RU192953U1

RU192953U1 - MEMS ACCELEROMETER

Info

Publication number: RU192953U1
Application number: RU2018145664U
Authority: RU
Inventors: Алексей Сергеевич Козлов; Римма Яновна Лабковская; Вера Леонидовна Ткалич; Ольга Игоревна Пирожникова; Мария Евгеньевна Калинкина
Priority date: 2018-12-20
Filing date: 2018-12-20
Publication date: 2019-10-08

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.The utility model relates to acceleration meters used, in particular, in inertial control systems for aircraft, as well as in the automotive industry, mobile phones and computer components. SUBSTANCE: MEMS accelerometer containing an inertial mass, a silicon base, a housing, a protective plate, a frame made of SiO, racks with contact metal electrodes, a metal plate that performs the functions of a capacitive plate of an elastic metal suspension and anchor, metal contact pads, zigzag metallic elastic suspensions and anchor, characterized in that the surface of all electrically conductive metal elements, namely contact electrodes, contact pads, capacitive plate, elastic and second suspension anchors are provided with a completely regular microrelief (LMD) IV form and nanostructured by ion-plasma treatment. The technical result is to increase the reliability of the MEMS accelerometer.

Description

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.The utility model relates to acceleration meters used, in particular, in inertial control systems for aircraft, as well as in the automotive industry, mobile phones and computer components.

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.A known design of a multiaxial MEMS accelerometer containing an inertial sensor, including an inertial mass formed parallel to the xy plane of the device layer, this only mass, is associated with a single central anchor designed to ensure the mass hangs over the plate. The inertia sensor additionally includes the first and second frames with movable electrodes located in the xy plane of the device layer on the corresponding first and second sides of the inertia sensor, the first and second frames with movable electrodes are symmetrical with respect to a single central anchor and each separately, including the central platform and fixed electrodes mounted so as to fix the central platform on the plate, and the anchors for the first and second frames with movable electrodes are asymmetric from ositelno central platform and disposed along a single central stationary electrode (See Acar et al United State Patent 9,062,972:.. Mems multi-axis accelerometer electrode structure June 23, 2015.). The disadvantage of this design is the low reliability and sensitivity.

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.Known triaxial MEMS accelerometer using the capacitive principle of sensing and the method of its manufacture, capacitive measurement is carried out between two electrode layers. One of the electrode layers has at least four independent electrodes arranged in the form of two pairs of electrodes, one pair being aligned orthogonally with respect to the other, so that the inclination of the membrane can be detected, as well as the movement of the membrane in the direction perpendicular to the axis. Thus, a triaxial accelerometer can be formed from one inertial mass and a set of capacitor electrodes that are in the same plane. This means that manufacturing is simple and compatible with other MEMS manufacturing processes, such as MEMS microphones. (see Langereis et al. United State Patent 8,686,519: MEMS accelerometer using capacitive sensing and production method thereof. April 1, 2014). The disadvantage of the design is the low sensitivity, the tendency to stick electrodes.

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.Closest to the proposed utility model in technical essence is the design of a three-axis MEMS accelerometer containing an inertial mass, a silicon base, a housing, a protective plate, a frame (SiO ₂ ), racks with contact metal electrodes, a metal plate that performs the functions of a capacitive plate of an elastic metal suspension and anchors, pads (6 pieces), zigzag elastic suspensions (see Wu et al. United State Patent 8,106,470: Triple-axis MEMS accelerometer. January 31, 2012). The disadvantages of the prototype are low sensitivity, the tendency to stick electrodes and plates of the capacitor.

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.The problem solved by the proposed utility model is the general stabilization of electrical characteristics, reduction of energy losses during switching of electrically conductive metal elements of the device (namely, contact electrodes and contact pads) and stabilization of the stiffness coefficients of an elastic metal suspension connecting a metal capacitive plate with an anchor.

Поставленная задача решается за счет достижения технического результата, заключающегося в повышении надежности МЭМС-акселерометра.The problem is solved by achieving a technical result, which consists in increasing the reliability of the MEMS accelerometer.

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.This technical result is achieved in that the MEMS accelerometer containing an inertial mass, a silicon base, a housing, a protective plate, a frame made of SiO ₂ , racks with contact metal electrodes, a metal plate that performs the functions of a capacitive plate of an elastic metal suspension and anchor, metal contact pads, zigzag metallic elastic suspensions and anchor, new is that the surfaces of all electrically conductive metal elements, namely contact electrodes, Actual sites, capacitive plates, elastic suspensions and anchors are equipped with a fully regular microrelief (PMR) of type IV and are nanostructured by the method of ion-plasma processing.

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.With the combined use of the above features (the presence of a completely regular microrelief and nanostructured contact surfaces of the conductors) in the proposed utility model of the MEMS accelerometer, new properties appear, such as the stability of contact resistance, low power dissipation (low energy loss), which leads to increased reliability of the MEMS accelerometer . The presence of a fully regular microrelief provides a predictable and guaranteed number of contact points in the contact zone of electrically conductive metal elements. The presence of nanostructured contact surfaces ensures the stability of electrical resistance, increased corrosion resistance.

Устройство МЭМС-акселерометра изображено на фиг. (а, б, в, г)The MEMS accelerometer device is depicted in FIG. (a B C D)

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.MEMS accelerometer contains a semiconductor (silicon) base 1, inertial mass 2, contact electrodes 3, semiconductor silicon racks 4, capacitive plate 5, elastic metal suspension 6, anchor 7, elastic zigzag suspensions 8, contact metal pads 9, protective plate 10 , silica frame 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.Moreover, the surface of all electrically conductive metal elements (contact pads 9, contact electrodes 3, capacitive plate 5, elastic metal suspension 6 and anchor 7) is equipped with type IV PMR and nanostructured by ion-plasma treatment, which eliminates sintering, sticking, sincere during switching electrical circuits, as well as stabilize the stiffness coefficient of an elastic metal suspension, which improves its elastic properties and prevents electrostatic sticking of capacitive metal ASTINA, especially at low current (1 ... 3 m) of the gap between the capacitive plate and the inertial mass.

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.The device MEMS accelerometer works as follows. When measuring acceleration with this device, the elastic metal suspension 6 connected to the anchor 7 mounted on the semiconductor rack 4 bends and leads to the deflection of the capacitive plate welded to it from the other end 5. Also, when the device is in operation during the measurement of the acceleration acting on the MEMS accelerometer, deviated and elastic zigzag suspensions 8 associated with contact metal pads 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.The sensitivity of the x and y axes located in the lateral plane is ensured by the formation of a capacitance between the inertial mass attached on the elastic suspensions to the frame and the areas under the contact pads. The sensitivity of the z axis cannot be ensured by these means, since the stiffness of the elastic suspensions is too high. To solve this problem, a single structural element is introduced in the form of a metal plate, which performs the functions of a capacitive plate 5, an elastic metal suspension 6 and an anchor 7. When the acceleration changes in the normal direction, the capacitive plate 5 deviates, while the inertial mass 2 deviates very little. Thus, in this case, the capacitive plate acts as the inertial mass, and the inertial mass acts as the capacitive plate. The whole structure is closed by a protective plate 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.The sensitivity of this accelerometer in three axes is achieved by introducing only a minor addition to the design, which distinguishes it from similar accelerometers, which are a set of separate single-component accelerometers enclosed in a single housing.

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.During ion-plasma treatment of the surface of metal switching and elastic elements, pulsed currents pass through them. These pulsed currents cause the formation of nanosized layers with specified contact properties in the surface region of these metal elements.

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.As a result of the studies, it was possible to ensure such an electrophysical condition of the discharge, in which corrosion and erosion-resistant nanoscale layers with high electrical conductivity are formed in the surface layer of metal switching and elastic elements of the MEMS accelerometer, which positively affects the reliability of the MEMS accelerometer.

Claims

MEMS accelerometer containing an inertial mass, a silicon base, a housing, a protective plate, a frame made of SiO ₂ , racks with contact metal electrodes, a metal plate acting as a capacitive plate of an elastic metal suspension and anchor, metal contact pads, zigzag metal elastic suspensions and an anchor, characterized in that the surface of all electrically conductive metal elements, namely contact electrodes, contact pads, capacitive plate, elastic ca and an anchor provided with a fully regular microrelief (LMD) IV form and nanostructured by ion-plasma treatment.