RU2774181C1 - Microvacuummeter - Google Patents
Microvacuummeter Download PDFInfo
- Publication number
- RU2774181C1 RU2774181C1 RU2021126716A RU2021126716A RU2774181C1 RU 2774181 C1 RU2774181 C1 RU 2774181C1 RU 2021126716 A RU2021126716 A RU 2021126716A RU 2021126716 A RU2021126716 A RU 2021126716A RU 2774181 C1 RU2774181 C1 RU 2774181C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- resonator
- base
- vacuum
- suspensions
- gauge
- Prior art date
Links
- 239000000725 suspension Substances 0.000 claims abstract description 13
- 229910021421 monocrystalline silicon Inorganic materials 0.000 claims abstract description 7
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract description 3
- 238000009530 blood pressure measurement Methods 0.000 abstract description 2
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 abstract description 2
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract 1
- 238000013016 damping Methods 0.000 description 9
- 230000010355 oscillation Effects 0.000 description 7
- 239000007789 gas Substances 0.000 description 6
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 5
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 4
- 230000035945 sensitivity Effects 0.000 description 4
- 239000012528 membrane Substances 0.000 description 3
- 229910021420 polycrystalline silicon Inorganic materials 0.000 description 3
- 230000002411 adverse Effects 0.000 description 2
- 239000000463 material Substances 0.000 description 2
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 2
- 229920005591 polysilicon Polymers 0.000 description 2
- 238000009461 vacuum packaging Methods 0.000 description 2
- 238000010200 validation analysis Methods 0.000 description 2
- XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N Silicon Chemical compound [Si] XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 description 1
- 230000006835 compression Effects 0.000 description 1
- 238000007906 compression Methods 0.000 description 1
- 230000007423 decrease Effects 0.000 description 1
- 238000006073 displacement reaction Methods 0.000 description 1
- 230000003993 interaction Effects 0.000 description 1
- 238000000034 method Methods 0.000 description 1
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010703 silicon Substances 0.000 description 1
Images
Abstract
Description
Изобретение относится к вакуумной измерительной технике для измерения уровня вакуума в микрополостях, микрообъемах и корпусах датчиков микросистемной техники, в частности к микровакуумметрам, использующим принцип резонанса как основного механизма работы.The invention relates to vacuum measuring equipment for measuring the vacuum level in microcavities, microvolumes and housings of sensors of microsystem technology, in particular to microvacuum meters using the principle of resonance as the main mechanism of operation.
Дефицит контроля в измерении давления в вакууммированных корпусах или микрополостях после их изготовления усложняет проведение анализа работоспособности микроэлектромеханических приборов. Остаточные газы, уровень которых может превышать установленное пороговое значение, могут привести к полной неработоспособности датчика или к его неверным выходным характеристикам. Среди имеющихся вариантов измерения уровня вакуума в микрообъемах существуют микросистемные вакуумметры, основанные на использовании микроэлектромеханического резонатора в чувствительном элементе (ЧЭ).The lack of control in measuring pressure in evacuated housings or microcavities after their manufacture complicates the analysis of the performance of microelectromechanical devices. Residual gases that may exceed the set threshold may render the sensor completely inoperable or cause incorrect output characteristics. Among the available options for measuring the vacuum level in microvolumes, there are microsystem vacuum gauges based on the use of a microelectromechanical resonator in a sensitive element (SE).
Микромеханическая часть вакуумметра в работах: Squeeze-film damping in the free molecular regime: model validation and measurement on a MEMS / H. Sumali, J. Micromech. Microeng. Vol. 17 (2007) P. 2231-2240; Electrostatically driven vacuum encapsulated polysilicon resonators. Part I: Design and fabrieation / R. Legtenberg and H.A.C. Tilmans, Sens. Actuators A, Vol. 45 (1994) P. 57-66; Damping of a microresonator torsion mirror in rarefied gas ambient / A. Minikes, I. Bucher. G. Avivi, J. Micromech. Microeng, Vol. 15 (2005) P. 1762-1769; Model-based design of MEMS resonant pressure sensors / Suijlen, M.A.G. Eindhoven: Technische Universiteit Eindhoven (2011) P. 136; USA 7047810 B2 (May, 2006); EP 1530036 B1 (April, 2007) представляет из себя конструкцию, состоящую из неподвижного основания - опорной кремниевой пластины, как правило, покрытой слоем тонкого металла, и подвижной мембраны, закрепленной на упругих подвесах, перекрывающей плоскость основания и отстоящей на некотором расстоянии над ним. В приведенных источниках такая конструкция упоминается как резонатор в пленарном исполнении. Недостатком такого технического решения, с одной стороны, является использование в процессе изготовления гетерогенных материалов: верхняя часть резонатора - подвижная мембрана изготовлена из тонкого металла, как в работах: Squeeze-film damping in the free molecular regime: model validation and measurement on a MEMS / H. Sumali, J. Micromech. Microeng. Vol. 17 (2007) P. 2231-2240 и EP 1530036 B1 (April, 2007), a основание из монокристаллического кремния, что при температурных изменениях негативно может сказываться на получаемых выходных характеристиках, в частности приводить к дрейфу, гистерезису, срыву колебаний. В других случаях: Electrostatically driven vacuum encapsulated polysilicon resonators, Part I: Design and fabrication / R. Legtenberg and H.A.С. Tilmans, Sens. Actuators A, Vol. 45 (1994) P. 57-66; Model-based design of MEMS resonant pressure sensors / Suijlen, M.A.G. Eindhoven: Technische Universiteit Eindhoven (2011) P. 136 и USA 7047810 B2 (May, 2006) применение поликристаллического кремния, как основного конструкционного материала для топкой мембраны, может отрицательно сказываться на прочностных характеристиках резонатора: возможно проявление начальных деформаций, трещин, разбалансировка и смешивание мод колебаний. Существуют устройства, описанные в Squeezed film damping measurements on a parallel-plate MEMS in the free molecule regime / L. Mol, L.A. Rocha, E. Cretu. R.F. Wolffenbuttel, J. Micromech. Microeng. (J. Mieromechanies and Microengineering) Vol. 19, Issue (7), (2009) 074021 P. (1-6); A study on wafer level vacuum packaging for MEMS devices / B. Lee, S. Seok. K. Chun, J. Micromech. Microeng. Vol. 13 (2003) P. 663-669 и Model-based design of MEMS resonant pressure sensors / Suijlen, M.A.G. Eindhoven: Technische Universiteit Eindhoven (2011) P. 136, в которых микроэлектромеханический резонатор представлен в вертикальном исполнении, т.е. колебания резонатора осуществляются вдоль плоскости его основания. Излишняя жесткость таких конструкций снижает чувствительность датчика, тем самым уменьшая диапазон измерения вакуума. Нижняя граница измеряемых значений для перечисленных конструкций составляет 1-10 паскалей.Micromechanical part of the vacuum gauge in the works: Squeeze-film damping in the free molecular regime: model validation and measurement on a MEMS / H. Sumali, J. Micromech. Microeng. Vol. 17 (2007) P. 2231-2240; Electrostatically driven vacuum encapsulated polysilicon resonators. Part I: Design and fabrication / R. Legtenberg and H.A.C. Tilmans, Sens. Actuators A, Vol. 45 (1994) P. 57-66; Damping of a microresonator torsion mirror in rarefied gas ambient / A. Minikes, I. Bucher. G. Avivi, J. Micromech. Microeng, Vol. 15 (2005) P. 1762-1769; Model-based design of MEMS resonant pressure sensors / Suijlen, M.A.G. Eindhoven: Technische Universiteit Eindhoven (2011) P. 136; USA 7047810 B2 (May, 2006); EP 1530036 B1 (April, 2007) is a structure consisting of a fixed base - a supporting silicon plate, usually covered with a layer of thin metal, and a movable membrane, fixed on elastic suspensions, overlapping the base plane and spaced at some distance above it. In the sources cited, this design is referred to as a plenary resonator. The disadvantage of this technical solution, on the one hand, is the use of heterogeneous materials in the manufacturing process: the upper part of the resonator - the movable membrane is made of thin metal, as in the works: Squeeze-film damping in the free molecular regime: model validation and measurement on a MEMS / H. Sumali, J. Micromech. Microeng. Vol. 17 (2007) P. 2231-2240 and EP 1530036 B1 (April, 2007), a single-crystal silicon base, which, with temperature changes, can adversely affect the resulting output characteristics, in particular, lead to drift, hysteresis, and oscillation stall. Others: Electrostatically driven vacuum encapsulated polysilicon resonators, Part I: Design and fabrication / R. Legtenberg and H.A.C. Tilmans, Sens. Actuators A, Vol. 45 (1994) P. 57-66; Model-based design of MEMS resonant pressure sensors / Suijlen, M.A.G. Eindhoven: Technische Universiteit Eindhoven (2011) P. 136 and USA 7047810 B2 (May, 2006) the use of polycrystalline silicon as the main structural material for the furnace membrane can adversely affect the strength characteristics of the resonator: initial deformations, cracks, imbalance and mixing are possible oscillation mode. There are devices described in Squeezed film damping measurements on a parallel-plate MEMS in the free molecule regime / L. Mol, L.A. Rocha, E. Cretu. R.F. Wolffenbuttel, J. Micromech. Microeng. (J. Mieromechanies and Microengineering) Vol. 19, Issue (7), (2009) 074021 P. (1-6); A study on wafer level vacuum packaging for MEMS devices / B. Lee, S. Seok. K. Chun, J. Micromech. Microeng. Vol. 13 (2003) P. 663-669 and Model-based design of MEMS resonant pressure sensors / Suijlen, M.A.G. Eindhoven: Technische Universiteit Eindhoven (2011) P. 136, in which the microelectromechanical resonator is presented in a vertical design, i.e. resonator oscillations are carried out along the plane of its base. The excessive rigidity of such structures reduces the sensitivity of the sensor, thereby reducing the vacuum measurement range. The lower limit of the measured values for the listed structures is 1-10 pascals.
Наиболее близкими по технической сущности к заявленному техническому решению является микродатчик давления для измерения вакуума, описанный в статье A study on wafer level vacuum packaging for MEMS devices / B. Lee. S. Seok, K. Chun. J. Micromech. Microeng. Vol. 13 (2003) P. 663-669 (прототип). Чувствительный элемент вакуумметра представляет собой резонатор, в котором подвижная инерционная масса (ИМ) с наименьшим габаритом по высоте закреплена на боковых гранях на четырех подвесах с двух сторон над основанием, попарно с каждой стороны. На свободных гранях ИМ располагается встречно-штыревая структура электродов для задания управляющего и считывающего сигнала. Следовательно, ЧЭ представляет собой микроэлектромеханический резонатор в вертикальном исполнении. Колебания осуществляются вдоль плоскости основания, где наибольшее демпфирующее воздействие от остаточного газа осуществляется в зазорах встречно-штыревой структуры при максимальном отклонении от положения равновесия в момент резонанса. Уровень вакуума измеряется посредством измерения величины добротности системы - Q. Недостатком такой конструкции является низкая чувствительность к уровню вакуума, нижняя граница диапазона измеряемых значений ограничена значением в единицы паскаль, вследствие малого демпфирования между взаимодействующими поверхностями, их недостаточного количества, излишней жесткости в местах заделки резонатора.The closest in technical essence to the claimed technical solution is a micropressure sensor for measuring vacuum, described in the article A study on wafer level vacuum packaging for MEMS devices / B. Lee. S. Seok, K. Chun. J. Micromech. Microeng. Vol. 13 (2003) P. 663-669 (prototype). The sensitive element of the vacuum gauge is a resonator, in which the movable inertial mass (IM) with the smallest height dimension is fixed on the side faces on four suspensions on both sides above the base, in pairs on each side. On the free faces of the MI, there is an interdigital structure of electrodes for setting the control and readout signals. Therefore, SE is a vertical microelectromechanical resonator. Oscillations are carried out along the plane of the base, where the greatest damping effect from the residual gas is carried out in the gaps of the interdigital structure with the maximum deviation from the equilibrium position at the time of resonance. The vacuum level is measured by measuring the quality factor of the system - Q. The disadvantage of this design is the low sensitivity to the vacuum level, the lower limit of the range of measured values is limited to a value of units of pascal, due to low damping between the interacting surfaces, their insufficient number, excessive rigidity in the places of the resonator termination.
Задачей изобретения является увеличение чувствительности микровакуумметра, конструкция которого позволит измерить малые значения давления в микрополостях и микрообъемах микроэлектромеханических приборов, повышение стабильности работы микровакуумметра.The objective of the invention is to increase the sensitivity of the microvacuummeter, the design of which will allow measuring small pressure values in microcavities and microvolumes of microelectromechanical devices, increasing the stability of the microvacuummeter.
Техническим результатом предлагаемого решения является увеличение диапазона измерения давления в сторону высокого вакуума и стабильности работы микровакуумметра.The technical result of the proposed solution is to increase the pressure measurement range towards high vacuum and the stability of the microvacuum gauge.
Технический результат достигается тем, что в микровакуумметре с чувствительным элементом, выполненным на основании и состоящим из резонатора, совершающего колебания вдоль плоскости основания и соединенного с ним посредством четырех подвесов; гребенчатого управляющего электрода, образующего с гребенчатым электродом резонатора встречно-штыревую структуру, и сигнальных электродов для считывания сигнала, основание и резонатор выполнены из монокристаллического кремния, подвесы выполнены с возможностью перемещения вдоль плоскости основания и содержат по два взаимно перпендикулярных пружинных элемента, резонатор содержит систему дополнительных демпферов.The technical result is achieved by the fact that in a microvacuum gauge with a sensitive element made on the base and consisting of a resonator oscillating along the plane of the base and connected to it by means of four suspensions; comb control electrode, which forms an interdigital structure with the comb electrode of the resonator, and signal electrodes for signal reading, the base and the resonator are made of single-crystal silicon, the suspensions are movable along the base plane and contain two mutually perpendicular spring elements, the resonator contains a system of additional dampers.
Предлагаемое техническое решение поясняют следующие фигуры.The proposed technical solution is illustrated by the following figures.
На фигуре 1 представлен схематичный вид чувствительного элемента микровакуумметра, гдеThe figure 1 shows a schematic view of the sensitive element of the microvacuum gauge, where
1 - основание из монокристаллического кремния;1 - base of single-crystal silicon;
2 - резонатор;2 - resonator;
3 - гребенчатый управляющий электрод;3 - comb control electrode;
4 - сигнальные электроды для считывания сигнала (сигнальные электроды);4 - signal electrodes for signal reading (signal electrodes);
5 - контактные площадки.5 - contact pads.
На фигуре 2 показаны функциональные элементы резонатора чувствительного элемента микровакуумметра, гдеThe figure 2 shows the functional elements of the resonator of the sensitive element of the microvacuum gauge, where
6 - подвесы резонатора;6 - resonator suspensions;
6а - пружинные элементы подвесов;6a - spring elements of suspensions;
7 - гребенчатый электрод резонатора;7 - comb electrode of the resonator;
8 - система демпферов.8 - damper system.
На фигуре 3 представлены графики зависимости добротности от уровня вакуума для экспериментального образца, предлагаемого микровакуумметра, где сплошной линией показана расчетная зависимость, а точками показаны экспериментальные значения добротности.The figure 3 shows the plots of the quality factor on the vacuum level for the experimental sample, the proposed microvacuum gauge, where the solid line shows the calculated dependence, and the dots show the experimental values of the quality factor.
Микровакуумметр содержит выполненный на основании из монокристаллического кремния 1, чувствительный элемент, состоящий из резонатора 2, гребенчатого управляющего электрода 3, сигнальных электродов для считывания сигнала 4 и контактных площадок 5 (фиг. 1). Резонатор 2 (фиг. 1), совершающий колебания вдоль плоскости основания, состоит из нескольких функциональных элементов: четырех подвесов с пружинными элементами 6, гребенчатого электрода 7 и системы демпферов 8 (фиг. 2). Гребенчатый управляющий электрод 3 образует с гребенчатым электродом резонатора 7 встречно-штыревую структуру.The microvacuum gauge contains a sensitive element made on the basis of single-
Резонатор 2 чувствительного элемента микровакуумметра и основание 1 выполнены из монокристаллического кремния. Резонатор 2 соединен с основанием 1 посредством четырех подвесов с пружинными элементами 6 (фиг. 2). Подвесы 6 содержат по два объединенных взаимно перпендикулярных пружинных элемента, имеющих два направления колебаний в одной плоскости, тем самым, обеспечивается необходимое смещение резонатора 2 для проявления эффекта демпфирования. Система демпферов 8 (фиг. 2), позволяет при отклонении от положения равновесия самого резонатора достичь минимального расстояния между подвижными и неподвижными частями чувствительного элемента, предназначена для увеличения максимальной площади взаимодействия элементов резонатора 2 с молекулами газа и получения, таким образом, максимальной величины полезной составляющей сигнала. На гребенчатом управляющем 3 и сигнальных 4 электродах и резонаторе 2 расположены контактные площадки 5 для подачи и считывания сигнала.The
Устройство работает следующим образом.The device works as follows.
На гребенчатый управляющий электрод 3 подается управляющий сигнал. При этом резонатор 2 отклоняется из положения равновесия и совершает колебания. Резонатор 2 и неподвижные конструктивные части чувствительного элемента в определенный момент времени находятся на достаточно близком расстоянии друг от друга. Таким образом, задействуется механизм вязкого демпфирования в тонких сжатых газовых пленках, вследствие сдавливания и трения о поверхность остаточного газа во встречно-штыревой структуре, образованной гребенчатым электродом резонатора 7 и гребенчатым управляющим электродом 3, а также между системой демпферов 8 и сигнальными электродами 4. Полезный сигнал снимается с сигнальных электродов 4. Уровень вакуума измеряется посредством вычисления величины добротности системы - Q с помощью метода затухания амплитуды колебаний по формуле:A control signal is applied to the
где τ - время релаксации, в течение которого начальная амплитуда уменьшается в е раз, ƒ0 - резонансная частота колебаний.where τ is the relaxation time during which the initial amplitude decreases by a factor of e, ƒ 0 is the resonant frequency of oscillations.
Было проведено моделирование и измерение экспериментального образца микровакуумметра, графики зависимости добротности от уровня вакуума представлены на фигуре 3. Расчетные значения обозначены на фигуре 3 сплошной линией, экспериментальные значения обозначены точками. В ходе экспериментального определения зависимости добротности от давления подтверждена корректность расчетной модели вакуумметра.Modeling and measurement of an experimental sample of a microvacuum gauge was carried out, plots of the quality factor versus vacuum level are shown in figure 3. The calculated values are indicated in figure 3 by a solid line, the experimental values are indicated by dots. During the experimental determination of the dependence of the quality factor on pressure, the correctness of the calculated model of the vacuum gauge was confirmed.
Микровакуумметр благодаря конструкции чувствительного элемента обладает повышенной стабильностью работы и позволяет измерять уровень вакуума с высокой чувствительностью в широком диапазоне значений.The microvacuummeter, due to the design of the sensitive element, has increased stability and allows you to measure the vacuum level with high sensitivity over a wide range of values.
Claims (1)
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2774181C1 true RU2774181C1 (en) | 2022-06-15 |
Family
ID=
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5528939A (en) * | 1995-03-21 | 1996-06-25 | Martin; Jacob H. | Micromechanical pressure gauge having extended sensor range |
| EP1530036A1 (en) * | 2003-11-07 | 2005-05-11 | VARIAN S.p.A. | Pressure sensor |
| US7047810B2 (en) * | 2003-01-15 | 2006-05-23 | Ahura Corporation | Micro-electro-mechanical pressure sensor |
| UA101707C2 (en) * | 2011-06-30 | 2013-04-25 | Национальный Научный Центр «Харьковский Физико-Технический Институт» | Source of atoms for vacuum deposition of silicon-based semiconductor structures |
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5528939A (en) * | 1995-03-21 | 1996-06-25 | Martin; Jacob H. | Micromechanical pressure gauge having extended sensor range |
| US7047810B2 (en) * | 2003-01-15 | 2006-05-23 | Ahura Corporation | Micro-electro-mechanical pressure sensor |
| EP1530036A1 (en) * | 2003-11-07 | 2005-05-11 | VARIAN S.p.A. | Pressure sensor |
| UA101707C2 (en) * | 2011-06-30 | 2013-04-25 | Национальный Научный Центр «Харьковский Физико-Технический Институт» | Source of atoms for vacuum deposition of silicon-based semiconductor structures |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| A study on wafer level vacuum packaging for MEMS devices / B. Lee. S. Seok, K. Chun. J. Micromech. Microeng. Vol. 13 (2003) P. 663-669. * |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Zook et al. | Characteristics of polysilicon resonant microbeams | |
| Stemme | Resonant silicon sensors | |
| US8826742B2 (en) | Pressure sensor using MEMS resonator | |
| Du et al. | High accuracy resonant pressure sensor with balanced-mass DETF resonator and twinborn diaphragms | |
| US20130285676A1 (en) | Micromechanical resonators | |
| JPH08338776A (en) | Microminiature mechanical pressure gage with expanded sensorrange | |
| JP6196144B2 (en) | Sensor element and pressure sensor | |
| US4091679A (en) | Vibrating quartz accelerometer | |
| CN105917242B (en) | Utilize the method for sensor as the sensor with mixing vibration and the motion sensitive element of swinging operation and control | |
| CN110865205A (en) | Vibrating beam accelerometer | |
| JP2009133862A (en) | System with sensor based on suspended piezo resistance strain gauge having strain amplification cell | |
| Miani et al. | Resonant accelerometers based on nanomechanical piezoresistive transduction | |
| KR101328642B1 (en) | Mems resonating accelerometer | |
| JP2011117944A (en) | Acceleration sensor | |
| RU2774181C1 (en) | Microvacuummeter | |
| RU2761072C1 (en) | Microelectromechanical vacuum gauge | |
| CN109738093B (en) | On-chip resonant beam structure for detecting stress of micro-electromechanical device and detection method | |
| JP2022089789A (en) | Mems vibrating beam accelerometer with built-in test actuators | |
| Taïbi et al. | SWaP reduction for high dynamic navigation grade accelerometer based on quartz VBA technology | |
| RU2692122C1 (en) | Solid-state linear acceleration sensor | |
| Zhang et al. | Structure design and fabrication of silicon resonant micro-accelerometer based on electrostatic rigidity | |
| Comi et al. | A new two-beam differential resonant micro accelerometer | |
| RU2652639C1 (en) | Method of the kelvin-voigt model coefficients determining for the micro-mechanical resonator adhesive connection with the base | |
| Hou et al. | Structural improvement in resonant silicon sensors to sub-ppm/° C temperature coefficient of resonance frequency | |
| KR20250093483A (en) | Gas Type Compensation for MEMS Devices |