Двухбалочный акселерометр

Изобретение относится к полупроводниковым приборам для преобразования механических воздействий в электрический сигнал, измерение которого позволяет определить ускорение или силу ударов. Интегральный кремниевый тензоакселерометр содержит две инерционные массы, расположенные идентично относительно направления движения с ускорением и идентично расположенные одинаково направленные пары тензорезисторов на двух концентраторах, соединяющих массы с неподвижной частью. Показатель качества повышается за счет двух факторов. Во-первых, повышается чувствительность тензорезисторов при использовании кремниевых пластин с ориентацией в плоскости (110) и направлением оси резисторов в кристаллографическом направлении (111) с наибольшой чувствительностью. Во-вторых, за счет повышения собственной частоты колебаний маятникового подвеса введением упругой связи между двумя инерционными массами. Начальный разбаланс исключается за счет идентичности расположения тензорезисторов на концентраторах. 4 ил.

 

Изобретение относится к полупроводниковым приборам для преобразования механических воздействий в электрический сигнал, измерение которого позволяет определить ускорение или силу ударов.

Полупроводниковые датчики величины и направления ускорения - акселерометры находят все более широкое распространение в интегрированных микросистемах благодаря возможности их объединения с остальными компонентами микросистем методами микроэлектроники и создания микроминиатюрных приборов для контроля и управления в автоматизированных комплексах различного назначения.

В настоящее время интенсивно развиваются /1/ интегральные полупроводниковые акселерометры маятникого типа с тензорезистивными и емкостными преобразователями механического перемещения инерционной массы под действием ускорения в электрический сигнал за счет изменения сопротивления тензорезисторов или емкости между подвижными и неподвижными элементами.

Известен кремниевый тензоакселерометр /2/, содержащий корпус с консольно закрепленной в нем кремниевой балкой с инерционной массой на конце балки. В монокристаллической балке со стороны рабочей поверхности методами изготовления интегральных схем сформированы диффузионные тензорезисторы, номинал которых изменяется под воздействием механических напряжений при изгибе балки вследствие действия силы инерции со стороны инерционной массы при движении устройства с ускорением. Основным недостатком данного акселерометра является его низкая чувствительность вследствие прогиба всей толщины балки.

Данный недостаток устранен в интегральном кремниевом акселерометре, изготовленном с применением анизотропного травления /3/. С помощью травления формируется утонение балки, в котором происходит концентрация напряжений, что повышает тензоэффект. Тензорезисторы в виде моста размещаются на концентраторе, а контактные площадки на закрепленной части балки. Незакрепленная часть балки служит инерционной массой, которая при движении с ускорением в направлении, перпендикулярном рабочей поверхности кристалла, изгибает концентратор. Напряжения в концентраторе вызывают разбаланс моста, подключенного к напряжению питания. Разность напряжений на плечах моста является выходным сигналом. Недостатками данного акселерометра являются низкий показатель качества (произведение чувствительности на квадрат резонансной частоты) и высокая поперечная чувствительность. При увеличении инерционной массы повышается чувствительность и одновременно снижается резонансная частота как за счет увеличения массы, так и за счет увеличения расстояния от концентратора до центра тяжести инерционной массы. Высокая поперечная чувствительность определяется несовпадением центра инерционной массы с нейтральной плоскостью, проходящей посередине между поверхностями концентратора.

В интегральном балочном преобразователе, изготавливаемом на кремниевых пластинах с плоскостью, ориентированной по кристаллографическому направлению (100) /4/, введена упрощенная прямоугольная конфигурация закрепленной части балки и инерционной массы. Центры резисторов тензомоста на концентраторе расположены на одной линии посередине между закрепленной частью балки и инерционной массой и имеют кристаллографическое направление (110). Контактные площадки, кроме обычной алюминиевой металлизации, имеют область, покрытую припоем, для облегчения монтажа кристаллов в аппаратуру. Сквозные фигуры совмещения обеспечивают повышение точности совмещения при монтаже кристаллов на основание. Вокруг р+ тензорезисторов сформированы n+ области охраны от утечек. Эти конструктивные и технологические усовершенствования позволяют повысить выход годных кристаллов с заданными метрологическими характеристиками.

В акселерометре /5/ между корпусом и инерционной массой введена демпфирующая жидкость, удерживаемая силами поверхностного натяжения и обеспечивающая повышение показателя качества.

Повышение чувствительности и линейности выходного сигнала в интегральном балочном преобразователе /6/ достигается введением второго концентратора. Тензорезисторы располагаются по два на каждом концентраторе вдоль или поперек балки. Между концентраторами располагается третье основание и оно являются инерционной массой. Два крайних основания жестко закреплены. Перемещение одного из закрепленных оснований приводит к изгибу балки и формированию сигнала на мосте из тензорезисторов. Техническим результатом введения второго концентратора является повышение чувствительности и линейности выходного сигнала мостовой схемы тензопреобразователя при его использовании в устройствах для измерения силы или микроперемещений параллелограммного типа.

В патенте США /7/ предлагаются структура и способ изготовления монокристаллического кремниевого сенсора с высоким коэффициентом преобразования и линейностью. Изобретение обеспечивает формирование структуры полупроводникового емкостного сенсора в слое монокристаллической пластины в виде балки, ограниченной плоскостями двумя противоположно расположенными исходными горизонтальными неосновными и двумя противоположно расположенными вертикальными главными поверхностями, изготавливаемыми плазменным глубинным травлением. Соотношение площадей поверхностей главной и неосновной поверхностей составляет 5:1. Под сенсором располагается носитель с углублением, над которым подвешивается сенсор.

В патенте /8/ предлагается резистивный акселерометр с вращением инерционной массы в двух рамках. Акселерометр имеет рамку для поддержания инерционной массы на паре внешних связей, расположенных вдоль одной оси. Внутри первой рамки имеется другая рамка со связями вдоль одной или нескольких осей. Фиксируется перемещение и вращение масс.

В патенте /9/ предлагается резистивный акселерометр с вращением в одной рамке груза на двух противолежащих балках с сопротивлениями. При измерениях фиксируются резонансные частоты.

Наиболее близким аналогом, принятым за прототип, является патент /10/. Повышение показателя качества и снижение поперечной чувствительности достигается в интегральном кремниевом тензоакселерометре, который содержит выполненные из единой монокристаллической кремниевой подложки два основания и соединяющий их концентратор механических напряжений, представляющий собой утоненную часть подложки со стороны нерабочей поверхности. На рабочей стороне концентратора сформированы диффузионные тензорезисторы, соединенные металлизацией в мостовую схему. Первое основание закреплено в корпусе, а на втором установлен дополнительный груз. Груз закреплен таким образом, что общий центр масс второго основания и груза был равно удален от плоскостей рабочей и нерабочей поверхностей концентратора. Масса груза больше массы второго основания.

Недостатки этого прибора определяются тем, что для повышения чувствительности и снижения поперечной чувствительности на подвижном основании закреплен груз. Наличие груза приводит к снижению резонансной частоты и показателя качества (произведение чувствительности на квадрат резонансной частоты). Высокая поперечная чувствительность зависит от точности закрепления груза. При изготовлении акселерометров на кремниевых пластинах с плоскостью, ориентированной по кристаллографическому направлению (100), два резистора тензомоста на концентраторе расположены вдоль балки, а два другие поперек. Различие положения тензорезисторов на концентраторе приводит к начальному разбалансу моста.

Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является повышение качества измерений ускорения или силы ударов.

Технический результат, достигаемый при осуществлении изобретения, выражается в получении высокого показателя качества и уменьшении начального разбаланса моста в интегральном кремниевом тензоакселерометре.

Для достижения вышеуказанного технического результата в двухбалочном акселерометре, содержащем интегральный кремниевый тензоакселерометр на единой монокристаллической кремниевой подложке в виде двух основных частей закрепленной и подвижной, служащей инерционной массой и расположенного между основными частями концентратора механических напряжений, на котором сформированы диффузионные тензорезисторы, соединенные металлизацией в мостовую схему, акселерометр дополнительно снабжен второй подвижной инерционной массой, расположенной идентично с первой относительно закрепленной части, таким образом, что направление движения инерционных масс с ускорением одинаково, и упругой перемычкой между инерционными массами, вторым концентратором с парой резисторов, расположенных идентично с парой резисторов на первом концентраторе, причем длинная сторона резисторов направлена по кристаллографическому направлению (111).

Суть изобретения состоит в изменении конструкции интегрального кремниевого тензоакселерометра за счет создания двух инерционных масс, расположенных идентично относительно направления движения с ускорением и идентичного расположения одинаково направленных пар тензорезисторов на двух концентраторах. Такая структура исключает начальный разбаланс за счет идентичности расположения тензорезисторов. Показатель качества повышается за счет двух факторов. Повышения чувствительности тензорезисторов при использовании кремниевых пластин с ориентацией (110) и направлением оси резисторов в кристаллографическом направлении с наибольшей чувствительностью [111]. Повышения собственной частоты при использовании упругой связи между двумя резонирующими инерционными массами.

Идентичность расположения резисторов обеспечивается точностью процесса фотолитографии при формировании резисторов и тем, что глубинное плазмохимическое травление подложки для формирования контуров инерциальных масс, концентраторов и закрепляемой части проводится с использованием фотолитографии на лицевой стороне пластины кремния. Идентичность расположения резисторов обеспечивает минимальный начальный разбаланс тензомоста.

На фиг.1 представлена конструкция двухбалочного акселерометра, схема включения напряжения дана на фиг.2, распределение продольных механических напряжений в поперечном сечении концентраторов приведено на фиг.3, деформация двухбалочного акселерометра показана на фиг.4.

На фиг.1 показана топология планарной структуры двухбалочного акселерометра, где прибор состоит из закрепленной части монокристаллической подложки первого типа проводимости (1), первой инерционной массы (2) из подложки первого типа проводимости, первого концентратора напряжений (3) из подложки первого типа проводимости, второй инерционной массы (4) из подложки первого типа проводимости, второго концентратора напряжений (5) из подложки первого типа проводимости, упругой связи (6) между инертными массами из подложки первого типа проводимости, тензорезистора R1 (7) из диффузионного слоя второго типа проводимости, тензорезистора R2 (8) из диффузионного слоя второго типа проводимости, тензорезистора R3 (9) из диффузионного слоя второго типа проводимости, тензорезистора R4 (10) из диффузионного слоя второго типа проводимости, разводки р+ - областями (11) из диффузионного слоя второго типа проводимости и металлизацией (12), металлизация контактных площадок выхода U1 (13), контактных площадок питания Uпит (15), контактных площадок общего вывода Uобщ (14), контактных площадок выхода U2 (16).

На фиг.2 дана схема включения тензорезистивного моста Уинстона, состоящего из тензорезисторов R1 (7), R2 (8), R3 (9), R4 (10). На контактную площадку общего вывода Uобщ (14) подается нулевой потенциал. На контактную площадку питания Uпит (15) подается напряжение питания Епит. С контактной площадки выхода U1 (13) снимается потенциал с левого плеча моста, а с контактной площадки выхода U2 (16) снимается потенциал с правого плеча моста.

При воздействии силы инерции F=m·а на инерционные массы в направлении вдоль поверхности прибора, как показано на фиг.1, происходит перемещение масс и изгиб балок в области концентраторов. Изгиб концентраторов создает в них механические напряжения.

Пример конкретного выполнения приведен на фиг.3, где показано распределение продольных механических напряжений σ_xx в поперечном сечении концентраторов шириной 20 мкм при ускорении 20g. Максимальные напряжения σ_xx=-2 МПа, 2 МПа находятся на краях концентратора и здесь располагаются резисторы. На одном краю концентратора напряжения растягивающие, а на другом сжимающие. Поэтому знак тензочувствительности разный и сопротивление на одном краю увеличивается, а на другом краю уменьшается. В середине концентратора механические напряжения близки к нулю и здесь размещается разводка схемы в виде р+ - областей или металлизации. Изменение падения напряжения на резисторах при механическом воздействии ускорения 20g при ориентации резисторов вдоль кристаллографического направления [111] составляет 10 мВ, т.е. чувствительность равна S=0,5 мВ/g.

На фиг.4 представлен двухбалочный акселерометр в деформированном состоянии при действии переменной нагрузки. Собственная резонансная частота составила f_собст.=36,4 кГц. Фактор качества равен произведению k=S·f_собст ²=662,5 мВ·кГц²/g.

Поскольку концентратор имеет такую же толщину, как и инерциальная масса, поперечная чувствительность сведена к минимуму.

Источники информации

1. Микроэлектромеханические системы. Принципы построения и конструкции акселерометров / В.Я.Распопов // Датчики и системы, №7, 2005 г., с.22-33.

2. Тензоакселерометр, А/С 504978, 07.10.1974, МКИ G01P 15/12.

3. Интегральные тензопреобразователи, Ваганов В.И., М. Энергоиздат, 1983.

4. Интегральный балочный тензопреобразователь, Данилова Н.Л., Зимин В.Н., Синицин Б.В., Салахов Н.З., Шелепин Н.А., Небусов В.М. Патент РФ 2006993.

5. Акселерометр, Брехов Р.С. Патент РФ №2091797.

6. Интегральный балочный тензопреобразователь, Зимин В.Н., Салахов Н.З., Шабратов Д.В., Шелепин Н.А., Небусов В.М., Синицин Б.В. Патент РФ 2035090.

7. Патент Peterson and al. N US 6084257, May 24, 1995.

8. Патент Kvisteroey et al. N EP 00305807.0, Jul 20, 2000.

9. Патент Kvisteroey et al. N EP 00305111.7, Jun 16, 2000.

10. Интегральный кремниевый тензоакселерометр, Шелепин Н.А., Брехов Р.С. Описание к заявке РФ №94006873 - прототип.

Двухбалочный акселерометр, содержащий интегральный кремниевый тензоакселерометр на единой монокристаллической кремниевой подложке в виде двух основных частей закрепленной и подвижной, служащей инерционной массой, и расположенного между основными частями концентратора механических напряжений, на котором сформированы диффузионные тензорезисторы, соединенные металлизацией в мостовую схему, отличающийся тем, что акселерометр содержит дополнительно вторую подвижную инерционную массу, расположенную идентично с первой относительно закрепленной части, так что направление движения инерционных масс с ускорением будет одинаковое, упругую перемычку между инерционными массами, второй концентратор с парой резисторов, расположенных идентично с парой резисторов на первом концентраторе, причем длинная сторона резисторов направлена по кристаллографическому направлению (111).