Микрорезонатор с термическим возбуждением

Изобретение относится к кремниевым резонаторам. Техническим результатом изобретения является повышение КПД, расширение диапазона частот и амплитуды колебаний а также повышение чувствительности и точности микрорезонатора. Микрорезонатор с термическим возбуждением содержит опорную рамку и колебательное тело в виде кремниевой балки с резистивным нагревателем. Кремниевая балка выполнена длиной 5-10 мм с защемленными концами заодно с несущей рамкой, но изолированной от нее электрически, имеет по краям и в центре участки уменьшенного поперечного сечения шириной 30-50 и толщиной 5-15 мкм, выполняющие роль шарниров, причем центральный из них служит также термо- и пьезорезистором. Тело кремниевой балки легировано неоднородно, так, что удельное сопротивление резистивной части в 100-1000 раз выше, чем остальной его части, являющейся токовводами с контактными площадками, размещенными на противоположных сторонах рамки, причем две части балки, имеющие повышенное поперечное сечение, служат инерциальными массами, которые могут быть увеличены за счет дополнительного закрепленного груза. 1 ил.

 

Изобретение относится к измерительной технике, более конкретно к преобразователям различных физических параметров в электрические.

Использование резонаторов в качестве универсальных преобразователей основано на том, что частота собственных колебаний зависит не только от формы, размера и материала балки или иного резонирующего тела, но и от многих внешних условий: давления, состава, температуры окружающей среды, линейного и углового ускорений, состояния поверхности и т.д. Измерение резонансной частоты поэтому может служить мерой перечисленных и многих других воздействий.

Возбуждение колебаний резонаторов возможно за счет различных видов энергии, но наиболее соответствует микроэлектронному исполнению прибора тепловая, т.к. для ее генерации требуется лишь микрорезистор.

Известна конструкция кремниевого монокристаллического резонатора с термическим возбуждением, в которой колебания создаются вследствие неравномерного по толщине одностороннего нагрева резонирующей балки с помощью резистора, нанесенного на одну из ее сторон, в результате чего происходит ее чистый изгиб [1]. В этой конструкции колебательное тело - кремниевая консоль, выполненная заодно с несущей рамкой, имеет толщину не менее 200 мкм, т.к. только при этом удается создать необходимый для деформации градиент температуры, т.е. нагреваемое тело является «термически толстым».

Известна также конструкция резонатора с оптическим возбуждением колебаний, принятая нами за прототип, но и в нем лучистая энергия превращается в тепловую, и деформация происходит точно по той же причине, что в чисто термическом варианте [2]. Характерная особенность этой конструкции состоит в том, что колебательное тело имеет большую (по меркам микромеханики) толщину, а деформация представляет собой чистый изгиб.

Это устройство обладает следующими недостатками: температура нагреваемого тела не поддается измерению современными средствами, а отсутствие контроля этого важного параметра прибора требует использования внешней системы термостатирования, что связано с резким увеличением инерционности, энергопотребления и массы;

большая толщина тела резонатора, обусловленная теплопередачей внутри его объема, приводит к возбуждению колебаний высоких частот малой амплитуды, поэтому сигнал на выходе мал, что объясняет низкую чувствительность и точность сенсора;

создание градиента температуры требует бесполезной затраты тепла, так как прогрев объема только уменьшает прогиб. Прибор оказывается энергоемким, и это затрудняет его использование в переносном варианте.

Целью изобретения является повышение КПД, расширение диапазона частот и амплитуды колебаний и благодаря этому - увеличение чувствительности и точности микрорезонатора.

Поставленная цель достигается тем, что кремниевая балка выполнена длиной 5-10 мм с защемленными концами заодно с несущей рамкой, но изолированной от нее электрически, имеет по краям и в центре участки уменьшенного поперечного сечения шириной 30-50 и толщиной 5-15 мкм, выполняющих роль шарниров, причем центральный из них служит также термо- и пьезорезистором, а тело кремниевой балки легировано неоднородно так, что удельное сопротивление резистивной части в 100-1000 раз выше, чем остальной его части, являющейся токовводами с контактными площадками, размещенными на противоположных сторонах рамки, причем две части балки, имеющие повышенное поперечное сечение, служат инерциальными массами, которые могут быть увеличены за счет дополнительного закрепленного груза.

Схема устройства представлена на чертеже, где:

1 - термо и пьезорезитор;

2 - инерциальная масса;

3 - псевдошарнир;

4 - контактная площадка;

5 - несущая рамка.

Новизна заявленного изобретения состоит в том, что ток протекает по всему сечению балки, вызывая нагрев и удлинение, приводящее к продольному изгибу большой амплитуды, поскольку деформационное напряжение велико, а момент инерции сечения чрезвычайно мал (10^-21-10^-24 м⁴). Указанные его пределы обусловлены: нижний - механической прочностью балки; верхний - предельным значением упругой деформации σ_пр.

Микрорезонатору, имеющему указанные выше размеры, присущи эффекты гигантской теплоотдачи и термофореза, обнаруженные авторами [3], следствием чего является чрезвычайно низкая, несвойственная обычно тепловым процессам, инерционность, и цикл нагрев-охлаждение может составлять всего 10^-3 с, что позволяет за счет импульсного питания изменять частоту колебаний во всем килогерцевом диапазоне и настраивать систему на резонанс в соответствии с инерциальной массой.

В диапазоне концентраций носителей в кремнии 10¹⁴-10¹⁷ см³ на резистивном участке нагревателя его ВАХ четко выявляет экстремальную температуру, соответствующую переходу от примесной электропроводности к собственной. С помощью электронной схемы, использующей эту точку в качестве репера, температура может стабилизироваться в диапазоне 140-380°С независимо от температуры окружающей среды.

По мнению авторов, предлагаемое изобретение соответствует критерию «изобретательный уровень».

Микрорезонатор работает следующим образом.

При подаче на контакты резистора импульса тока и его нагреве за счет джоулева тепла возникают продольные сжимающие напряжения, которые в сочетании с силой термофореза, направленной в сторону холодного корпуса, приводят к продольно-поперечному изгибу. Такой вид деформации обеспечивает повышение КПД по сравнению с прототипом, т.к. колебательное тело содержит механические напряжения только одного знака, тогда как в прототипе одна его сторона растягивается, а другая - сжимается. Значительное - в 10-15 раз - уменьшение толщины резонирующего тела по сравнению с прототипом обеспечивает снижение резонансной частоты и амплитуды в 100-200 раз и примерно такое же увеличение чувствительности

Пример.

Резонатор в виде рамки с поперечной перемычкой - колебательным телом, имеющим сечение в суженных участках 15×15 мкм², - был изготовлен из монокристаллического кремния с удельным сопротивлением 7 Ом·см с температурой перехода от примесной электропроводности к собственной, равной 180°С (реперная точка). Инерциальная масса составляла 300 мг.

Нагрев осуществлялся импульсами тока в 1 мс, причем мощность составляла 50 мВт.

Резонансная частота, определенная с помощью тензометра - 500 Гц, амплитуда колебаний - 200 мкм. Сопоставление параметров приводится в таблице.

	Устройство-прототип	Заявленное устройство
Диапазон частот, кГц	100...200	0,5...1
Амплитуда, мкм	0,1	До 200
Потребляемая мощность, мВт	1000	50
Стабильность (уход, % в течение 100 часов)	Нет данных	1

Источники информации

1. T.S.J.Lammerink, M.Elsenspoek. "Performance of Thermally exited Resonators". Sensors and Actuators, v. A 21-23, 1990, 352-356.

2. L.M.Zhang, D.Uttamchandani, B.Culshaw. Excitation of silicon microresonators using short optical pulses. Sensors and Actuators A-21-A-23, 1990, 391-393. - прототип.

3. Доклады АН РФ, 1999, №2, стр.361

Микрорезонатор с термическим возбуждением, содержащий опорную рамку и колебательное тело в виде кремниевой балки с резистивным нагревателем, отличающийся тем, что кремниевая балка выполнена длиной 5-10 мм с защемленными концами заодно с несущей рамкой, но изолированной от нее электрически, имеет по краям и в центре участки уменьшенного поперечного сечения шириной 30-50 и толщиной 5-15 мкм, выполняющих роль шарниров, причем центральный из них служит также термо- и пьезорезистором, а тело кремниевой балки легировано не однородно так, что удельное сопротивление резистивной части в 100-1000 раз выше, чем остальной его части, являющейся токовводами с контактными площадками, размещенными на противоположных сторонах рамки, причем две части балки, имеющие повышенное поперечное сечение, служат инерциальными массами, которые могут быть увеличены за счет дополнительного закрепленного груза.