній з консолей виникають різні за сумарним внеском дії деформації кручення. Тензорезистори на консолях одночасно реєструють усі види деформацій і від лінійних та від одного або декількох кутових прискорень, з довільним просторовим вибором осей обертання та їх кутових частот. Тому їх похибку на виходах каналів реєстрації тензорезистори деформують усі види прискорень, їх опори, і тому в схемах реєстрації не можливо відділити компоненти вектора лінійного прискорення. Огляд наведений вище доповнено дослідженнями та розробками, які було виконано на кафедрі мікроелектроніки КПІ з датчиків фізичних величин (сенсорики) та, звичайно, засобів акселерометри ще до розробки інтегральної технології. В основу корисної моделі поставлена задача, що полягає у створенні трикомпонентного аналогового акселерометра вектора лінійного прискорення з електромеханічним захистом від кутових прискорень шляхом введення нових конструктивних елементів та використанням нового композитного матеріалу для його одержання. Поставлена задача вирішується тим, що трикомпонентний (Χ, Υ, Ζ,) аналоговий акселерометр вектора лінійного прискорення з електромеханічним захистом від кутових прискорень з трьома балками, ортогональна деформація яких реєструється тензорезисторами, що виконані за інтегральною технологією, балки і центри ваги їх інерційних мас рознесені в просторі, механічно об'єднані, але не інтегровані, згідно з корисною моделлю, кінематику акселерометра виконано як замкнену, механічну, обчислювальну систему, з однією центральною інерційною масою, закріпленою на восьми пружних підвісах-тензорезисторах, розтягнутих за рахунок ізолюючої прокладки необхідної товщини між силовими рамками, що складається з двох напівмас жорстко скріплених лицьовими поверхнями одна з одною, та розділяють тензорезистори на три диференційні пари, що включені у напівмостові схеми каналів реєстрації Χ, Υ, Ζ компонентів вектора лінійного прискорення; з центрів симетрії напівмас ортогонально по діагоналям зовнішніх силових рамок виходять по чотири тензорезистори, під робочими частинами яких усунуті ділянки підкладки, внутрішні розширені контакти тензорезисторів закріплені на напівмасах, а зовнішні розширені контакти закріплені в кутах цих рамок на протилежних ділянках підкладки р-типу і електрично ізольовані від них p-n переходами, включених у зворотному напрямку, причому інтегровані пари тензорезисторів виконані з ділянок монокристалу - кристалів кремнію, які мають попарно однакові геометрії та зазнають одночасного впливу. Величину розтягування задають технологічно в межах менше половини за межу міцності тензорезисторів та контролюють її за зміною опорів тензорезисторів тестових структур. Якщо ж центральну інерційну масу піддають дії одного або декількох кутових прискорень, осі обертання яких проходять через центр ваги цієї маси, то це викликає однакові синфазні зміни опорів всіх підвісів-тензорезисторів і на виходах напівмостових схем похибок не виникає. Виконання тензорезисторів з одного монокристалічного матеріалу, і розташованих у межах одного чипу за одною мультиплікативною інтегральною топологією, гарантує прецизійну ідентичність геометрії та параметрів тензорезисторів, як у середині однієї схеми, так і в межах всієї партії акселерометрів. При умові, що вектор лінійного прискорення буде збігатися за координатною віссю з одним із каналів реєстрації компонент X, Υ або Ζ, то сигнал буде максимальний. При умові, що вектор спрямований ортогонально до тієї ж осі, то сигнал у цьому каналі буде активно пригнічений, баланс схеми не порушується. При дії кутових прискорень, 2 UA 92733 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 коли осі обертання кутових прискорень походять через центр ваги інерційної маси, виникають вісесиметричні повороти маси навколо свого центру ваги, що викликає збільшення натягів всіх тензорезисторів на однакову величину. У напівмостових схемах похибок в усіх каналах не виникає. Коли ж осі обертання не збігаються з центром ваги маси, то акселерометр реєструє останні, як гармонійні складові доцентрових та відцентрових сил компонентів Χ, Υ та Ζ лінійного прискорення, що дозволяє засобами схемотехніки виділити їх у окремі канали змінних сигналів кутових прискорень та отримати більш повну картину поведінки об'єкта, який піддають акселерометри'. Крім того, X, Y- канали використовують дві пари тензорезисторів, розділених центральною інерційною масою, поздовжні осі яких розгорнуті в просторі ортогонально одна до одної, і розміщені відповідно у верхній і нижній частинах конструкції. При русі інерційної маси вздовж одного з каналів реєстрації компонент X або Υ вектора виникають диференціальні або синфазні зміни опорів у парах тензорезисторів і на виходах напівмостових схемах реєструють сигнали або максимальні величини. Коли вектор збігається з обраним напрямком реєстрації, або коли вектор спрямований ортогонально, то синфазні зміни опорів не створюють вихідний сигнал у другому каналі. Коли ж вектор лінійного прискорення знаходиться в площині Χ, Υ та займає проміжне кутове положення між осями пар тензорезисторів реєстрації X і Υ компонентів вектора, то вихідні сигнали пропорційні проекціям вектора у цих каналах. Z - складова вектора лінійного прискорення використовує дві пари тензорезисторів, одна з яких знаходиться у верхній частині конструкції, а друга - в нижній, включених інтегрально послідовно, і обернених в просторі ортогонально одна до одної. При русі інерційної маси вгору за віссю Z, механічні напруги пари тензорезисторів у верхній частині конструкції збільшуються, а сума опорів цієї пари зменшується та сума опорів пари тензорезисторів у нижній частині конструкції збільшуються. Тому у цілому вони утворюють диференціальну пару та є вихідними ланцюгами напівмостової схеми каналу реєстрації Ζ компоненти вектора лінійного прискорення. Величина вихідного сигналу залежить від його проекції на напрямок Ζ вектора. Захист цього каналу від впливу компонент вектора X та Υ відбувається за рахунок послідовного з'єднання пар тензорезисторів. Сума опорів під дією названих компонент у верхній та нижній парах Z-каналу не буде змінюватися тому баланс схеми не порушується і перешкоди під діями компонент X або Υ вектора у цьому каналі не виникають. Операції складання усього акселерометра починають з просторового орієнтування для двох чипів, які виконують для точного, вертикального суміщення напівмас між ними, та контактів на силових рамках з контактами на двох рівнях металізації діелектричної прокладки, які у подальшому використовують для внутрішніх та зовнішніх контактів усього акселерометра. Один з чипів при монтажі розміщують кремнієм n-типу вгору, а другий перевертають і монтують кремнієм n-типу донизу. При цьому потрібно виконати поворот верхнього чипа навколо вертикальної осі Ζ на 90 градусів для того, щоб канали реєстрації компонентів X і Υ вектора лінійного прискорення в просторі були взаємоортогональні за напрямками. Оснащення при монтажі акселерометра фіксує чипи по горизонталі та незалежно стискає по вертикалі напівмаси і силові рамки з прокладкою між ними з нанесеним припоєм. Для того, щоб після збирання усі вісім тензорезисторів мали однакові електричні опори, тому необхідно під нижньою напівмасою мати регульовану за висотою опори, яку оптимізують під необхідну товщину прокладки. Ця опора піднімає та фіксує нижню напівмасу на висоту, яка дорівнює половині товщини прокладки від площини, до якої при збірці акселерометра притискають нижню силову рамку. Товщину прокладки визначають експериментально за величиною зміни електричних опорів тензорезисторів, за результатами їх розтягнення. Нерівність цих опорів тензорезисторів у нижному та верхньому чипах усувають за рахунок регулювання висоти опори, яка у оснащенні фіксує нижню напівмасу. Інерційна маса, яка складена з двох напівмас, які жорстко скріплені припоєм лицьовими поверхнями одна з одною. Із центрів симетрії останніх, ортогонально по діагоналях зовнішніх силових рамок виходять по чотири тензорезистори. Внутрішні розширені контакти тензорезисторів закріплені на напівмасах, а зовнішні розширені контакти закріплені в кутах силових рамок. Вони електрично ізольовані від них p-n переходами, які включені у зворотному напрямку. Оснащення з фіксованими у ньому деталями акселерометра переміщують у зону нагріву з температурою вище плавлення припою, на час, необхідний для змочування і розтікання по поверхнях двох напівмас та внутрішніх контактів між силовими рамками і діелектричної прокладкою з двома рівнями металізації. Після осідання та витримки у зоні паяння, оснащення з вже зібраним акселерометром повертається з зони паяння та температура знижується до кристалізації припою. Таким чином, за одну операцію термообробки виконують монтаж усіх елементів акселерометра. Якість збірки контролюють за величиною та рівністю опорів усіх вісьмох пружних підвісів-тензорезисторів. 3 UA 92733 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 Для каналів X та Υ є по дві опори навантаження, що інтегровані з двома парофазними вихідними контактами та нерухомими, розширеними кінцівками тензорезисторів у кутах на поверхні силових рамок п-пари. Тензорезистори вказаних каналів розділені інерційною масою і при її русі деформуються диференціально, тому включенні у напівмостові схеми. Але для проходження струмів від контакту живлення з потенціалом "плюс" по ланцюгам цих напівмостів, від рухомих площадок тензорезисторів на інерційної маси, далі через вісім петлеподібних з'єднань у n-шару, струм перетікає на масивну підкладку р-типу крізь закорочені p-n переходи у розширених здвоєних вікнах омічних контактів на силових рамках, завдячуючи послідовному напиленню алюмінію та нікелю. Далі їх з'єднують з потенціалом мінус зовнішнього ланцюга живлення з використанням дворівневої металізації на поверхні ізолюючої прокладки. Слід зазначити, що енергія руху інерційної маси витрачається тільки на осеву деформацію вісьмох тензорезисторів з великою повздовжню жорсткістю та тому, що податливість петлеподібних з'єднань значно більша, за рахунок значно менших згінних механічних напруг та останні суттєво не змінюють свого опору. Цьому сприяє і той факт, що рухомі площадки кожного з тензорезисторів мають по два петлеподібні з'єднання, які включені паралельно до підкладок ртипу силових рамок. За рахунок того, що дві напівмаси скріплені припоєм і силові рамки розділені прокладкою, то виникають умови, коли усі вісім тензорезисторів розтягнуті у власних координатах акселерометра за віссю Z. Тензорезистори, які реєструють компоненти X та Υ вектора лінійного прискорення мають розташування під малими кутами до площини ΧΥ інерційної маси. Похибки, які можуть виникнути, коли вектор лінійного прискорення діє поблизу цих кутів, усувають з допомогою прецизійного калібрування. Реєстрацію компоненти Ζ в третьому вимірі, при використанні планарної технології, здійснено за рахунок останніх чотирьох тензорезисторів за віссю Ζ. Для цього, змінено топологію і схему включення тензорезисторів при вимірюванні компоненти Ζ вектора. Одне плече напівмостової схеми складено з двох інтегрально, послідовно включених тензорезисторів, які знаходяться у нижньому чипі, а два інших також послідовно включених - у верхньому. Якщо під дією сил інерції, спрямованих за віссю Ζ, збільшують натяг верхньої пари тензорезисторів, то їх сумарний опір зменшується, а в нижній - збільшується. Крім того, на силових рамках розміщують по одному постійному опору навантаження з величиною опору, рівній сумі опорів двох тензорезисторів та утворюють технологічно збалансовану напівмостову схему, яка формує диференціальний сигнал у Ζ-каналі компоненти вектора лінійного прискорення. У цілому, всі елементи виконані з одного монокристалічного матеріалу, за одною мультиплікативною інтегральною технологією, тому їх форми та номінали мають гарантовано прецизійну ідентичність параметрів тензорезисторів, як у всередині схеми, так і в межах всієї партії акселерометрів. У тих випадках коли необхідно реалізувати прецизійні параметри акселерометра, його температуру стабілізують на рівні +20 °C з допомогою елементів Пельтьє. Для цього термічний контакт корпуса акселерометра з зовнішнім захисним корпусом сполучають тільки через елемент Пельтьє. Напрямок струму через елемент встановлюють у такій полярності, щоб коли зовнішня температура перевищує температуру акселерометра прискорень, то елемент Пельтьє буде знижувати температуру акселерометра прискорень до +20 °C. Коли ж температура зовні буде нижче +20 °C полярність напруги буде змінювати напрямок току через елемент Пельтьє, що призведе до нагріву акселерометра, тобто його температура не буде змінюватись у діапазоні температур. Запропонована корисна модель виконана за інтегральною технологією з сучасних матеріалів, є конкурентоспроможною за метрологічними параметрами, призначена для проведення наукових досліджень, базується на строгих фізичних законах, та забезпечує прецизійність її властивостей. ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 55 60 1. Трикомпонентний (X, Υ, Ζ) аналоговий акселерометр вектора лінійного прискорення з електромеханічним захистом від кутових прискорень з трьома балками, ортогональна деформація яких реєструється тензорезисторами, що виконані за інтегральною технологією, балки і центри ваги їх інерційних мас рознесені в просторі, механічно об'єднані, але не інтегровані, який відрізняється тим, що кінематику акселерометра виконано як замкнену, механічну, обчислювальну систему, з однією центральною інерційною масою, закріпленою на восьми пружних підвісах-тензорезисторах, розтягнутих за рахунок ізолюючої прокладки 4 UA 92733 U 5 10 15 20 необхідної товщини між силовими рамками, що складається з двох напівмас, жорстко скріплених лицьовими поверхнями одна з одною, та розділяють тензорезистори на три диференційні пари, що включені у напівмостові схеми каналів реєстрації X, Υ, Ζ компонентів вектора лінійного прискорення; з центрів симетрії напівмас ортогонально по діагоналях зовнішніх силових рамок виходять по чотири тензорезистори, під робочими частинами яких усунуті ділянки підкладки, внутрішні розширені контакти тензорезисторів закріплені на напівмасах, а зовнішні розширені контакти закріплені в кутах цих рамок на протилежних ділянках підкладки р-типу і електрично ізольовані від них p-n переходами, включених у зворотному напрямку, причому інтегровані пари тензорезисторів виконані з ділянок монокристалу - кристалів кремнію, які мають попарно однакові геометрії та зазнають одночасного впливу. 2. Трикомпонентний аналоговий акселерометр за п. 1, який відрізняється тим, що X, Y-канали використовують дві пари тензорезисторів, розділених центральною інерційною масою, поздовжні осі яких розгорнуті в просторі ортогонально одна до одної і розміщені відповідно у верхній і нижній частинах конструкції. 3. Трикомпонентний аналоговий акселерометр за п. 1, який відрізняється тим, що Z-складова вектора лінійного прискорення використовує дві пари тензорезисторів, одна з яких знаходиться у верхній частині конструкції, а друга - в нижній, включених інтегрально послідовно, і обернених в просторі ортогонально одна до одної, що являють диференціальну пару в напівмостовій схемі. Комп’ютерна верстка І. Скворцова 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 5