Что относится к мэмс актуаторам

Актюаторные элементы МЭМС

Актюатор — это механическое устройство, которое преобразовывает различные виды энергии (электрическая, химическая или термическая) в механическую работу, излучение тепла и света (рис. 5.38).

В настоящее время разработаны термические, термопневматические, пьезоэлектрические, электростатические и магнитные актюаторы.

Термоактюаторы разработаны одними из первых и использовались в сенсорах измерения и определения потоков жидкости и газов в качестве нагревательных элементов.

Преобразование входной энергии в работу актюатора

Рис. 5.38. Преобразование входной энергии в работу актюатора

Основное применение термоактюаторы нашли в механизмах горизонтального и вертикального поворота структур элементов МСТ.

Принцип работы термоактюаторов основан на тепловом расширении структурных материалов элементов микросистемной техники.

Если при однородном нагреве температура твердого тела возрастает на ДД то тело испытывает деформацию, описываемую следующим выражением (рис. 5.39):

где а — коэффициент теплового расширения; ДТ — температура.

Деформацией твердого тела называется изменение его размеров и объема:

где Д/ — абсолютное удлинение; / — первоначальный размер тела.

I Д1

—-F

Рис. 5.39. Деформация термоактюатора при нагреве

Подставив (5.33) в (5.32), получим выражение, позволяющее определять абсолютное удлинение термоактюатора:

Напряжением называется физическая величина, равная упругой силе, приходящейся на единицу площади сечения тела:

где F_m — сила; S — площадь сечения, расположенная перпендикулярно нормали силы F_m.

Согласно закону Гука, сила растяжения или сжатия, приложенная к телу в форме стержня, вызывает изменение длины тела Д/. Величина Д/ зависит от размеров стержня, материала и величины приложенной силы:

где U — напряжение на нагревателе; t — время прохождения тока через нагреватель; R — сопротивление нагревателя.

В результате происходит расширение газовой среды в герметичной области, что в свою очередь приводит к деформации мембраны. Так как объем герметичной полости остается постоянным, то изменение давления в полости описывается следующим выражением:

где р₀ — давление газа до нагревания; р — коэффициент объемного расширения; Т- температура нагревания.

Коэффициент объемного расширения практически одинаков у всех газов и с хорошим приближением равен коэффициенту объемного расширения идеального газа: р — 0,003661 /Г 1 .

Сила, создаваемая термопневматическим актюатором, будет определяться следующим выражением:

где 5 — площадь мембраны.

Термопневматические актюаторы изготавливаются по технологии объемной микрообработки и LIGA-технологии.

Более простым вариантом термопневматического актюатора является пьезоэлектрический актюатор. Данный тип актюаторов содержит пьезоэлектрический диск и упругую мембрану (рис. 5.41).

В основу работы пьезоэлектрических актюаторов положен обратный пьезоэлектрический эффект: под действием электрического поля в пьезоэлектриках появляется механическая деформация.

При обратном пьезоэлектрическом эффекте электрическое поле и деформацию актюатора связывают те же пьезоэлектрические коэффициенты, которые связывают напряжение и поляризацию при прямом эффекте:

где 8у — тензор относительной деформации; Яд — тензор пьезокоэффициентов материалов; Е, — напряженность электрического поля.

В качестве материалов пьезоэлектриков используются кварц, ЫТаОз и ZnO.

Данный тип актюаторных элементов изготавливается с использованием технологии объемной микрообработки и LIGA-технологии.

пьезодпск мембрана

Рис. 5.41. Структура пьезоэлектрического актюатора подвижный электрод

неподвижный электрод

Рис. 5.42. Электростатический актюатор

Следующим типом актюаторных элементов МСТ являются электростатические актюаторы. В общем виде электростатический актюатор содержит подвижный и неподвижный электроды (рис. 5.42).

В качестве подвижного электрода выступают консольные балки и мембраны.

Принцип действия данных актюаторов основан на возникновении электростатической силы между подвижным и неподвижным электродами.

При подаче отклоняющего напряжения на неподвижный электрод относительно подвижного, на последний начинает действовать электростатическая сила, определяемая выражением

где Е — напряженность электрического поля; q — заряд электрона.

dq = CdU (5.44)

выражение (5.43) примет вид

то электростатическая сила, действующая на подвижный электрод будет определяться следующим выражением:

где U — отклоняющее напряжение; d — расстояние между подвижным и неподвижным электродами; С — емкость, создаваемая подвижным и неподвижным электродами, определяемая выражением

где ? — относительная диэлектрическая проницаемость воздушного зазора; ?о — электрическая постоянная (8,85-ПГ 12 Ф/м); S — площадь подвижного электрода.

Подставив (5.48) в (5.47), получим выражение для определения силы, действующей на подвижный электрод:

При подаче отклоняющего напряжения U между подвижным и неподвижным электродами возникает электростатическое взаимодействие и подвижный электрод притягивается к неподвижному. По мере отклонения подвижного электрода от первоначального положения расстояние между электродами d будет уменьшаться, что, согласно выражению (5.49), приводит к увеличению электростатической силы F_m. Следовательно, при расчете электростатической силы, действующей на подвижный электрод относительно неподвижного, необходимо учитывать уже совершенное отклонение:

При изготовлении электростатических актюаторов могут использоваться технологии поверхностной и объемной микрообработки и MUMPs-технология.

Магнитные актюаторы являются новым типом актюаторных элементов МСТ. Принцип их работы основан на деформации поликремниевых балок или мембран, с нанесенным на них слоем пермаллоя (NiFe), под действием внешнего магнитного поля (рис. 5.43).

При помещении во внешнее магнитное поле генерируются две компоненты магнитной силы F] и F₂ , определяемые выражениями

где q_m — магнитный заряд; Н- напряженность внешнего магнитного поля.

Крутящий момент, создаваемый магнитным актюатором, определяется с помощью следующего выражения:

Л/ = /mfc — длина слоя NiFe; а — угол между направлением напряженности магнитного поля и плоскостью актюатора.

Данный тип актюаторов нашел широкое применение в интегральной микросборке элементов МСТ.

Основной недостаток магнитных актюаторов — необходимость использования внешних источников магнитного поля.

Данный тип актюаторов изготавливается по MUMPs-технологии.

Магнитный актюатор

Рис. 5.43. Магнитный актюатор

В настоящее время актюаторные элементы микросистемной техники широко используются при создании актюаторных микросистем, таких как микронасосы, интегральные микрозеркала и микромеханические ключи.

МЭМСы. Как устроены современные датчики?

Микроэлектромеханические системы (МЭМС) — устройства, объединяющие в себе микроэлектронные и микромеханические компоненты. Сейчас довольно трудно встретить системы в которых не используются датчики, выполненные по данной технологии. Но как устроены современные датчики и какие преобразователи используются для работы с ними? Постараемся детально разобраться в этом вопросе, основываясь на работе современных МЭМС-акселерометров.

Простейший акселерометр, как он работает?

Акселерометр — прибор, измеряющий проекцию кажущегося ускорения (разности между истинным ускорением объекта и гравитационным ускорением). Принцип работы можно объяснить с помощью простой модели.

Модель устройства механического акселерометра (оригинал)

При увеличении ускорения, масса будет растягивать пружину. По закону Гука из школьной программы физики можно с легкостью найти ускорение системы:

, где k -коэффициент упругости пружины, – ее растяжение и m – масса груза.

Используя три перпендикулярно расположенных датчика, можно узнать ускорение предмета по 3-м осям, и зная начальные условия определить положение тела в пространстве.

Эта незамысловатая модель представляет собой основу работы большинства акселерометров, которые можно поделить на 3 основные подгруппы:

механические
электронные
пьезоэлектрические

Пьезоэлектрический акселерометр

Основывается данный тип датчиков на пьезорезистивном эффекте, который был открыт в 1954 году Смитом в таких полупроводниках как германий и кремний. В отличие от пьезоэлектрического эффекта, пьезорезистивный эффект вызывает изменение только электрического сопротивления, но не электрического потенциала.

Анимация пьезоэффекта (оригинал)

При увеличении ускорения, инертная масса увеличивает/уменьшает давление на пьезоэлемент. Благодаря пьезоэффекту происходит генерация сигнала, который зависит от внешнего ускорения.

Устройство пьезоэлектрического акселерометра (оригинал)

Датчики такого типа требуют дополнительного усилителя, который увеличивает амплитуду сигнала, и создает низкоимпедансный выход для работы с внешними устройствами. Для калибровки нулевого значения ускорения используется Preload Bolt, масса которого рассчитана так, чтобы соответствовать нулевой точки ускорения в системе.

Датчики такого типа до сих пор сильно распространены, и в основном применяются в системах, требующих высокую надежность — automotive. Для коммерческой электроники зачастую используют электронные акселерометры, которые имеют меньший размер и цену.

Электронные акселерометры

Принцип работы электронных датчиков основан на изменении емкости конденсаторов при изменении ускорения. Простейшая модель работы представлена на картинке.

Устройство 2-х осевого электро-механического акселерометра

При изменении ускорения, масса изменяет расстояние между обкладками конденсатора. Из простейшей формулы емкости конденасатора следует, что при изменении d расстояния между обкладками емкость конденсатора будет также изменяться. Широкое применение данный метод получил, благодаря развитию МЭМС (MEMS)– микроэлектромеханических систем.

МЭМС технологии позволяют создавать конденсаторы с подвижными обкладками на кремниевой подложке, что существенно уменьшает размер устройства, и что не маловажно – его стоимость.

Устройство 2-х осевого электро-механического акселерометра (оригинал из книги «Introductory MEMS». Дальнейшие иллюстрации тоже взяты из этой книги)

У читателя наверняка возник вопрос: “как именно детектировать изменение емкости конденсатора?” Постараюсь дать на этот вопрос исчерпывающий ответ.

Устройство МЭМС акселерометра. Как превратить изменение емкости в сигнал?

Емкостной полумост

Итак прежде, чем описывать работу самого датчика, обратимся к довольно популярной схеме в схемотехнике – емкостному полумосту (Capacitive half-bridge).

Емкостной полумост — основа МЭМС-датчиков

Напряжения и являются входными, а – выходной сигнал для последующего преобразования. Емкости обоих конденсаторов зависят от внешнего ускорения, и изменяются на величину x(t). При x = 0, заряды на емкостях являются идентичными, и при этом . При условии, что x
Вывод формулы для изменения емкости
Запишем изменение каждой емкости при сдвиге обкладки на x:

Запишем через формулу емкости:

Упростив данные формулы, получаем следующее:

Итак часть пути пройдена, мы получили как зависит значение изменения емкости от изменения положения обкладки (то есть внешнего ускорения). Пора это изменение детектировать: вводим дополнительные токи — . Теперь остается вычислить как выходной ток будет зависеть от изменения положения обкладки.

Емкостной полумост — токи

Вывод формулы зависимости выходного тока от изменения емкости
По правилу Кирхгофа для токов получаем следующее уравнение:

Учитывая тот факт, что ток является производной заряда dq/dt, а заряд q=CU, преобразуем данное уравнение в следующий вид:

Пусть потенциалы , тогда исходя из формулы (1.1):

Итак если использовать одинаковые потенциалы входных напряжений получаем зависимость тока:

Результат получился довольно странный: выходной ток никак не зависит от изменения емкости. Для того, чтобы детектировать изменение емкости, необходимо задавать на обкладках напряжения разной полярности, то есть: , а . Тогда переделаем уравнение с учетом данной модификации.

Зависимость тока от изменения положения обкладки с учетом разной полярности входных напряжений
Перепишем уравнение 1.3:

Учитывая уравнение 1.2 для изменения емкости, получаем:

если положение пластин не меняется во времени, то
аналогично если источник сигнала постоянный (DC), то

, где – частота переменного сигнала (определяется на этапе разработки, в зависимости от полосы пропускания системы и нормальной работы механических емкостей).

Итак, мы получили уравнение (1.4), которое показывает, как изменение емкости конденсатора влияет на выходной сигнал системы. Однако такой сигнал будет довольно малый по амплитуде, к тому же если подключим к нему нагрузку для общения с внешним миром — вся система рухнет. Тут нужен усилитель…

Просто добавь усилитель

Добавим в нашу систему усилитель (будем считать, что коэффициент усиления — — сл-но работает принцип виртуальной земли).

Емкостной полумост + интегратор

Итак теперь найдем зависимость выходного напряжения усилителя от изменения емкости.

Выходное напряжение усилителя
Запишем уравнение Кирхгофа для этой системы:

Ток через конденсатор можно записать через изменение заряда dq/dt, поэтому исходя из полученного уравнения (1.4) получаем:

Данное уравнение показывает, что выходной сигнал зависит не только от положения обкладки x, но и от ее скорости движения (что не желательно). Для того чтобы компонента, вносимая скоростью, была незначительной, необходимо использовать высокочастотный входной сигнал (обычно такую частоту выбирают в районе 1 ГГц). Запишем компоненты уравнения как гармонические сигналы:

Выбираем частоту достаточно высокую, чтобы :

Учитывая, что сигналы и имеют одинаковую частоту переходим к отношению их амплитуд:

В итоге мы получили зависимость выходного сигнала усилителя от изменения положения обкладки конденсатора. Внимательный читатель должен сразу обратить внимание – это же амплитудная модуляция! Действительно, в данной системе мы имеем сигнал x(t), который перемножается с сигналом и усиливается на величину . Следующий шаг – убрать несущую частоту , и мы получим усиленный сигнал x(t) – который пропорционален ускорению. Долгий путь вычислений привел нас к пониманию архитектуры МЭМС-акселерометра.

Архитектура МЭМС акселерометра

Рассмотрим сначала функциональную схему датчика:

Функциональная схема МЭМС-акселерометра

Изначально у нас есть сигнал x(t) – который отражает изменение ускорения. Далее мы перемножаем его с несущим сигналом и усиливаем с помощью операционного усилителя (в режиме интегратора). Далее происходит демодуляция – простейшая схема – диод и RC фильтр (в реальности используют усложненную схему, синхронизируя процесс модуляции и демодуляции одной несущей частотой ). После чего остатки шума фильтруются с помощью фильтра низких частот.

В качестве примера приведу один из первых МЭМС акселерометров компании Analog Devices – ADXL50:

Структурная схема ADXL50

Наверное, приведя структурную схему датчика в начале статьи многим читателям не было бы понятно назначения некоторых блоков. Теперь завеса приоткрыта, и можем обсудить каждый из них:

Блок, который называется “MEMS sensor” – является емкостным полумостом.
Блок “oscillator” генерирует сигнал на частоте 1ГГц.
Сигнал осциллятора также используется для синхронной демодуляции.
Выходной усилитель и дополнительные резисторы создают нулевую точку, относительно которой можно смотреть знак изменения ускорения (обычно это VDD/2- половина питания, для биполярных датчиков — «земля»).
Внешняя емкость определяет полосу измерения системы.
Внутреннего фильтра низких частот в данной схеме нет, но в современных схемах они имеются.

Какой преобразователь выбрать для работы с датчиками?

Выбор преобразователя для работы с датчиками зависит от точности, которую вы хотите получить. Для работы с датчиками подойдут АЦП с архитектурой SAR или Delta-Sigma с высокой разрядностью. Однако современные датчики обладают встроенными преобразователями. Лидерами этого направления являются STMicroelectronics, Analog Devices и NXP. В качестве примера, можно привести новую микросхему с 3-х осевым акселерометром и встроенным АЦП – ADXL362.

Структурная схема ADXL362

Для работы с АЦП в схему добавлены антиэлайзинговые фильтры, чтобы исключить попадания в спектр дополнительных гармоник.

Где достать такие технологии?

Сейчас для fabless компаний доступно множество фабрик, которые предлагают технологии МЭМС. Однако для создания современных микросхем требуется интегрировать емкости с подвижными пластинами в стандартный маршрут проектирования, ведь помимо такой емкости необходимо спроектировать дополнительные блоки (генератор, демодулятор, ОУ и тд) на одном чипе. В качестве примера можно привести фабрики TSMC и XFab, которые предлагают технологию для реализации МЭМС датчика вместе со всей обвязкой. На картинке представлены емкости, которые позволяют создать трехосевой акселерометр:

Трехосевой емкостной полумост от TSMC

В России также существует фабрика по выпуску МЭМС датчиков – “Совтест”, однако предприятие не обладает технологией интегрирования дополнительных схемотехнических блоков, которые необходимы для создания конечного устройства и единственный выход — применять технологию микросборки.

МЭМС-акселерометр разработки Совтест

Какие наработки есть у нашей компании в этом направлении?

У нас есть несколько преобразователей, которые предназначены для работы с датчиками. Из новых продуктов это:

5101НВ035 – 16-канальный преобразователь на основе 8-ми Дельта-Сигма АЦП, предназначена для работы с токовыми датчиками
1316НХ035 – 4-х канальный интегрирующий преобразователь напряжение-частота (ПНЧ), предназначенный для работы с 3-х осевыми акселерометрами и гироскопами.

Преобразователь напряжение-частота

Для преобразования данных с датчика обычно используются SAR или delta-sigma АЦП, однако существует еще один тип преобразователей — интегрирующие ПНЧ, которые имеют существенные преимущества:

Занимают меньшую площадь и имеет меньшее потребление при том же показателе линейности и шума.
Простая архитектура.
Высокая устойчивость к входному шуму и сигналам помех.
Устойчивость к шуму и помехам выходного сигнала.
Возможность передачи данных без обработки на радиочастотный канал связи.

ПНЧ под микроскопом

Каждый из трех основных каналов преобразует входное напряжение в диапазоне ± 4В в частоту до 1250кГц на 3-х выходах, соответствующих положительному и отрицательному входным напряжениям. Также микросхема имеет в каждом канале 16 битный реверсивный счетчик, для подсчета частотных импульсов. SPI интерфейс служит для управления режимами преобразования и выборки содержимого счетчиков импульсов каналов. Основными требованиями к параметрам ПНЧ являлись:

высокая термо и временная стабильность выходной частоты при нулевом входном сигнале (заземленных входах)
динамический диапазон преобразования – не менее 22 бит
непрерывность преобразования входного сигнала и недопустимость потери ни одного частотного импульса.

Есть только одно “но” – биполярное питание. Для обеспечения хорошей стабильности нуля (напряжение, которое соответствует ускорению 0g) необходимо использовать биполярное питание. Такое решение довольно эффективное – ведь когда 0g соответсвует “земля”, система априори будет стабильной. Также это улучшает проектирование системы. В современных датчиках в качестве нуля используют половину питания Vdd/2, однако если значение напряжения на преобразователе будет отличаться от напряжения на датчике – мы автоматически получаем смещение, которое нужно дополнительно калибровать.

Наверное, для многих потребителей биполярное напряжение немного отпугивает, и мы как разработчики это понимаем. Возможно, в дальнейшем сделаем коммерческий вариант для МЭМСов (или интегрируем датчик в ПНЧ). Пока, конечно, это всего лишь планы, но уверен они увидят свет.

P.S. Нашел бонусные фотографии с процесса исследования образцов. Вообще это, как по мне, самое интересное в процессе разработки. Тебе дают в руки твое детище с пылу жару с завода, ты подаешь на него питание и скрестив пальцы ждешь – “работает или нет?”.

P.P.S. Кому понравилась тема датчиков, в будущем коллега из центра проектирования аппаратуры хотел бы рассказать про создаваемую инерциальную систему на основе МЭМС датчиков — БИНС.

мэмс
микроэлектроника
датчики движения
акселерометр

Что такое МЭМС (микроэлектромеханическая система)? Типы и применение

Микроэлектромеханическая система, или МЭМС, представляет собой миниатюрное устройство или машину, которая изготовлена как из механических, так и из электрических компонентов, используя методы микрообработки.

Термин «МЭМС» часто используется для описания как категории микромехатронных систем, так и технологического процесса, используемого для их изготовления. Некоторые МЭМС не имеют механических компонентов, но поскольку они преобразуют определенные механические сигналы в электрические или оптические, они классифицируются как МЭМС.

Размер МЭМС

Физические размеры МЭМС-устройств могут варьироваться от 20 микрометров до одного миллиметра. Они изготовлены из компонентов размером от 1 до 100 микрометров.

Хотя отдельные компоненты могут быть меньше ширины человеческого волоса, несколько модулей, расположенных в массивах, могут занимать площадь более 10 сантиметров.

МЭМС-устройства обычно содержат центральные устройства обработки данных (такие, как микропроцессоры) и крошечные инструменты, которые взаимодействуют с окружающей средой (такие, как микросенсоры).

Типы МЭМС

Существует две формы технологии коммутации МЭМС: омическая и емкостная.

1. Омические МЭМС-переключатели разработаны с использованием электростатических кантилеверов. Поскольку кантилеверы деформируются с течением времени, эти переключатели могут выйти из строя из-за износа контактов или усталости металла.

2. Емкостные переключатели управляются подвижной пластиной или чувствительным элементом, который изменяет емкость. Используя свои резонансные характеристики, они могут быть настроены так, чтобы превзойти омические устройства в определенных частотных диапазонах.

Как они построены?

Хотя интерес к производству МЭМС вырос в 1980-х годах, потребовалось почти два десятилетия, чтобы создать инфраструктуру проектирования и производства, необходимую для их коммерческого развития. Одним из первых таких устройств были струйные печатающие головки и контроллеры подушек безопасности.

Используя эту технологию, исследователи смогли создать проектор с микрозеркалами (который использует МЭМС) в конце 1990-х. Со временем микросенсоры стали более популярными: они постепенно интегрировались в различные типы датчиков, включая датчики излучения, магнитных полей, температуры и давления.

Сегодня МЭМС используются практически во всех интеллектуальных устройствах, и они стали гораздо более эффективными (с точки зрения производительности и энергопотребления), чем их более крупные аналоги. Они состоят из таких частей, как микропроцессоры, микроактюаторы, микросенсоры, несколько блоков обработки данных.

Изготовление МЭМС включает в себя те же методы, которые используются для создания интегральных схем и полупроводниковых приборов. Основными методами являются:

Напыление: на специальную поверхность наносят тонкие слои (от 1 до 100 мкм) материала.
Паттернирование: рисунок передается в материал с помощью процесса, называемого литографией.
Травление : материал растворяется либо в химическом растворе, либо с использованием реактивных ионов для получения требуемой формы.
Подготовка матрицы: После того, как МЭМС-устройства подготовлены на кремниевой пластине, отдельные матрицы разделяются, а затем нарезка пластин осуществляется с помощью охлаждающей жидкости или сухого лазерного процесса.

Кремний является наиболее распространенным материалом, используемым для создания МЭМС. Он легко доступен, недорог и имеет существенные преимущества, особенно в области микроэлектроники. Например, кремний очень мало страдает от усталости и почти не рассеивает энергию.

Некоторые МЭМС изготавливаются из металла с помощью процессов гальванизации, испарения и распыления. Металлы с высокой степенью надежности включают золото, платину, серебро, вольфрам, медь, титан и алюминий.

Полимеры также могут быть использованы для изготовления МЭМС-устройств, так как их можно производить в больших объемах, с различными характеристиками материала.

Чем МЭМС отличаются от NEMS?

NEMS (сокращение от наноэлектромеханических систем) — это класс устройств, имеющих электрические и механические характеристики на наноуровне. NEMS формируют следующий логический этап миниатюризации от MEMS.

Проще говоря, NEMS похожи на МЭМС, но имеют меньший размер: они содержат критические структурные элементы на уровне не более 100 нанометров (в атомном или молекулярном масштабе).

Хотя NEMS и МЭМС называются отдельными технологиями, они зависят друг от друга. Например, сканирующий туннельный микроскоп, который обнаруживает атомы, является устройством МЭМС.

В отличие от МЭМС, в технологии NEMS используются материалы на основе углерода, в частности алмаз, углеродные нанотрубки и графен. Благодаря значительным достижениям в области роста, манипуляций, знаний электрических и механических свойств графена, исследователи проявляют все больший интерес к графену для таких устройств NEMS, как датчики давления, резонаторы, акселерометры и т.д.

Примеры и применения

По мере того как МЭМС становятся более эффективными и дешевыми в производстве, они, как ожидается, будут играть решающую роль в IoT (интернет вещей) и домашней автоматизации. Распространенными коммерческими приложениями МЭМС являются:

Акселерометры в транспортных средствах для различных целей, таких как электронный контроль устойчивости и срабатывание подушки безопасности
Сенсорные системы охлаждения и отопления для систем управления зданием
Оптический переключатель, используемый для переключения технологий и выравнивания для передачи данных
Одноразовые датчики кровяного давления и датчики давления автомобиля из силикона
Электростатические, электромагнитные и пьезоэлектрические микроуборочные комбайны (используются для сбора энергии)
Маленькие микрофоны, барометры и гироскопы для поддержки приложений для смартфонов

Мировой рынок

Многие компании работают над проектами МЭМС. Небольшие фирмы предлагают инновационные решения и справляются с расходами на изготовление по индивидуальному заказу с высокой прибылью от продаж. Более крупные фирмы в основном производят в больших объемах недорогие детали или упакованные решения для конечных рынков, таких как электроника, биомедицина и автомобилестроение. Как правило, как малые, так и крупные компании инвестируют в исследования и разработки для создания новых технологий МЭМС.

RU192953U1 — Мэмс-акселерометр — Google Patents

Publication number RU192953U1 RU192953U1 RU2018145664U RU2018145664U RU192953U1 RU 192953 U1 RU192953 U1 RU 192953U1 RU 2018145664 U RU2018145664 U RU 2018145664U RU 2018145664 U RU2018145664 U RU 2018145664U RU 192953 U1 RU192953 U1 RU 192953U1 Authority RU Russia Prior art keywords metal elastic contact plate anchor Prior art date 2018-12-20 Application number RU2018145664U Other languages English ( en ) Inventor Алексей Сергеевич Козлов Римма Яновна Лабковская Вера Леонидовна Ткалич Ольга Игоревна Пирожникова Мария Евгеньевна Калинкина Original Assignee федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования «Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики» (Университет ИТМО) 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.) 2018-12-20 Filing date 2018-12-20 Publication date 2019-10-08 2018-12-20 Application filed by федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования «Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики» (Университет ИТМО) filed Critical федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования «Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики» (Университет ИТМО) 2018-12-20 Priority to RU2018145664U priority Critical patent/RU192953U1/ru 2019-10-08 Application granted granted Critical 2019-10-08 Publication of RU192953U1 publication Critical patent/RU192953U1/ru

Images

Classifications

G — PHYSICS
G01 — MEASURING; TESTING
G01C — MEASURING DISTANCES, LEVELS OR BEARINGS; SURVEYING; NAVIGATION; GYROSCOPIC INSTRUMENTS; PHOTOGRAMMETRY OR VIDEOGRAMMETRY
G01C19/00 — Gyroscopes; Turn-sensitive devices using vibrating masses; Turn-sensitive devices without moving masses; Measuring angular rate using gyroscopic effects
G01C19/56 — Turn-sensitive devices using vibrating masses, e.g. vibratory angular rate sensors based on Coriolis forces

Abstract

Полезная модель относится к измерителям ускорения, применяемым, в частности, в инерциальных системах управления летательными аппаратами, а также в автомобильном производстве, мобильных телефонах и элементах компьютерной техники. Сущность: МЭМС-акселерометр, содержащий инерционную массу, кремниевое основание, корпус, защитную пластину, раму, выполненную из SiO, стойки с контактными металлическими электродами, металлическую пластину, выполняющую функции емкостной пластины упругого металлического подвеса и анкера, металлические контактные площадки, зигзагообразные металлические упругие подвесы и анкер, отличающийся тем, что поверхность всех электропроводящих металлических элементов, а именно контактных электродов, контактных площадок, емкостной пластины, упругого подвеса и анкера, снабжены полностью регулярным микрорельефом (ПРМР) IV вида и наноструктурирована методом ионно-плазменной обработки. Технический результат заключается в повышении надежности МЭМС-акселерометра.

Description

Известна конструкция многоосевого МЭМС-акселерометра, содержащая инерционный датчик, включающий инерционную массу, образованную параллельно плоскости ху слоя устройства, эта единственная масса, связана с единственным центральным анкером, предназначенным для обеспечения зависания массы над пластиной. Инерционный датчик дополнительно включает в себя первую и вторую рамы с подвижными электродами, расположенными в плоскости ху слоя устройства на соответствующих первой и второй сторонах инерционного датчика, первая и вторая рамы с подвижными электродами симметричны относительно одиночного центрального анкера и каждый отдельно, включая центральную платформу и неподвижные электроды, установленные так, чтобы фиксировать центральную платформу на пластине, причем анкеры для первой и второй рамок с подвижными электродами асимметричны относительно центральной платформы и расположены вдоль одиночного центрального неподвижного электрода (см. Acar et al. United State Patent 9,062,972: Mems multi-axis accelerometer electrode structure. June 23, 2015). Недостатком данной конструкции является низкая надежность и чувствительность.

Известен трехосный МЭМС-акселерометр с использованием емкостного принципа зондирования и способа его изготовления, емкостное измерение осуществляется между двумя электродными слоями. Один из электродных слоев имеет по меньшей мере четыре независимых электрода, расположенных в виде двух пар электродов, причем одна пара выровнена ортогонально по отношению к другой, так что может быть обнаружен наклон мембраны, а также движение мембраны в перпендикулярном оси направлении. Таким образом, трехосный акселерометр может быть сформирован из одной инерционной массы и набора конденсаторных электродов, которые находятся в одной плоскости. Это означает, что изготовление является простым и совместимым с другими производственными процессами MEMS, такими как микрофоны MEMS. (см. Langereis et al. United State Patent 8,686,519: MEMS accelerometer using capacitive sensing and production method thereof. April 1, 2014). Недостатком конструкции является низкая чувствительность, склонность к залипанию электродов.

Наиболее близкой к предлагаемой полезной модели по технической сути является конструкция трехосевого МЭМС-акселерометра, содержащая инерционную массу, кремниевое основание, корпус, защитную пластину, раму (SiO₂), стойки с контактными металлическими электродами, металлическую пластину, выполняющую функции емкостной пластины упругого металлического подвеса и анкера, контактные площадки (в количестве 6 штук), зигзагообразные упругие подвесы (см. Wu et al. United State Patent 8,106,470: Triple-axis MEMS accelerometer. January 31, 2012). Недостатками прототипа являются низкая чувствительность, склонность к залипанию электродов и пластин конденсатора.

Задача, решаемая предлагаемой полезной моделью, заключается в общей стабилизации электрических характеристик, снижении энергетических потерь при коммутации электропроводящих металлических элементов устройства (а именно контактных электродов и контактных площадок) и стабилизации коэффициентов жесткости упругого металлического подвеса, соединяющего металлическую емкостную пластину с анкером.

Поставленная задача решается за счет достижения технического результата, заключающегося в повышении надежности МЭМС-акселерометра.

Данный технический результат достигается тем, что МЭМС-акселерометр, содержащий инерционную массу, кремниевое основание, корпус, защитную пластину, раму, выполненную из SiO₂, стойки с контактными металлическими электродами, металлическую пластину, выполняющую функции емкостной пластины упругого металлического подвеса и анкера, металлические контактные площадки, зигзагообразные металлические упругие подвесы и анкер, новым является то, что поверхности всех электропроводящих металлических элементов, а именно контактных электродов, контактных площадок, емкостной пластины, упругого подвеса и анкера, снабжены полностью регулярным микрорельефом (ПРМР) IV вида и наноструктурирована методом ионно-плазменной обработки.

При совокупном использовании вышеперечисленных особенностей (наличие полностью регулярного микрорельефа и наноструктурированных контактных поверхностей проводников) в предлагаемой полезной модели МЭМС-акселерометра проявляются новые свойства, такие как стабильность контактного сопротивления, малая рассеиваемая мощность (низкие потери энергии), что приводит к повышению надежности МЭМС-акселерометра. Наличие полностью регулярного микрорельефа обеспечивает прогнозируемое и гарантированное число точек контакта в зоне контактирования электропроводящих металлических элементов. Наличие наноструктурированных контактных поверхностей гарантирует стабильность электрического сопротивления, повышение коррозионной стойкости.

Устройство МЭМС-акселерометра изображено на фиг. (а, б, в, г)

МЭМС-акселерометр, содержит полупроводниковое (кремниевое) основание 1, инерционную массу 2, контактные электроды 3, полупроводниковые кремниевые стойки 4, емкостную пластину 5, упругий металлический подвес 6, анкер 7, упругие зигзагообразные подвесы 8, контактные металлические площадки 9, защитную пластину 10, раму из диоксида кремния 11.

При этом поверхность всех электропроводящих металлических элементов (контактных площадок 9, контактных электродов 3, емкостной пластины 5, упругого металлического подвеса 6 и анкера 7) снабжена ПРМР IV вида и наноструктурирована методом ионно-плазменной обработки, что позволяет исключить спекание, залипание, искренние при коммутации электрических цепей, а также стабилизировать коэффициент жесткости упругого металлического подвеса, что улучшает его упругие свойства и предотвращает электростатическое залипания емкостной металлической пластины, особенно актуальное при малых (1…3 мкм) зазорах между емкостной пластиной и инерционной массой.

Устройство МЭМС-акселерометра работает следующим образом. При измерении ускорения данным устройством упругий металлический подвес 6, связанный с анкером 7, установленным на полупроводниковой стойке 4, изгибается и приводит к отклонению сваренной с ним с другого конца емкостной пластиной 5. Также при работе устройства в ходе измерения действующего на МЭМС-акселерометр ускорения, отклоняются и упругие зигзагообразные подвесы 8, связанные с контактными металлическими площадками 9.

Чувствительность осей x и у, расположенных в латеральном плане, обеспечивается формированием емкости между инерционной массой, присоединенной на упругих подвесах к раме, и участками под контактные площадки. Чувствительность же оси z не может быть обеспеченна этими средствами, т.к. жесткость упругих подвесов оказывается слишком велика. Для решения этой проблемы вводиться единый конструктивный элемент в виде металлической пластины, выполняющий функции емкостной пластины 5, упругого металлического подвеса 6 и анкера 7. При изменении ускорения в нормальном направлении емкостная пластина 5 отклоняется, в то время как инерционная масса 2 отклоняется весьма мало. Таким образом, в роли инерционной массы в этом случае выступает емкостная пластина, а инерционная масса выступает в роли емкостной пластины. Вся конструкция закрывается защитной пластиной 10.

Чувствительность данного акселерометра по трем осям достигается путем введения всего лишь незначительного дополнения в конструкцию, что выгодно отличает его от аналогичных акселерометров, представляющих собой набор отдельных однокомпонентных акселерометров, заключенных в единый корпус.

При ионно-плазменной обработке поверхности металлических коммутационных и упругих элементов происходит пропускание через них импульсных токов. Эти импульсные токи вызывают формирование в приповерхностной области данных металлических элементов наноразмерных слоев с заданными контактными свойствами.

В результате проведенных исследований удалось обеспечить такое электрофизическое условие разряда, при котором в приповерхностном слое металлических коммутационных и упругих элементов МЭМС-акселерометра формируются коррозионно- и эрозионно-устойчивые наноразмерные слои с высокой электропроводностью, что положительно влияет на надежность работы МЭМС-акселерометра.

Claims ( 1 )

МЭМС-акселерометр, содержащий инерционную массу, кремниевое основание, корпус, защитную пластину, раму, выполненную из SiO₂, стойки с контактными металлическими электродами, металлическую пластину, выполняющую функции емкостной пластины упругого металлического подвеса и анкера, металлические контактные площадки, зигзагообразные металлические упругие подвесы и анкер, отличающийся тем, что поверхность всех электропроводящих металлических элементов, а именно контактных электродов, контактных площадок, емкостной пластины, упругого подвеса и анкера, снабжены полностью регулярным микрорельефом (ПРМР) IV вида и наноструктурирована методом ионно-плазменной обработки.

RU2018145664U 2018-12-20 2018-12-20 Мэмс-акселерометр RU192953U1 ( ru )

Priority Applications (1)

Application Number	Priority Date	Filing Date	Title
RU2018145664U RU192953U1 ( ru )	2018-12-20	2018-12-20	Мэмс-акселерометр

Applications Claiming Priority (1)

Application Number	Priority Date	Filing Date	Title
RU2018145664U RU192953U1 ( ru )	2018-12-20	2018-12-20	Мэмс-акселерометр

Publications (1)

Publication Number	Publication Date
RU192953U1 true RU192953U1 ( ru )	2019-10-08

Family

ID=68162462

Family Applications (1)

Application Number	Title	Priority Date	Filing Date
RU2018145664U RU192953U1 ( ru )	2018-12-20	2018-12-20	Мэмс-акселерометр

Country Status (1)

Country	Link
RU ( 1 )	RU192953U1 ( ru )

Citations (7)

Patent Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party

Publication number	Priority date	Publication date	Assignee	Title
US6199874B1 ( en ) *	1993-05-26	2001-03-13	Cornell Research Foundation Inc.	Microelectromechanical accelerometer for automotive applications
WO2004072580A1 ( en ) *	2003-02-07	2004-08-26	Honeywell International Inc.	Methods and systems for simultaneously fabricating multi-frequency mems devices
EP2762893A1 ( en ) *	2011-09-30	2014-08-06	Microinfinity, Inc.	Mems resonant accelerometer
EP2887073B1 ( en ) *	2013-12-23	2017-04-26	InvenSense, Inc.	MEMS accelerometer with proof masses moving in anti-phase direction normal to the plane of the substrate
RU2653112C2 ( ru ) *	2014-02-25	2018-05-07	Нортроп Грумман Литеф Гмбх	Микромеханический компонент с раздельной, гальванически изолированной активной структурой и способ эксплуатации такого компонента
RU2573616C1 ( ru ) *	2014-11-20	2016-01-20	Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Нижегородский государственный технический университет им. Р.Е. Алексеева», НГТУ	Инерциальный элемент
RU2649249C1 ( ru ) *	2016-11-10	2018-03-30	федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования «Южный федеральный университет» (Южный федеральный университет)	Интегральный микромеханический гироскоп-акселерометр

Publication	Publication Date	Title
US8746067B2 ( en )	2014-06-10	MEMS tunneling accelerometer
US7876182B2 ( en )	2011-01-25	Miniaturized relay and corresponding uses
US9315377B2 ( en )	2016-04-19	Acceleration sensor for detecting acceleration in three directions
RU2618482C1 ( ru )	2017-05-03	Датчик ускорения, а также способ изготовления датчика ускорения
CN106809799B ( zh )	2018-07-20	加速度传感器及其制造方法
US9035649B2 ( en )	2015-05-19	3D MEMS magnetometer
KR20170092691A ( ko )	2017-08-11	관성 측정 모듈 및 ３축 가속도계
CN113624991A ( zh )	2021-11-09	一种z轴加速度计
CN109490576A ( zh )	2019-03-19	一种基于soi的全差分电容式mems加速度计
RU192953U1 ( ru )	2019-10-08	Мэмс-акселерометр
US9689933B2 ( en )	2017-06-27	Magnetic field sensor
CN104764904B ( zh )	2018-04-10	一种三轴压电加速度计
CN205139171U ( zh )	2016-04-06	加速度传感器
CN104459204B ( zh )	2017-07-28	惯性测量模块及三轴加速度计
CN104459203B ( zh )	2017-08-25	一种加速度计中的z轴结构及三轴加速度计
US9804233B2 ( en )	2017-10-31	MEMS magnetic field sensor
CN216900613U ( zh )	2022-07-05	一种三轴加速度计
CN204848255U ( zh )	2015-12-09	一种基于电磁感应的微惯性传感器
RU187949U1 ( ru )	2019-03-25	Чувствительный элемент мэмс-акселерометра с измеряемым диапазоном ускорений большой амплитуды
CN113624995A ( zh )	2021-11-09	一种三轴加速度计
JP2002350459A ( ja )	2002-12-04	振動センサ、及び振動センサの製造方法
RU190397U1 ( ru )	2019-07-01	Микромеханический осевой акселерометр
US9696339B2 ( en )	2017-07-04	Three-axis accelerometer
JP2015004546A ( ja )	2015-01-08	静電容量変化検出モジュール及びｍｅｍｓセンサ
CN204758626U ( zh )	2015-11-11	基于滑膜阻尼的微惯性传感器