RU2526789C1 - Integral accelerometer sensitive element - Google Patents
Integral accelerometer sensitive element Download PDFInfo
- Publication number
- RU2526789C1 RU2526789C1 RU2013110978/28A RU2013110978A RU2526789C1 RU 2526789 C1 RU2526789 C1 RU 2526789C1 RU 2013110978/28 A RU2013110978/28 A RU 2013110978/28A RU 2013110978 A RU2013110978 A RU 2013110978A RU 2526789 C1 RU2526789 C1 RU 2526789C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- frame
- plates
- recesses
- pendulum
- sensitive element
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Pressure Sensors (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к измерительной технике и может применяться в интегральных акселерометрах.The invention relates to measuring equipment and can be used in integrated accelerometers.
Известен чувствительный элемент емкостного акселерометра, который содержит подвижную пластину с планарными выступами и вертикальными выступами, выполненными из проводящего материала. Планарные выступы соединены с концами проводящих упругих ленточных растяжек, противоположные концы которых соединены с проводящей несущей рамкой. На поверхности пластин выполнены тонкопленочные неподвижные электроды и охватывающие их по периметру с зазором полосковые тонкопленочные экраны, расположенные с зазором над выступами. Внешние выводы экранов соединены с несущей рамкой. Электроды и экраны отделены диэлектрическим материалом пластин от тонкопленочных экранирующих электродов, соединенных между собой. Диэлектрические пластины выполнены из стекла [1].A sensitive element of a capacitive accelerometer is known, which comprises a movable plate with planar protrusions and vertical protrusions made of conductive material. The planar protrusions are connected to the ends of the conductive elastic tape stretch marks, the opposite ends of which are connected to the conductive supporting frame. Thin-film stationary electrodes are made on the surface of the wafers and strip thin-film screens located with a gap above the protrusions around the perimeter with a gap are made. The external terminals of the screens are connected to the supporting frame. The electrodes and shields are separated by the dielectric material of the plates from the thin-film shielding electrodes interconnected. Dielectric plates are made of glass [1].
Недостатком такого чувствительного элемента является высокая погрешность измерения, обусловленная соединением несущей рамки и диэлектрических пластин по всему периметру несущей рамки, что увеличивает площадь соединения и приводит к значительным механическим напряжениям в местах соединения несущей рамки и диэлектрических пластин. Механические напряжения передаются на упругие ленточные растяжки, что вызывает их деформацию. В свою очередь, деформация упругих ленточных растяжек приводит к отклонению подвижной пластины относительно неподвижных в отсутствии внешних воздействий измеряемой величины, что увеличивает погрешность измерения.The disadvantage of this sensitive element is the high measurement error due to the connection of the carrier frame and dielectric plates around the perimeter of the carrier frame, which increases the connection area and leads to significant mechanical stresses at the junction of the carrier frame and dielectric plates. Mechanical stresses are transmitted to elastic tape stretch marks, which causes their deformation. In turn, the deformation of the elastic tape stretch leads to the deviation of the movable plate relatively motionless in the absence of external influences of the measured value, which increases the measurement error.
Кроме того, несимметричность конструкции чувствительного элемента (сдвиг диэлектрических пластин друг относительно друга) требует прецизионной оснастки для сборки чувствительного элемента, предусматривающей возможность соединения подвижной пластины с диэлектрическими пластинами с определенным смещением, что увеличивает сложность изготовления оснастки, требует контроля величины данного смещения.In addition, the asymmetry of the design of the sensitive element (the shift of the dielectric plates relative to each other) requires precision equipment for assembling the sensitive element, which provides the ability to connect the movable plate with dielectric plates with a certain offset, which increases the complexity of manufacturing the snap, requires control of the magnitude of this offset.
Известен также чувствительный элемент интегрального акселерометра, содержащий первую пластину, в которой образованы соединенные упругим шарниром неподвижная часть и подвижная часть с электропроводными поверхностями, дифференциальный емкостный преобразователь положения с неподвижными электродами на второй и третьей пластинах. На второй пластине выполнены первый и второй неподвижные электроды. На третьей пластине выполнены третий и четвертый неподвижные электроды. Одна часть дифференциального емкостного преобразователя положения образована первым и вторым неподвижными электродами и одной электропроводной поверхностью подвижной части, другая часть образована третьим и четвертым неподвижными электродами и второй электропроводной поверхностью подвижной части [2].A sensor element of an integrated accelerometer is also known, comprising a first plate, in which a fixed part and a moving part with electrically conductive surfaces connected by an elastic joint are formed, a differential capacitive position transducer with fixed electrodes on the second and third plates. The first and second fixed electrodes are made on the second plate. The third and fourth stationary electrodes are made on the third plate. One part of the differential capacitive position transducer is formed by the first and second fixed electrodes and one electrically conductive surface of the moving part, the other part is formed by the third and fourth fixed electrodes and the second electrically conductive surface of the movable part [2].
Недостатками такого чувствительного элемента являются низкие метрологические характеристики, обусловленные необходимостью использования прокладок для создания зазора между первой и второй пластиной, между первой и третьей пластиной. Увеличение количества деталей при сборке чувствительного элемента приводит к увеличению температурных напряжений в местах соединения пластин с прокладками, которые передаются на упругие перемычки, что ведет к увеличению погрешности измерений.The disadvantages of this sensitive element are low metrological characteristics, due to the need to use gaskets to create a gap between the first and second plate, between the first and third plate. An increase in the number of parts during the assembly of the sensing element leads to an increase in temperature stresses at the junction of the plates with gaskets, which are transmitted to the elastic jumpers, which leads to an increase in the measurement error.
Кроме того, увеличение количества деталей при сборке чувствительного элемента приводит к увеличению времени сборки.In addition, an increase in the number of parts during assembly of the sensing element leads to an increase in assembly time.
Наиболее близким аналогом, принятым за прототип, является чувствительный элемент интегрального акселерометра [3]. Чувствительный элемент выполнен из проводящего монокристаллического кремния и содержит маятник, соединенный с помощью упругих подвесов с каркасной рамкой, которая через неподвижную обкладку с помощью консольной балки соединена с несущей рамкой. Несущая рамка площадками крепления жестко соединена с основанием акселерометра.The closest analogue adopted for the prototype is the sensitive element of the integrated accelerometer [3]. The sensitive element is made of conductive single-crystal silicon and contains a pendulum connected by means of elastic suspensions with a frame frame, which is connected through a cantilever beam to a supporting frame. The supporting frame is fixedly connected to the base of the accelerometer by the mounting platforms.
Недостатками данного чувствительного элемента являются низкие метрологические характеристики, обусловленные необходимостью выполнения несущей рамки и, как следствие, сложностью точного совмещения деталей - каркасной рамки с упругими подвесами и маятником, неподвижных обкладок, несущей рамки с консольной балкой, что требует сложной оснастки для сборки чувствительного элемента. Рассовмещение неподвижных обкладок и каркасной рамки относительно несущей рамки будет приводить к неточной установке чувствительного элемента на неподвижное основание акселерометра, что может вызвать прогиб упругих подвесов в отсутствие измеряемого ускорения и появление погрешности при проведении измерений.The disadvantages of this sensitive element are low metrological characteristics, due to the need to perform a supporting frame and, as a result, the difficulty of accurately combining parts - a frame with elastic suspensions and a pendulum, fixed plates, a supporting frame with a cantilever beam, which requires complex equipment for assembling the sensitive element. The misalignment of the fixed plates and the frame relative to the supporting frame will lead to an inaccurate installation of the sensor on the fixed base of the accelerometer, which can cause deflection of the elastic suspensions in the absence of measured acceleration and the appearance of an error during measurements.
При сборке интегрального акселерометра необходимо провести соединение деталей - маятника, соединенного упругими подвесами с каркасной рамкой, и обкладок в монолитную конструкцию. Известно, что детали чувствительных элементов акселерометров имеют малые габариты и массу, отличаются прецизионностью выполнения размеров [4]. Рассовмещение деталей при сборке приводит к начальному разбалансу емкостей дифференциального конденсатора чувствительного элемента, что в дальнейшем ведет к сложности настройки прибора и погрешности измерения ускорения.When assembling an integrated accelerometer, it is necessary to connect parts - a pendulum connected by elastic suspensions to the frame frame, and plates in a monolithic design. It is known that the details of the sensitive elements of accelerometers have small dimensions and weight, they are characterized by the precision of the dimensions [4]. The misalignment of parts during assembly leads to an initial imbalance in the capacitance of the differential capacitor of the sensing element, which further leads to the complexity of the instrument setup and the error in measuring acceleration.
Сборка чувствительных элементов интегральных акселерометров требует большой точности совмещения деталей и прецизионной технологической оснастки.The assembly of sensitive elements of integrated accelerometers requires great accuracy in combining parts and precision technological equipment.
Задачей, на решение которой направлено данное изобретение, является повышение метрологических характеристик путем усовершенствования конструкции чувствительного элемента интегрального акселерометра.The problem to which this invention is directed, is to increase metrological characteristics by improving the design of the sensitive element of the integrated accelerometer.
Поставленная задача достигается за счет того, что чувствительный элемент интегрального акселерометра, содержащий кремниевый проводящий маятник, соединенный упругими подвесами с каркасной рамкой, обкладки, соединенные с каркасной рамкой через площадки, расположенные на рамке, согласно предлагаемому изобретению на обкладках выполнены выемки, причем геометрический центр выемок совпадает с геометрическим центром площадок, расположенных в местах соединения маятника с обкладками, при этом высота площадок больше емкостного зазора и обусловлена диапазоном измерения.The problem is achieved due to the fact that the sensitive element of the integrated accelerometer containing a silicon conductive pendulum connected by elastic suspensions to the frame frame, plates connected to the frame frame through platforms located on the frame, according to the invention, the plates are made recesses, and the geometric center of the recesses coincides with the geometric center of the sites located at the junction of the pendulum with the plates, while the height of the sites is greater than the capacitive gap and The range of measurement.
Кроме того, в соответствии с заявляемым изобретением геометрические размеры верхнего основания площадок составляют a×b,In addition, in accordance with the claimed invention, the geometric dimensions of the upper base of the sites are a × b,
где a, b - длина и ширина верхнего основания площадок, геометрические размеры нижнего основания выемок определяются как:where a, b - the length and width of the upper base of the sites, the geometric dimensions of the lower base of the recesses are defined as:
(a+Δ)×(b+Δ),(a + Δ) × (b + Δ),
где Δ - технологический допуск на изготовление деталей, величина Δ находится в пределах (5…10) мкм.where Δ is the technological tolerance for the manufacture of parts, the value of Δ is in the range (5 ... 10) microns.
Изобретение также предусматривает, что на поверхностях выемок и площадок сформированы последовательно слои диэлектрика и металла для улучшения качества соединения.The invention also provides that dielectric and metal layers are successively formed on the surfaces of the recesses and pads to improve the quality of the connection.
Кроме того, обкладки выполнены из материала, аналогичного материалу маятника - монокристаллического кремния.In addition, the plates are made of a material similar to the material of the pendulum - single-crystal silicon.
При этом высота площадок больше емкостного зазора, образованного поверхностью маятника и поверхностью металлизации, нанесенной на обкладки, и позволяет регулировать величину зазора и соответственно величину диапазона измерения.Moreover, the height of the sites is greater than the capacitive gap formed by the surface of the pendulum and the metallization surface deposited on the plates, and allows you to adjust the size of the gap and, accordingly, the size of the measurement range.
На поверхностях выемок и площадок сформированы последовательно слои диэлектрика и металла для улучшения качества соединения.On the surfaces of the recesses and pads, dielectric and metal layers are successively formed to improve the quality of the connection.
В одном частном случае исполнения чувствительного элемента интегрального акселерометра обкладки выполнены из материала, аналогичного материалу маятника - монокристаллического кремния.In one particular case of the execution of the sensitive element of the integrated accelerometer, the plates are made of a material similar to the material of the pendulum - monocrystalline silicon.
При сборке чувствительного элемента необходимо привести в тесное соприкосновение детали - маятник, подвешенный с помощью упругих подвесов на каркасной рамке, и обкладки. При этом площадки, расположенные на каркасной рамке, заходят в выемки, расположенные на обкладках.When assembling the sensing element, it is necessary to bring into close contact the details - the pendulum suspended by means of elastic suspensions on the frame frame and the lining. At the same time, the platforms located on the frame frame go into the recesses located on the plates.
Геометрические размеры верхнего основания площадок составляютThe geometric dimensions of the upper base of the sites are
a×b,a × b
где a, b - длина, ширина верхнего основания площадок соответственно. Геометрические размеры нижнего основания выемок определяются как:where a, b are the length, width of the upper base of the sites, respectively. The geometric dimensions of the lower base of the recesses are defined as:
(a+Δ)×(b+Δ),(a + Δ) × (b + Δ),
где Δ - технологический допуск на изготовление деталей, величина Δ находится в пределах (5…10) мкм.where Δ is the technological tolerance for the manufacture of parts, the value of Δ is in the range (5 ... 10) microns.
Соединение каркасной рамки и обкладок посредством площадок и выемок исключает люфт деталей при дальнейших операциях соединения. При этом выемки служат знаками совмещения при соединении деталей, что упрощает технологическую оснастку для сборки чувствительного элемента.The connection of the frame frame and plates by means of platforms and recesses eliminates the backlash of parts during further connection operations. In this case, the recesses serve as signs of alignment when connecting parts, which simplifies the technological equipment for assembling the sensitive element.
Слои диэлектрика и металла служат для улучшения адгезии при соединении деталей.The layers of dielectric and metal serve to improve adhesion when connecting parts.
Предлагаемый чувствительный элемент интегрального акселерометра иллюстрируется фиг.1 и фиг.2.The proposed sensitive element of the integrated accelerometer is illustrated in figure 1 and figure 2.
На фиг.1 изображена конструкция чувствительного элемента в сборе, где: 1 - каркасная рамка, 2 - упругие подвесы; 3 - маятник, 4 - обкладки, 5 - емкостный зазор, 6 - площадки соединения, 7 - выемки.Figure 1 shows the design of the sensor element assembly, where: 1 - frame frame, 2 - elastic suspensions; 3 - pendulum, 4 - plates, 5 - capacitive gap, 6 - connection pads, 7 - recesses.
На фиг.2 изображены: площадки крепления 6 и выемки 7 со сформированными слоями диэлектрика 10 и металла 11, верхнее основание 8 площадок 6, нижнее основание 9 выемок 7.Figure 2 shows: mounting
На каркасной рамке 1 с помощью упругих подвесов 2 подвешен маятник 3. На каркасной рамке 1 размещены площадки 6 для соединения с обкладками 4, на которых выполнены выемки 7 в местах соединения с площадками 6. На площадки 6 последовательно нанесены слои диэлектрика (диоксид кремния) 10 и металла 11. На поверхности выемок 7 также последовательно нанесены слои диэлектрика 10 и металла 11, которые служат для качественного соединения каркасной рамки 1 и обкладок 4 в процессе сборки чувствительного элемента интегрального акселерометра.A pendulum 3 is suspended on the
Дифференциальный конденсатор, необходимый для функционирования интегрального акселерометра, образован проводящей поверхностью кремниевого проводящего маятника 3 и металла 11, нанесенного на обкладки 4 со стороны маятника 3 с образованием емкостного зазора 5.The differential capacitor necessary for the operation of the integrated accelerometer is formed by the conductive surface of the silicon conductive pendulum 3 and
Устройство работает следующим образом. При действии ускорения вдоль оси, перпендикулярной к плоскости чувствительного элемента, маятник 3 отклоняется на угол, определяемый свойствами упругих подвесов 2 и величиной измеряемого ускорения. При этом изменяется емкостный зазор 5 в дифференциальном конденсаторе, что приводит к изменению электрических емкостей. Измеряя изменение емкостей, можно рассчитать величину воздействующего ускорения.The device operates as follows. Under the action of acceleration along an axis perpendicular to the plane of the sensing element, the pendulum 3 deviates by an angle determined by the properties of the elastic suspensions 2 and the magnitude of the measured acceleration. In this case, the capacitive gap 5 in the differential capacitor changes, which leads to a change in the electric capacitance. By measuring the change in capacitance, it is possible to calculate the magnitude of the effective acceleration.
Усовершенствование конструкции чувствительного элемента интегрального акселерометра заключается в следующем.Improving the design of the sensitive element of the integrated accelerometer is as follows.
При сборке чувствительного элемента необходимо привести в тесное соприкосновение детали - маятник 3, подвешенный с помощью упругих подвесов 2 на каркасной рамке 1, и обкладки 4. При этом площадки 6, расположенные на каркасной рамке 1, заходят в выемки 7, расположенные на обкладках 4.When assembling the sensitive element, it is necessary to bring into close contact the details - the pendulum 3 suspended by means of elastic suspensions 2 on the
Геометрические размеры верхнего основания 8 площадок 6 составляют a×b,The geometric dimensions of the upper base of 8
где a, b - длина, ширина верхнего основания 8 соответственно.where a, b - length, width of the
Геометрические размеры нижнего основания 9 выемок 7 определяются как:The geometric dimensions of the
(a+Δ)×(b+Δ),(a + Δ) × (b + Δ),
где Δ - технологический допуск на изготовление деталей, величина Δ находится в пределах (5…10) мкм.where Δ is the technological tolerance for the manufacture of parts, the value of Δ is in the range (5 ... 10) microns.
Соединение каркасной рамки 1 и обкладок 4 посредством площадок 6 и выемок 7 исключает люфт деталей при дальнейших операциях соединения. При этом выемки 7 служат знаками совмещения при соединении деталей, что упрощает технологическую оснастку для сборки чувствительного элемента.The connection of the
Слои диэлектрика 10 и металла 11 служат для улучшения адгезии при соединении деталей.The layers of
Соединение деталей с помощью площадок и выемок и выполнение слоев диэлектрика и металла на них устраняет рассовмещение деталей при сборке и, таким образом, уменьшает начальный разбаланс емкостей дифференциального конденсатора чувствительного элемента, что улучшает метрологические характеристики интегрального акселерометра при измерении ускорения.Connecting parts using pads and recesses and performing dielectric and metal layers on them eliminates misregistration of parts during assembly and, thus, reduces the initial imbalance in the capacitance of the differential capacitor of the sensing element, which improves the metrological characteristics of the integrated accelerometer when measuring acceleration.
Claims (4)
где a, b - длина и ширина верхнего основания площадок, геометрические размеры нижнего основания выемок определяются как:
(a+Δ)×(b+Δ),
где Δ - технологический допуск на изготовление деталей, величина Δ находится в пределах (5…10) мкм.2. The sensitive element according to claim 1, characterized in that the geometric dimensions of the upper base of the sites are a × b,
where a, b - the length and width of the upper base of the sites, the geometric dimensions of the lower base of the recesses are defined as:
(a + Δ) × (b + Δ),
where Δ is the technological tolerance for the manufacture of parts, Δ is in the range (5 ... 10) microns.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2013110978/28A RU2526789C1 (en) | 2013-03-12 | 2013-03-12 | Integral accelerometer sensitive element |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2013110978/28A RU2526789C1 (en) | 2013-03-12 | 2013-03-12 | Integral accelerometer sensitive element |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2526789C1 true RU2526789C1 (en) | 2014-08-27 |
Family
ID=51456256
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2013110978/28A RU2526789C1 (en) | 2013-03-12 | 2013-03-12 | Integral accelerometer sensitive element |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2526789C1 (en) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2773069C1 (en) * | 2021-11-25 | 2022-05-30 | Акционерное общество "Инерциальные технологии "Технокомплекса" (АО "ИТТ") | Sensing element of micromechanical accelerometer |
Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US6388300B1 (en) * | 1999-01-25 | 2002-05-14 | Denso Corporation | Semiconductor physical quantity sensor and method of manufacturing the same |
| RU2379693C1 (en) * | 2008-10-16 | 2010-01-20 | Московский государственный институт электронной техники (технический университет) | Sensitive element of integral accelerometre |
| RU2379694C1 (en) * | 2008-10-16 | 2010-01-20 | Московский государственный институт электронной техники (технический университет) | Micromechanical linear accelerometre |
| US7716984B2 (en) * | 2004-11-08 | 2010-05-18 | Hitachi Metal Ltd. | Acceleration sensor device having piezo-resistors measuring acceleration |
| EP2450713A1 (en) * | 2010-11-04 | 2012-05-09 | Seiko Epson Corporation | Functional device, method of manufacturing the functional device, physical quantity sensor, and electronic apparatus |
-
2013
- 2013-03-12 RU RU2013110978/28A patent/RU2526789C1/en active
Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US6388300B1 (en) * | 1999-01-25 | 2002-05-14 | Denso Corporation | Semiconductor physical quantity sensor and method of manufacturing the same |
| US7716984B2 (en) * | 2004-11-08 | 2010-05-18 | Hitachi Metal Ltd. | Acceleration sensor device having piezo-resistors measuring acceleration |
| RU2379693C1 (en) * | 2008-10-16 | 2010-01-20 | Московский государственный институт электронной техники (технический университет) | Sensitive element of integral accelerometre |
| RU2379694C1 (en) * | 2008-10-16 | 2010-01-20 | Московский государственный институт электронной техники (технический университет) | Micromechanical linear accelerometre |
| EP2450713A1 (en) * | 2010-11-04 | 2012-05-09 | Seiko Epson Corporation | Functional device, method of manufacturing the functional device, physical quantity sensor, and electronic apparatus |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2773069C1 (en) * | 2021-11-25 | 2022-05-30 | Акционерное общество "Инерциальные технологии "Технокомплекса" (АО "ИТТ") | Sensing element of micromechanical accelerometer |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| TWI748157B (en) | A MEMS accelerometer | |
| US9470503B2 (en) | Strain-based sensing of mirror position | |
| US10884020B2 (en) | Accelerometer | |
| JP2010127763A (en) | Semiconductor mechanical quantity detection sensor and controller using the same | |
| TWI816711B (en) | Micromechanical z-inertial sensor and production method thereof | |
| CN111766404B (en) | Rigidity coupling-based low-stress Z-axis MEMS accelerometer | |
| CN103344785A (en) | Capacitive micro inertial sensor with self calibration function | |
| US5335544A (en) | Apparatus for measuring mechanical forces and force actions | |
| US20090056444A1 (en) | Angular velocity detecting device | |
| JP2012181030A (en) | Capacitance type acceleration sensor | |
| CN104459203A (en) | Z-axis structure in accelerometer and triaxial accelerometer | |
| IT202000003868A1 (en) | MEMS INCLINOMETER HAVING REDUCED VIBRATION ADJUSTMENT ERROR | |
| US20200132711A1 (en) | Accelerometric sensor in mems technology having high accuracy and low sensitivity to temperature and ageing | |
| CN204256053U (en) | A kind of micro mechanical vibration formula electric-field sensor | |
| RU2526789C1 (en) | Integral accelerometer sensitive element | |
| KR101892793B1 (en) | Sensor package | |
| CN104459204A (en) | Inertia measurement module and triaxial accelerometer | |
| CN111071982B (en) | Micromechanical inertial sensor | |
| WO2009090841A1 (en) | Electrostatic capacity type acceleration sensor | |
| US11867714B2 (en) | Accelerometer with two seesaws | |
| RU2692122C1 (en) | Solid-state linear acceleration sensor | |
| CN103547331A (en) | Micro electro mechanical system device exhibiting linear characteristics | |
| US5821595A (en) | Carrier structure for transducers | |
| CN104101735A (en) | Fringe effect based capacitance type micro inertial sensor with self-calibrating | |
| RU2497133C1 (en) | Sensitive element of micromechanical compensation accelerometer |