интегральный микромеханический акселерометр на основе туннельного эффекта

Формула изобретения

Интегральный микромеханический акселерометр на основе туннельного эффекта, содержащий подложку, неподвижный электрод, инерционную массу, расположенную с зазором относительно неподвижного электрода, выполненную в виде пластины из полупроводникового материала, подвижный электрод, расположенный на инерционной массе и образующий с неподвижным электродом туннельный контакт, используемый в качестве преобразователя перемещений, упругую балку, которая одним концом жестко соединена с инерционной массой, а другим жестко закреплена относительно подложки, отличающийся тем, что в него введены первая область изолирующего диэлектрика, расположенная под подвижным электродом и отделяющая его от подложки, вторая область изолирующего диэлектрика, расположенная под неподвижным электродом и отделяющая его от подложки, третья область изолирующего диэлектрика, расположенная над неподвижным электродом, металлический нагревательный элемент, расположенный над третьей областью изолирующего диэлектрика, причем подложка выполнена из полупроводникового материала, подвижный и неподвижный электроды выполнены из полупроводникового материала второго типа проводимости, балка выполнена из диэлектрика, инерционная масса имеет поперечное сечение прямоугольной формы.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области измерительной и микросистемной техники, а более конкретно к интегральным измерительным элементам величин ускорения.

Известен интегральный микромеханический пьезорезистивный акселерометр (см. Jerome P. Lynch, Aaron Partridge, Kincho H.Law, Thomas W.Kenny, Anne S.Kiremidjian, Ed Carryer. Design of Piezoresistive MEMS-Based Accelerometer for Integration with Wireless Sensing Unit for Structural Monitoring. JOURNAL OF AEROSPACE ENGINEERING © ASCE / JULY 2003, p.110, fig.1), содержащий подложку, неподвижный электрод, инерционную массу, расположенную с зазором относительно подложки, выполненную в виде пластины из полупроводникового материала, упругую балку, которая одним концом жестко соединена с инерционной массой, а другим - жестко закреплена относительно подложки, дополнительный неподвижный электрод, причем подложка, упругая балка, инерционная масса выполнены из полупроводникового материала, инерционная масса в плоскости подложки имеет форму сектора, неподвижные электроды представляют собой полупроводниковые области первого типа проводимости.

Признаками аналога, совпадающими с существенными признаками, являются подложка, неподвижный электрод, инерционная масса, расположенная с зазором относительно подложки, выполненная в виде пластины из полупроводникового материала, упругая балка, которая одним концом жестко соединена с инерционной массой, а другим - жестко закреплена относительно подложки.

Причинами, препятствующими достижению технического результата, являются низкая чувствительность, отсутствие возможности калибровки устройства.

Функциональным аналогом заявляемого объекта является высокочувствительный торсионный кремниевый акселерометр (см. Arjun Selvakumar, Farrokh Ayazi Khalil Najafi. A high sensitivity Z-axis torsional silicon accelerometer. The International Electron Devices Meeting (IEDM '96), San Francisco, CA, December 8-11, 1996. fig.1), содержащий подложку, неподвижный электрод, инерционную массу, расположенную с зазором относительно неподвижного электрода, выполненную в виде пластины из полупроводникового материала, подвижный электрод, расположенный на инерционной массе и образующий с неподвижным электродом плоский конденсатор в плоскости, перпендикулярной плоскости подложки, за счет взаимного проникновения подвижного и неподвижного электродов, имеющих гребенчатую структуру, используемый в качестве преобразователя перемещений, первую якорную область, жестко закрепленную относительно подложки, первую торсионную балку, которая одним концом жестко соединена с инерционной массой, а другим - жестко соединена с первой якорной областью, вторую якорную область, жестко закрепленную относительно подложки, вторую торсионную балку, которая одним концом жестко соединена с инерционной массой, а другим - жестко соединена со второй якорной областью, причем подложка выполнена из диэлектрика, подвижный и неподвижный электроды, торсионные балки и якорные области выполнены из полупроводникового материала первого типа проводимости.

Признаками аналога, совпадающими с существенными признаками, являются подложка, неподвижный электрод, инерционная масса, расположенная с зазором относительно подложки, выполненная в виде пластины из полупроводникового материала, подвижный электрод, расположенный на инерционной массе.

Причинами, препятствующими достижению технического результата, являются низкая чувствительность, отсутствие возможности калибровки устройства.

Из известных наиболее близким по технической сущности к заявляемому объекту является инерционный туннельный микромеханический акселерометр (см. Navid Yazdi, Farrokh Ayazi, and Khalil Najafi. Micromachined Inertial Sensors. Proceedings of the IEEE, vol.86, No.8, August 1998, p.1646, fig.7), содержащий подложку, неподвижный электрод, инерционную массу, расположенную с зазором относительно неподвижного электрода, выполненную в виде пластины из полупроводникового материала, подвижный электрод, расположенный на инерционной массе и образующий с неподвижным электродом туннельный контакт, используемый в качестве преобразователя перемещений, упругую балку, которая одним концом жестко соединена с инерционной массой, а другим - жестко закреплена относительно подложки, дополнительную упругую балку, выполненную из полупроводникового материала, которая одним концом жестко соединена с инерционной массой, а другим - с дополнительной опорой, выполненной из полупроводникового материала и соединенной с подложкой, нижний металлический отклоняющий электрод, расположенный на поверхности подложки, верхний металлический отклоняющий электрод, расположенный над инерционной массой с зазором относительно нее, причем подложка выполнена из диэлектрика, подвижный и неподвижный электроды выполнены из металла, балка выполнена из полупроводникового материала, инерционная масса в центральной части имеет поперечное сечение V-образной формы.

Признаками прототипа, совпадающими с существенными признаками, являются подложка с расположенным на ней неподвижным электродом, инерционная масса, расположенная с зазором относительно подложки, выполненная в виде пластины из полупроводникового материала, подвижный электрод, расположенный на инерционной массе и образующий с неподвижным электродом туннельный контакт, используемый в качестве преобразователя перемещений, упругая балка, которая одним концом жестко соединена с инерционной массой, а другим - жестко закреплена относительно подложки.

Причинами, препятствующими достижению технического результата, являются малая чувствительность сенсорного элемента вследствие наличия дополнительной упругой балки, а также низкая технологичность конструкции.

Задачей предлагаемого изобретения является увеличение чувствительности сенсорного элемента, а также повышение технологичности конструкции.

Для достижения необходимого технического результата в интегральный микромеханический акселерометр на основе туннельного эффекта, содержащий подложку, неподвижный электрод, инерционную массу, расположенную с зазором относительно неподвижного электрода, выполненную в виде пластины из полупроводникового материала, подвижный электрод, расположенный на инерционной массе и образующий с неподвижным электродом туннельный контакт, используемый в качестве преобразователя перемещений, упругую балку, которая одним концом жестко соединена с инерционной массой, а другим - жестко закреплена относительно подложки, введены первая область изолирующего диэлектрика, расположенная под подвижным электродом и отделяющая его от подложки, вторая область изолирующего диэлектрика, расположенная под неподвижным электродом и отделяющая его от подложки, третья область изолирующего диэлектрика, расположенная над неподвижным электродом, металлический нагревательный элемент, расположенный над третьей областью изолирующего диэлектрика, причем подложка выполнена из полупроводникового материала, подвижный и неподвижный электроды выполнены из полупроводникового материала второго типа проводимости, балка выполнена из диэлектрика, инерционная масса имеет поперечное сечение прямоугольной формы.

Сравнивая предлагаемое устройство с прототипом, видим, что оно содержит новые признаки, то есть соответствует критерию новизны. Проводя сравнение с аналогами, приходим к выводу, что предлагаемое устройство соответствует критерию "существенные отличия", так как в аналогах не обнаружены предъявляемые новые признаки. Получен положительный эффект, заключающийся в увеличении чувствительности сенсорного элемента, а также в повышении технологичности конструкции.

На фиг.1 приведена топология предлагаемого интегрального микромеханического акселерометра на основе туннельного эффекта. На фиг.2 приведено центральное сечение предлагаемого интегрального микромеханического акселерометра на основе туннельного эффекта. На фиг.3 приведено сечение интегрального микромеханического акселерометра на основе туннельного эффекта в плоскости контактов к нагревателю. На фиг.4 приведено сечение интегрального микромеханического акселерометра на основе туннельного эффекта в плоскости инерционной массы.

Интегральный микромеханический акселерометр на основе туннельного эффекта содержит подложку 1, неподвижный электрод 2, инерционную массу 3, расположенную с зазором относительно неподвижного электрода 2, выполненную в виде пластины из полупроводникового материала, подвижный электрод 4, расположенный на инерционной массе 3 и образующий с неподвижным электродом 2 туннельный контакт, используемый в качестве преобразователя перемещений, упругую балку 5, которая одним концом жестко соединена с инерционной массой 3, а другим - жестко закреплена относительно подложки 1, первую область изолирующего диэлектрика 6, расположенную под подвижным электродом 4 и отделяющую его от подложки 1, вторую область изолирующего диэлектрика 7, расположенную под неподвижным электродом 2 и отделяющую его от подложки 1, третью область изолирующего диэлектрика 8, расположенную над неподвижным электродом 2, металлический нагревательный элемент 9, расположенный над третьей областью изолирующего диэлектрика 8.

Работает устройство следующим образом. При подаче напряжения питания на подвижный электрод 4 относительно неподвижного 2, на который подан нулевой потенциал, вследствие малости воздушного зазора, разделяющего области подвижного 2 и неподвижного 4 электродов, электроны, находящиеся в области неподвижного электрода 2 и имеющие достаточную вероятность прохождения сквозь потенциальный барьер, образованный воздушным зазором, туннелируют в область подвижного электрода 4 и создают туннельный ток, который является выходным сигналом устройства. Причем подвижный электрод 4 расположен на упругой балке 5, которая жестко соединена с первой областью разделительного диэлектрика 6, расположенной на подложке 1, неподвижный электрод 2 расположен над второй областью изолирующего диэлектрика 7, которая соединена с подложкой 1.

При пропускании тока через металлический нагревательный элемент 9, расположенный над третьей областью разделительного диэлектрика 8, он начинает нагреваться. Поскольку металлический нагревательный элемент 9 обладает большим коэффициентом температурного расширения по сравнению с третьей областью разделительного диэлектрика 8 и расположенным под ней неподвижным электродом 2, структура, состоящая из неподвижного электрода 2, расположенной над ним третьей области разделительного диэлектрика 8 и расположенного над ней металлического нагревательного элемента 9, изгибается в направлении подвижного электрода 4.

При этом воздушный зазор, разделяющий подвижный 4 и неподвижный 2 электроды, уменьшается, вследствие чего потенциальный барьер, образованный воздушным зазором становится тоньше, электроны, находящиеся в области неподвижного электрода 2, с большей вероятностью туннелируют в область подвижного электрода 4, вследствие чего туннельный ток возрастает.

При достижении заданного значения туннельного тока температура металлического нагревательного элемента 9 стабилизируется, вследствие чего положение структуры, состоящей из неподвижного электрода 2, расположенной над ним третьей области разделительного диэлектрика 8 и расположенного над ней металлического нагревательного элемента 9, фиксируется относительно подложки 1.

При возникновении ускорения полупроводниковой подложки 1 в направлении оси, перпендикулярной ее плоскости, инерционная масса 3 с закрепленным на ней подвижным электродом 4 под действием сил инерции перемещается перпендикулярно плоскости полупроводниковой подложки 1 за счет изгиба упругой балки 5. Туннельный ток, протекающий между подвижным 4 и неподвижным 2 электродами, изменяется вследствие изменения ширины воздушного зазора, характеризуя величину ускорения.

Таким образом, предлагаемое устройство представляет собой интегральный микромеханический акселерометр на основе туннельного эффекта, позволяющий измерять величину ускорения вдоль оси, перпендикулярной плоскости подложки.

Использование эффекта туннелирования носителей заряда между областями неподвижного и подвижного электродов позволяет измерять величину ускорения, направленного вдоль оси, перпендикулярной плоскости подложки. Различные коэффициенты температурного расширения металлического нагревательного элемента и расположенными под ним третьей областью изолирующего диэлектрика и неподвижного электрода позволяют осуществить калибровку устройства.