Способ измерения величины зазора в микромеханическом датчике

Способ измерения величины зазора в микромеханическом датчике

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Изобретение относится к измерительной технике и может применяться при изготовлении и контроле параметров микромеханических датчиков (ММД): акселерометров, гироскопов, датчиков давления, резонаторов, микрозеркал и т.п. Предлагаемый способ предназначен для контроля рабочего зазора между чувствительным элементом (ЧЭ) и электродами систем съема перемещений и электростатического привода, применяемых в ММД. Способ применяется в технологическом процессе изготовления ММД на этапе сборки перед посадкой ЧЭ в корпус.

К известным прямым способам контроля зазора можно отнести оптический контроль, имеющий ряд существенных недостатков: не доступен для контроля рабочего зазора в структурах типа "сэндвич", непроизводителен при массовом изготовлении;

рентгеновский контроль - непроизводителен при массовом изготовлении [1, 2].

Известен способ контроля зазора, основанный на измерении емкости [3]. Однако прямые методы измерения емкостей в системе "упругий подвес-электроды" обладают большой погрешностью из-за наличия паразитных емкостей, сопоставимых по величине с величиной номинальной емкости (емкости между ЧЭ и электродом). Это приводит к существенной погрешности определения зазора, поскольку погрешности измерения номинальной емкости прямым методом могут достигать нескольких десятков или даже сотен процентов вследствие.

Целью изобретения является повышение точности измерения рабочего зазора в системе "упругий подвес-электроды".

Для достижения поставленной цели предлагается способ, заключающийся в первоначальном измерении величины электрической емкости между чувствительным элементом (ЧЭ) упругого подвеса и электродом, перемещении ЧЭ в упругом подвесе до его касания с основанием, на котором расположен электрод, измерении величины указанной емкости в этом положении, вычислении величины рабочего зазора по следующему соотношению:

где h₀ - рабочий зазор, l - длина электрода, L - расстояние от оси торсионов упругого подвеса до края электрода, ε - коэффициент диэлектрической проницаемости; ε₀ - электрическая постоянная; b - ширина чувствительного элемента, С_{ном из} - измеренная величина электрической емкости между чувствительным элементом и электродом в положении устойчивого равновесия, С_{мин из} - измеренная величина электрической емкости между чувствительным элементом и электродом в положении касания чувствительного элемента с основанием.

Соотношение (1) для определения зазора предлагаемым способом получается следующим образом.

На фиг.1 показана типовая система "упругий подвес-электроды", используемая в микромеханических датчиках и представляющая собой ЧЭ, подвешенный с помощью упругих элементов с зазором h₀ над системой электродов С₁₁, С₁₂, С₂₁, С₂₂, которые в свою очередь расположенны на статорной подложке.

Рассмотрим работу ММД в режиме электростатического двигателя. Плавное увеличение напряжения на любом из электродов приводит к плавному увеличению угла отклонения ЧЭ (фиг.1), происходящему за счет притягивающих пондеромоторных сил, возникающих в электростатическом поле между ЧЭ и электродом. При достижении некоторого критического значения угла происходит опрокидывание ЧЭ на статорную подложку. Электростатический момент силы может быть представлен следующим соотношением:

где U - управляющее напряжение, l - длина обкладки конденсатора (l=l₁ или l=l₂), L - расстояние от оси торсионов до края обкладки электрода (L=L₁ или L=L₂), ε - коэффициент диэлектрической проницаемости; ε₀ - электрическая постоянная; b - ширина чувствительного элемента, α - угол поворота чувствительного элемента (ЧЭ).

Момент упругой силы торсионов при повороте ЧЭ на угол α определяется зависимостью: M_мех=кα.

На фиг.2 представлены функциональные зависимости М_эл, M_мех от угла α. В силу того, что электростатический момент М_эл возрастает на всем допустимом диапазоне значений α и не имеет точек перегибов, а механический момент М_мех линейно зависит от угла α, возможны три случая взаимного расположения графиков электростатического и механического моментов: графики электростатического момента и механического момента имеют две точки пересечения; одну точку пересечения (график механического момента является касательной к графику электростатического момента); не пересекаются. Рассмотрим каждый из трех случаев отдельно.

В случае двух точек пересечения точки 1 и 2 определяют пересечения графиков функций электростатического и механического моментов и являются положением равновесия. Разобьем абрисами точек 1 и 2 ось α, на три зоны (условно обозначим зоны I, II, III). Из фиг.2 видно, что в зоне I выполняется условие |M_{эл 1}|>|М_мех|, для зоны II |М_{эл 1}|<|М_мех|, для зоны III |М_{эл 1}|>|М_мех|. Отмечая, что механический момент возвращает ЧЭ в нейтральное положение, а электростатический момент выводит подвижную систему МП из данного положения, заключаем, что зоны I, II - устойчивые зоны, а III - неустойчивая зона. Следовательно, точка 1 - точка устойчивого положения равновесия, а точка 2 - точка неустойчивого положения равновесия. Таким образом, в случае если графики электростатического момента и механического момента имеют две точки пересечения, то вторая точка пересечения определяет границу устойчивости. В случае одной точки пересечения (из фиг.2) видно, что до точки касания графиков выполняется условие |М_{эл 2}|>|М_мех|, после точки пересечения графиков |М_{эл 2}|<|М_мех|. Следовательно, точка пересечения графиков - точка неустойчивого положения равновесия и система не имеет зон устойчивости. В том случае, если графики не пересекаются (фиг.2), видно, что |М_{эл 3}|>|М_мех|. Следовательно, система не имеет зон устойчивости. Выражение (2) представляет собой квадратичную зависимость от напряжения U, поэтому при его увеличении меняется положение графика М_эл(α). Это приводит к сближению точек пересечения графиков электростатического и механического моментов (точки 1 и 2, см. фиг.4), при некотором критическом напряжении U точки 1 и 2 сливаются, что приводит к потере устойчивости и опрокидыванию ЧЭ на статорную обкладку. Данный эффект может быть использован для измерения номинального значения емкости.

Емкость, образованная ЧЭ и электродом, определяется следующей зависимостью:

Номинальная величина емкости при α=0 определяется так:

В случае поворота ЧЭ на максимальный угол α_max=h₀/L из (3) получаем соотношение для определения минимальной емкости:

Отношение разности номинальной и минимальной емкостей к номинальной емкости для фиксированной геометрии обкладок будет постоянным числом, не зависящим от зазора и от ширины обкладки.

Измерение и расчет номинального значения емкости проводятся в два этапа. На первом этапе измеряется значение емкости С_{ном из} без подачи управляющего напряжения на электрод. На втором - подается достаточное для опрокидывания ЧЭ напряжение на симметричный измеряемому электрод, измеряется значение емкости С_{мин из}. Следует отметить, что измеренные значения емкостей С_{ном из} и С_{мин из} состоят из С_{ном из}=С_ном+С_nap, C_{мин из}=С_мин+С_nap, где С_nap - паразитная емкость, состоящая из емкостей подводящих проводов, контактных площадок и других элементов конструкции датчика. Однако разность измеренных емкостей С_{ном из}-С_{мин из} будет равна разности действительных значений емкостей С_ном-С_мин. В этом случае истинное значение номинальной емкости, в соответствии с зависимостью (6), рассчитывается по формуле:

Используя (4), (7), получаем соотношение (1) для вычисления величины зазора h₀ между ЧЭ и электродом.

Таким образом, предлагаемый способ позволяет определять величины номинальных емкостей, образованных ЧЭ и электродами систем съема перемещений и электростатического привода в процессе сборки ММД перед посадкой его в корпус и дальнейшей герметизацией, а также контролировать величины рабочих зазоров между ними. Способ применяется в МИЭТ на кафедре микроэлектроники для контроля емкостей ММД, величина которых находится в пределах 0,2÷10 пФ (величина паразитных емкостей составляет при этом 2,5÷6 пФ), а также рабочих зазоров с величинами порядка 3÷30 мкм. Погрешность измерения номинальных емкостей и рабочих зазоров не превышает при этом ±9%.

Источники информации

1. Измерение параметров полупроводниковых материалов и структур / В.В.Батавин, Ю.А.Концевой, Ю.В.Федорович. М.: Радио и связь, 264 с., ил. 20, 1985.

2. Методы исследования и контроля чистоты поверхности материалов электронной техники: [Учеб. пособие] / А.И.Бутурлин, И.Э.Голубская, Ю.Д.Чистяков; Моск. ин-т электрон. техники. М.: МИЭТ, 91 с., ил. 20, 1989.

3. Былинкин С.Ф., Вавилов В.Д., Миронов С.Г. Преобразователь перемещений. Патент РФ №2279632, 2004.06.15 - прототип.

1. Способ измерения величины зазора в микромеханическом датчике, включающий определение зазора на основе измерения электрической емкости между чувствительным элементом упругого подвеса и электродом, отличающийся тем, что первоначально измеряется величина электрической емкости между чувствительным элементом упругого подвеса и электродом в исходном положении чувствительного элемента, затем чувствительный элемент перемещается до касания с его основанием, на котором расположен электрод, в этом положении снова измеряется величина указанной емкости, а величина рабочего зазора вычисляется по следующему соотношению:

где h₀ - рабочий зазор, l - длина электрода, L - расстояние от оси торсионов упругого подвеса до края электрода, ε - коэффициент диэлектрической проницаемости; ε₀ - электрическая постоянная; b - ширина чувствительного элемента, С_{ном из} - измеренная величина электрической емкости между чувствительным элементом и электродом в положении устойчивого равновесия,

С_{мин из} - измеренная величина электрической емкости между чувствительным элементом и электродом в положении касания чувствительного элемента с основанием.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что перемещение чувствительного элемента до его касания с основанием, на котором расположен электрод, обеспечивается подачей на него электрического напряжения.