eng
Выпуск #9/2018
Баранов Александр Александрович, Жукова Светлана Александровна, Обижаев Денис Юрьевич, Турков Владимир Евгеньевич, Воробьев Алексей Д., Лагун Александр Михайлович, Машевич Павел Романович, Трудновская Евгения Андреевна
Миниатюрный двухосевой микромеханический акселерометр в однокристальном исполнении с диапазоном измеряемых ускорений ±10 м/с2
Миниатюрный двухосевой микромеханический акселерометр в однокристальном исполнении с диапазоном измеряемых ускорений ±10 м/с2
Просмотры: 2088
В настоящем докладе рассмотрены особенности конструкции и технологии изготовления, а также основные характеристики двухосевого микромеханического акселерометра в однокристальном исполнении. Показана возможность герметизации чувствительного элемента на этапе формирования при помощи кремниевой капсулы.
УДК 53.087.92
DOI: 10.22184/1993-8578.2018.82.512.513
УДК 53.087.92
DOI: 10.22184/1993-8578.2018.82.512.513
Теги: mems sensor element single-chip micromechanical accelerometer surface micromachining unpackaged accelerometer бескорпусной акселерометр мэмс однокристальный микромеханический акселерометр поверхностная микрообработка чувствительный элемент
В настоящее время микромеханические акселерометры (МЭМС-акселерометры) вызывают все больший интерес в части создания на их основе миниатюрных бесплатформенных инерциальных систем [1]. При этом основными критериями при выборе акселерометров для указанных применений являются малое энергопотребление и массогабаритные характеристики, высокая чувствительность, а также наличие двух или трех осей чувствительности. В наибольшей степени данным требованиям удовлетворяют акселерометры, содержащие микромеханический емкостной первичный преобразователь на поверхности полупроводникового кристалла с предварительно сформированной электронной подсистемой обработки сигнала. Признанным мировым лидером в области создания однокристальных акселерометров и инерциальных блоков на их основе является компания AnalogDevices (США) [2]. В РФ серийное производство однокристальных акселерометров отсутствует.
В настоящей работе представлены результаты разработки конструкции и технологии изготовления однокристальных двухкомпонентных микромеханических акселерометров, позволяющих проводить измерения линейных ускорений в диапазоне ±10 м/с2. Электронная подсистема изготовлена по технологии БиКМОП с проектной нормой 3 мкм. Чувствительный элемент выполнен на основе поликремния с применением методов поверхностной микрообработки по нормам 1,2 мкм. Электронная микрофотография фрагмента поликремниевого чувствительного элемента представлена на рис. 1. Акселерометры представлены в 16-вывод-ном металлокерамическом корпусе Н02.16-2В (АО «ЗПП», г. Йошкар-Ола), а также в бескорпусном исполнении. Последнее стало возможным благодаря применению в конструкции акселерометра кремниевой капсулы, защищающей чувствительный элемент от механических воздействий и загрязнений как на этапе изготовления (при проведении операции дисковой резки), так и в процессе эксплуатации. Микрофотография акселерометра с защитной кремниевой капсулой, установленного в основание корпуса, представлена на рис. 2.
Капсулы изготавливали на отдельной кремниевой пластине с применением метода глубокого анизотропного ионного травления. Конструкция капсулы предусматривает герметизацию чувствительного элемента при сохранении доступа к контактным площадкам на кристалле. Монтаж капсул проводили на уровне пластины (Wafer level packaging).
Особенностью разработанной конструкции является наличие в ней электронной схемы самотестирования (режим SelfTest), обеспечивающей отклонение инерционной массы чувствительного элемента по двум осям при подаче на соответствующий вход напряжения логической единицы без приложенного ускорения. При этом возможно оценить работоспособность акселерометра, а также провести измерение некоторых его характеристик, таких как ток потребления в динамическом режиме и резонансная частота. Также является возможной оценка чувствительности акселерометра.
Следует отметить, что на основании проведенного математического моделирования показана возможность применения разработанного конструктивного варианта чувствительного элемента для создания акселерометров с диапазоном измеряемых ускорений от 10 м/с2 до 200 м/с2.
В результате выполнения работы нами изготовлены двухосевые микромеханические акселерометры с основными характеристиками, представленными в табл. 1.
Таким образом, акселерометры, изготовленные в рамках выполнения работы, могут быть использованы при создании бесплатформенных инерциальных систем различного назначения.
ЛИТЕРАТУРА
1. Olaf Deppe, Georg Dorner, Stefan Konig, Tim Martin, Sven Voigt and Steffen Zimmermann. MEMS and FOG Technologies for Tactical and Navigation Grade Inertial Sensors — Recent Improvements and Comparison. Sensors, 17 (2017), 677 (22 pp).
2. MEMS for Automotive and Aerospace Applications. Michael Kraft, Neil M. White. Elsevier. 2013. 360 p.
В настоящей работе представлены результаты разработки конструкции и технологии изготовления однокристальных двухкомпонентных микромеханических акселерометров, позволяющих проводить измерения линейных ускорений в диапазоне ±10 м/с2. Электронная подсистема изготовлена по технологии БиКМОП с проектной нормой 3 мкм. Чувствительный элемент выполнен на основе поликремния с применением методов поверхностной микрообработки по нормам 1,2 мкм. Электронная микрофотография фрагмента поликремниевого чувствительного элемента представлена на рис. 1. Акселерометры представлены в 16-вывод-ном металлокерамическом корпусе Н02.16-2В (АО «ЗПП», г. Йошкар-Ола), а также в бескорпусном исполнении. Последнее стало возможным благодаря применению в конструкции акселерометра кремниевой капсулы, защищающей чувствительный элемент от механических воздействий и загрязнений как на этапе изготовления (при проведении операции дисковой резки), так и в процессе эксплуатации. Микрофотография акселерометра с защитной кремниевой капсулой, установленного в основание корпуса, представлена на рис. 2.
Капсулы изготавливали на отдельной кремниевой пластине с применением метода глубокого анизотропного ионного травления. Конструкция капсулы предусматривает герметизацию чувствительного элемента при сохранении доступа к контактным площадкам на кристалле. Монтаж капсул проводили на уровне пластины (Wafer level packaging).
Особенностью разработанной конструкции является наличие в ней электронной схемы самотестирования (режим SelfTest), обеспечивающей отклонение инерционной массы чувствительного элемента по двум осям при подаче на соответствующий вход напряжения логической единицы без приложенного ускорения. При этом возможно оценить работоспособность акселерометра, а также провести измерение некоторых его характеристик, таких как ток потребления в динамическом режиме и резонансная частота. Также является возможной оценка чувствительности акселерометра.
Следует отметить, что на основании проведенного математического моделирования показана возможность применения разработанного конструктивного варианта чувствительного элемента для создания акселерометров с диапазоном измеряемых ускорений от 10 м/с2 до 200 м/с2.
В результате выполнения работы нами изготовлены двухосевые микромеханические акселерометры с основными характеристиками, представленными в табл. 1.
Таким образом, акселерометры, изготовленные в рамках выполнения работы, могут быть использованы при создании бесплатформенных инерциальных систем различного назначения.
ЛИТЕРАТУРА
1. Olaf Deppe, Georg Dorner, Stefan Konig, Tim Martin, Sven Voigt and Steffen Zimmermann. MEMS and FOG Technologies for Tactical and Navigation Grade Inertial Sensors — Recent Improvements and Comparison. Sensors, 17 (2017), 677 (22 pp).
2. MEMS for Automotive and Aerospace Applications. Michael Kraft, Neil M. White. Elsevier. 2013. 360 p.
Отзывы читателей
