CC BY
141
МИКРОМЕХАНИЧЕСКИЕ РЕЗОНАНСНЫЕ ДАТЧИКИ Д.В. Король, М.С. Петрищев, Научный руководитель - доктор технических наук, профессор В.М. Мусалимов
В работе проводится обзор состояния микромеханических резонансных датчиков. Рассматриваются типовые колебательные схемы, приводятся примеры датчиков - микромагнитный датчик, микрогироскоп и микроакселерометры.
Введение
Развитие науки и техники, появление новых технологий ужесточает требования к характеристикам и размерам измерительных приборов и датчиков. Микросистемная техника в настоящий момент является одним из наиболее динамично развивающихся междисциплинарных научно-технических направлений, определяющих новую революцию в области систем, реализуемых на микроуровне [1]. Наиболее яркими конструктивно-технологическими отличительными особенностями техники микросистем нового поколения являются:
• активное использование третьего измерения;
• интеграция электрических и оптических связей с механическими;
• интеграция физико-химических и технологических базисов микро- и биотехнологии;
• интеграция исполнительно-технологических и контрольно-диагностических в микрообъемах и на поверхности твердого тела.
По сравнению с обычными системами, микросистемы характеризуются малыми размерами и весом, повышенной надежностью, гибкостью технологии производства, меньшими стоимостью и энергопотреблением. Для общего представления о габаритах устройств, относящихся к микросистемам, вводят определенную шкалу размеров (рис. 1).
«-1—1— [ 1—1— 1-1-1 -1-1-1-►
А пт 1 атом 0.1 пт Юрт 1_____ | 1шт ЮОтт 10 т
1 11|с Человек
Вирус Бактерия | 1
1 1
МЭМС Мет
Нанотехнологии Микросистемы Макросистемы
Рис. 1. Шкала размеров микросистем
Мировой стереотип изготовления микроэлектромеханических систем (МЭМС), наиболее развитого направления в области микросистемной техники, основан на широком использовании кремния - дешевого и доступного материала. Наибольшее значение имеют гибридные системы, в которых, наряду с кремнием и другими полупроводниковыми материалами, используются полимеры, керамика, металлы. В классической микроэлектромеханике, ориентированной на базовые кремниевые микротехнологии, в настоящее время господствует структура «кремний на диоксиде кремния». Микросистемы представляют собой сложные гетерогенные композиции, требующие сочетания совокупности разнородных материалов.
Механический резонанс и датчики на его основе
В настоящий момент ведется ряд работ по созданию датчиков на основе технологии микросистемной техники. Наиболее развитой областью является технология МЭМС. Принцип работы практически всех измерительных МЭМС-устройств основан на механическом резонансе. Индуцируют колебания чувствительного элемента с резонансной частотой, которая определяется свойствами материала и геометрии элемента. При действии измеряемого возмущения изменяется амплитуда и (или) фаза резонансных колебаний, по которым количественно оценивают действующее возмущение. Применение кремния и соединений на его основе позволяет создавать высокодобротные колебательные системы.
Для увеличения чувствительности параметры устройств выбирают таким образом, чтобы частота вынужденных колебаний по координате возбуждения совпадала с частотой собственных колебаний, а частота выходных колебаний была также близка к частоте вынужденных колебаний. В конструкции используют высокодобротные материалы, обладающие низкими внутренними потерями на трение. В этом случае осуществляется динамическая настройка прибора и происходит резонансное усиление сигнала.
Самыми простыми и наиболее часто используемыми структурами резонаторов являются (рис. 2) консоль (Beam), мост (Bridge) и диафрагма (Diaphragm), хотя возможны и иные схемы.
Рис. 2. Часто используемые структуры резонаторов
Можно организовывать колебания различных видов - изгибные, крутильные и растяжения-сжатия. Более сложные структуры могут использоваться с целью повышения чувствительности и добротности системы. Рассмотрим примеры проектирования микромеханических датчиков.
Датчик для измерения параметров магнитного поля. В работе [2] описан один из первых магнитных датчиков на базе МЭМС-технологий. Возбуждение резонатора (рис. 3) осуществляется силой Лоренца, произведенной переменным током, текущим через помещенную на поверхность вибратора катушку. Амплитуда вибрации преобразуется в электрический сигнал пьезорезисторами, расположенных также на резонаторе. Измерение магнитного поля осуществляется методом компенсации. Еще одна катушка помещена под резонатором. При измерении за счет введения обратной связи колебания резонатора компенсируются внешней катушкой. По току, подаваемому во внешнюю катушку, судят о величине действующего магнитного поля.
ртегогеяш^лтс
Рис. 3. Датчик для измерения параметров магнитного поля
Микромеханические гироскопы и акселерометры, изготавливаемые групповым методом на основе интегральной технологии, в силу малых энергомассовых характеристик (масса - доли грамма, энергопотребление - доли ватта) и низкой стоимости представляют большой интерес для различных областей техники.
Микрогироскоп. На рис. 4 представлены микрофотографии сложного варианта микрогироскопа колебательного типа [3].
Рис. 4. Микрогироскоп
Резонирующая структура реализована при помощи технологии микромеханики с толстым поликремневым слоем. Микрогироскоп основан на угловой вибрации четырех плоскостей. Управляемое гребенкой вращательное тело наклоняется к каждой входной оси, параллельной подложке, и наклонное движение определяется по изменению емкости между нижним электродом и структурой. Резонансные частоты согласованы с помощью источника постоянного напряжения. Для максимизации силы Кориолиса используется масса толщиной 7 мкм и зазор 2 мкм гребенки. Размер структуры составил 0,9^0,9 мм2. Сила Кориолиса пропорциональна массе колеблющегося элемента, скорости колебаний и угловой скорости. Угол наклона, который пропорционален скорости, модулируется скоростью. Чтобы получить угловую скорость, выходной сигнал демоду-лируется. Для высокой чувствительности вибрационный гироскоп должен функционировать в сильном вакууме, поскольку Q-фактор (добротность) при нормальном атмосферном давлении очень низок.
Двухнаклонный режим дает возможность датчику определять угловую скорость по двум осям одновременно. В частности, структура использует простой балансирующий торсионный преобразователь для уменьшения собственной нелинейности сенсора емкостного типа. Из эксперимента получено эквивалентное поле шума 0.1%.
Другой микроколебательной системой, основанной на гироскопическом эффекте, является микроакселерометр.
Акселерометр с поступательным перемещением чувствительной массы. Микроакселерометр, представленный на рис. 5, относится к типу акселерометров с поступательным перемещением чувствительной массы [4]. Чувствительный элемент микроакселерометра представляет собой пластину толщиной 15 мкм и размерами в плоскости подвеса 0,5*1,0 мм , подвешенную на четырех торсионах к неподвижной части. Микроакселерометр может работать по компенсационной схеме с обратной связью. Съем информации производится по дифференциальной схеме с помощью гребенчатого емкостного датчика перемещений. Датчиком силы в системе обратной связи является гребенчатый электростатический датчик. Система обратной связи микроакселерометра реализована на аналого-цифровой БИС.
Рис. 5. Акселерометр с поступательным перемещением чувствительной массы
Акселерометр маятникового типа. Микроакселерометр, представленный на рис. 6, относится к акселерометрам маятникового типа [4]. Чувствительным элементом является маятник размерами 0,8*1,0x0,015 мм , изготовленный вместе с упругими тор-сионами по технологии «кремний на стекле». Съем информации производится с помощью емкостного датчика перемещений. Акселерометр может работать по схеме с обратной связью. Датчиком силы в системе обратной связи служит электростатический датчик силы. Одну из обкладок датчика составляет проводящий чувствительный элемент, а вторую - металлический слой, напыленный на стеклянное изолирующее основание.
Рис. 6. Акселерометр маятникового типа Заключение
МЭМС-технологии являются наиболее разработанными и технологичными для производства микродатчиков. Применение кремния и соединений на его основе позволяет создавать высокодобротные колебательные системы. Резонаторы различаются формой, схемой организации колебаний и схемой крепления чувствительного элемента. Они могут использоваться в различных устройствах, что, и представлено в данной работе. Дальнейшие работы в этой области направлены на улучшение технических характеристик датчиков.
Литература
1. Васильев А., Лучинин В., Мальцев П. Микросистемная техника. Материалы, технологии, элементная база. // Электронные компоненты. 2000. №4. С. 3-11.
2. Donzier E., Lefort O. Integrated magnetic field sensor. // Sensors and Actuators. 1991. A25-27. P. 357-361.
3. An S., Oh Y. S., Park K. Y., Lee S. S., Song С. М. Dualaxis microgiroscope with closed loop detection. // Sensors and Actuators. 1999. 73. P. 1-6.
4. Каталоги изделий фирмы ЗАО «Гирооптика» <http://www.gyro.ru>
