BG66806B1 - Контактен микроелектромеханичен сензор и метод за определяне на позиция с него - Google Patents

Abstract

Изобретението се отнася до микроелектромеханични (МЕМС) сензори за контактно измерване на позиция на микро- и макроразмерни обекти с работен диапазон до 5 mm и до метод за определяне на позиция с разделителна способност от порядъка на нанометри и по-добра. Сензорът намира приложение в позициониращи системи с много висока разделителна способност, за измервания и контрол в областта на микро-/нанотехнологиите. Чрез използване на преобразуващи механизми, сензорът и методът са приложими във всички области, където контролът на специфични величини се свежда до контрол на позиция. Сензорът се състои от неподвижно тяло (1) с разпростираща се от него измерителна микроконзола (2), в основата на която са вградени пиезорезистори (4), и подвижен елемент (1'), който се закрепва неподвижно към подвижен обект, на който се определя позицията. Тялото (1), закрепено към неподвижен обект, и елементът (1') са свързани посредством поне един еластичен предавателен механизъм (5), включващ микроконзолата (2), към подвижния край на която е присъединена верига от допълнителни гъвкави елементи (6, 7, 8, 14 или 10). Сензорът е изработен монолитно от една подложка, с плоска горна повърхност. 10 претенции, 6 фигури

Description

Област на техниката

Изобретението се отнася до микроелектромеханичен (МЕМС) сензор за точно контактно определяне на позиция на микро- и макро-размерни обекти с работен диапазон (ход) до 5 mm, както и до метод за определяне на позиция с разделителна способност от порядъка на нанометри и по-добра.

По-специално, настоящото изобретение е ориентирано към контактен МЕМС сензор и към метод за определяне с много висока (ppm) точност, на позицията на два обекта с макроскопични или микроскопични размери, единият от които е неподвижен. Неподвижният обект е използван за задаване началото на локална координатна система, а подвижният обект предава движението си чрез подвижен елемент на еластичен предавателен механизъм на микроелектромеханичния сензор. Такъв сензор, използван самостоятелно, намира приложение в позициониращи системи с много висока точност и разделителна способност за измервания и контрол, при обработки в областта на микро-/нанотехнологиите. Когато сензорът се използва съвместно с подходящи преобразуващи механизми, дори и тези механизми да не са с висока степен на селективно преобразуване в едно направление, приложенията на сензора от настоящото изобретение се разширяват до всички области, в които контролът на специфични величини се свежда до прецизен контрол на позиция при отклик, като например при прецизни силомери, акселерометри, термометри и др.

Предшестващо състояние на техниката

Известни са множество, разнообразни методи и прибори за измерване на линейни премествания и позиция на тела. Такива например са описани в обзор на методите за измервания на премествания, от: Andrew J. Fleming, Review of nanometer resolution position sensors: Operation and performance, Sensors and Actuators A 190 (2013) 106-126, и книгата T. R. Hicks, P. D. Atherton, The Nano Positioning Book Moving and Measuring to better than a Nanometre, Queensgate, 1997, ISBN 0 9530658 0 4. Изчерпателен обзор на пиезо-резистивните сензори и техните алтернативи е направен от Joseph С. Doll, Beth L. Pruitt, в Piezoresistor Design and Applications, Springer, 2013, ISBN 978-1-4614-8516-2.

Един пример за нивото на техниката е патент на САЩ № US 8310128, в който са разкрити високопрецизни МЕМС сканиращи устройства с паралелна кинематика, които осигуряват висока независимост на движенията по всяка от осите на координатната система. Теоретично е оценено отношението на коравините на еластичните елементи в желаното към нежеланото направление до над 41400 пъти и експериментално е установено голямото влияние (над 50 пъти) върху реално измерените параметри на приборите вследствие от малки отклонения в размерите на еластичните елементи при тяхното получаване. В резултат, движенията по двете направления X и Y са разкрити като независими. В този патент нито се споменава, нито се предполага прибор или метод за измерване на позицията на подвижен обект, които да са едновременно зависими по две или повече направления, както и за директно измерване на позиция на точка, която характеризира обекта.

В Международна заявка за патент № WO 2000/071981 са разкрити сензори за преместване и актюатори, получени чрез микрообработки. Микромеханичният сензор включва референтна (опорна) рамка и един еластичен елемент с оптически вълновод със степен на свобода в равнината на рамката, с който се реализира преобразуването на преместването на елемента в оптически сигнал. Тъй като в заявката за патент е дадена аргументация, че поради ниска чувствителност и силна температурна зависимост пиезо- резисторите са неподходящи за подобни измервания, нито се допуска разглеждането на тези сензорни елементи като вариант за реализация на изобретението, нито се дискутират други детайли, свързани с тях.

Основен проблем при използването на съвременните сензори за позиция в областта на микро- и наноразмерните измервания е този, че поради размерите на съответните прибори или други причини, те не измерват директно положението на избрана точка на тялото, която го характеризира най-добре, а на точка, която е „удобна” за извършване на измерването, т.е. индиректно. При това, обичайно, не се

Описания на издадени патенти за изобретения № 01.2/31.01.2019 отчита влиянието на елементите, разположени между споменатите две точки, за директно и индиректно измерване, върху измерения резултат и това допълнително намалява достоверността му. Особено силно е влошаването на резултата за случаите, когато междинните елементи между двете споменати точки са с многократно - типично от 10⁶ до 10⁹ пъти, по-големи размери от разделителната способност, за която се претендира или е необходимо да бъде постигната.

Така например, в патент на САЩ № US 8 610 332 е разкрита система за позициониране на обект, имаща фиксирана основа, опора на обекта, който се позиционира, актюатор, който въздейства с контролируема сила на опората, сензор за сила и система за контрол на позиционирането при поне една резонансна честота. За предпочитане, контролер управлява позицията на обекта чрез измерване на силата, която въздейства на опората му. В този патент, платформата 3, която носи обекта, се разглежда като недеформируема и затова измерването на позицията на всяка точка от споменатата платформа е еквивалентна на измерването в друга точка. Затова измерването на позицията на обекта е индиректно.

Друг сериозен проблем на индиректните измервания на позицията на точка е това, че пропорционално на разстоянието между споменатата характерна точка и точката, в която става измерването, нараства грешката от пространствени завъртания на измервания обект. При споменатите големи разстояния между двете точки, напр. от порядъка от 1 до 10 cm, за точното определяне на позицията на конкретна точка е необходимо отчитането на трите ъглови степени на свобода, колкото и малки да са техните стойности.

Ето защо, е необходимо да бъдат създадени сензори, които да бъдат използвани за директно измерване на позицията на избрана точка, която характеризира най-добре поведението на подвижното тяло.

Международна патентна заявка WO 2010/139034 разкрива основна микроструктура за измерване на огъване в равнината на горната повърхност на МЕМС сензор, и е показана на фиг. 1а от настоящата заявка. Тя представлява монолитен прибор с неподвижно масивно (недеформируемо) тяло 1 с дебелина от около 200 pm до около 500 pm и тънък еластичен микроелектромеханичен елемент, такъв като микроконзола 2 с дебелина, напр. в диапазона от 10 pm до 50 pm, разпростираща се от масивното тяло 1. Микроконзолата 2 има един свободен и един фиксиран край, като фиксираният край е свързан с тялото 1 посредством стеснен участък 3. Дължината на микроконзолата варира в диапазона от около 10 pm до около 1 mm, като обичайно е в диапазона от 50 pm до 600 pm. Ширината на микроконзолата варира в зависимост от приложението на целия прибор, и е в диапазона от 10 pm до 100-200 pm. Ширината на стеснения участък 3 е обичайно в диапазона от 3 pm до 20 pm, за предпочитане в диапазона от 4 pm до 15 pm, като задължително тя е по-малка от дебелината на микроконзолата 2. Такава микроконзолна структура 2 има предпочитано направление на огъване в равнината на горната повърхност на тялото 1. В страничните стени на стеснения участък 3, както е показано в увеличеното изображение на фиг. 16, са разположени симетрично два пиезорезистора 4 и 4’, получени чрез легиране и притежаващи максимално еднакви параметри. При отклонение на свободния край на микроконзолата 2 възникват механични напрежения, които се концентрират в стеснения участък 3, където са разположени двата пиезорезистора 4 и 4’, които реагират антифазно на споменатото отклонение. Работният диапазон, в който приборът може да бъде използван за определяне на позиция, се определя от максималната амплитуда на отклонение на свободния край на микроконзолата 2 без разрушаване, отчетена спрямо неутралното положение.

Електрически, пиезорезисторите 4 и 4’ са свързани последователно в напрежителен делител, както е показано на фиг. 1в, като промяната на напрежението V на средната точка на делителя е линейно пропорционално на отклонението на свободния край на микроконзолата 2, което прави пиезорезистивният метод на измерване предпочитан. Реалното положение на общата контактна област 4 която електрически е средна точка на напрежителния делител, е показано на увеличеното изображение на фиг. 16. Тази електромеханична микроструктура е симетрично разположена спрямо вертикалната ос Y и притежава симетричен отклик при отклонение на свободния й край в двете посоки на оста X. За определеност, потенциалът V на средната точка на напрежителния делител 4_с в недеформирано положение се приема за нула („0”).

Прибори, подобни на показания на фиг. 1а се произвеждат обичайно от монокристални силициеви подложки, и за да има всяка структура максимално висока чувствителност, е необходимо елементите

Описания на издадени патенти за изобретения № 01.2/31.01.2019 й да са ориентирани в подходящо кристалографско направление на подложката.

Въпреки наличието на определени предимства, например много ниската температурна чувствителност на сензорния сигнал, показаните на фиг. 1а сензори практически не се използват в този си вид поради следните проблеми. Първият е илюстриран на фиг. 1г - преместването на свободния край на микроконзолата 2 на разстояние Δχ по оста X води до преместване Ау по оста Υ. В резултат се получава така, че измереният в този случай един единствен сензорен сигнал съдържа информация за две компоненти, съответно по оста X и по оста Υ, като възниква проблем с разграничаването на две позиции с еднакви стойности на сензорните сигнали, получени при различни комбинации на компонентите. На практика, огъването на микроконзолата 2 е по трите оси и за точно измерване на позиция е необходимо да се разграничи приноса на всяка от съответните компоненти в сензорния сигнал.

Друг основен проблем е свързан с начина на прилагане на външното въздействие върху такъв микроелектромеханичен елемент. Както е показано схематично на фиг. 1д, движението на актюиращия елемент ЕЕ по оста X спрямо неподвижното тяло 1, предизвиква промяна на положението на точката на контакт Р с микроконзолата 2, като тази точка е функция от позицията х на актюиращия елемент ЕЕ по оста X: Р=Р(х). Освен това, положението на точката на контакт зависи от триенето между споменатите елементи, което води до нееднозначност на връзката между огъването на микроконзолата 2 и позицията х на актюиращия елемент ЕЕ.

Когато за определяне на позиция на подвижно тяло се използва метод с променлива точка на измерване, възниква трети допълнителен проблем, свързан с отчитане влиянието на формата на повърхността на околността на споменатата точка. Изменението на позицията на тялото се наслагва с променливата форма на повърхността му, която участва в генерирането на сензорен сигнал. Затова, точно измерване може да бъде направено само когато тялото е с идеално полирана повърхност, която има постоянно отстояние спрямо измерващия елемент, избран от: сондов елемент, измерителен електрод, контактен елемент или друг, известен на специалистите в областта.

По подобен начин, отрицателно влияние върху възможността за контактно механично определяне на позицията на измерван обект оказва едно четвърто явление, наречено „изкълчване”, изразяващо се в скокообразно изменение на формата и положението на еластичните връзки, напр. свързващи подвижния елемент и неподвижното тяло, заедно със съответното скокообразно изменение на сензорния сигнал, при малки изменения на позицията, вследствие на кинематична неопределеност. Обичайно, това явление се наблюдава при натоварвания на аксиален натиск, като напр. известното на специалистите в областта Ойлерово изкълчване на ос или други подобни примери.

В допълнение, в литературата, която описва областта, и в частност МЕМС сензорите с вградени пиезорезистори, въпреки техните предимства са показани множество примери, когато температурната чувствителност на пиезорезисторите или дрейфът на параметрите им са сериозно препятствие за използването им за определяне на позиция с висока точност и разделителна способност.

Ето защо, има необходимост да бъде създаден МЕМС сензор с контактно действие, преодоляващ посочените затруднения, който да осигурява постоянна точка на контакт с подвижния обект, с цел постигане на висока точност на определяне на неговата позиция спрямо началото на локална координатна система. Този МЕМС сензор следва да служи за определяне директно позицията на точка от тялото, чието положение го характеризира в най-голяма степен, сензорните сигнали да са с линейна чувствителност, без дрейф на параметрите и температурна чувствителност.

Що се отнася до съвременните методи за измерване на позиция, известно е, че за определяне на позицията на подвижно тяло с три транслационни степени на свобода е необходимо извършването на три измервания. Затова, в известните от практиката методи за измерване на позиция на обект, се извършват три независими измервания - по едно за всяка от компонентите на позицията по трите оси. За целта се използват допълнителни, обичайно - специално проектирани за конкретното приложение, податливи еластични механизми, като плоски паралелограми, направляващи втулки и др. с подобна функция, или се прилагат методи на измерване, които да осигуряват максимално висока степен на селективна чувствителност на резултатите от измерването към позицията в избраното направление. Така на практика, точността на метода за определяне на позиция се ограничава от точността на всяко

Описания на издадени патенти за изобретения № 01.2/31.01.2019 едно от независимите измервания на трите компоненти по осите X, Y и Z, които поотделно зависят от ограничената стойност на степента на селективна чувствителност на метода на измерване за съответното избрано направление.

Затова, има необходимост да бъде създаден и подходящ метод за измерване на позиция на подвижно тяло с висока точност, напр. ppm или по-добра, при който да се измерва само сензорен сигнал от сензор съгласно изобретението, а не позиция. Позицията се определя с висока точност от измерените сензорни сигнали чрез пресмятане.

Техническа същност на изобретението

Изобретението се отнася до контактен микроелектромеханичен (МЕМС) сензор за определяне на позиция на подвижен спрямо неподвижен обект, който сензор съдържа неподвижно тяло и разпростираща се от него поне една измервателна микроконзола, отдалеченият край на която е подвижен. В неподвижния край на конзолата е оформен стеснен участък с вградени в него пиезорезистори. Сензорът съдържа и един подвижен елемент, предназначен за закрепване неподвижно към измервания подвижен обект. Неподвижното тяло и подвижният елемент са свързани помежду си посредством поне един еластичен предавателен механизъм, който включва в себе си измервателната микроконзола, към подвижния край на която е присъединена верига от допълнителни гъвкави елементи, поне един от които е с различна ориентация спрямо предходния във веригата. Сензорът е монолитно изработен от една подложка и е с плоска горна повърхност, а неподвижното тяло е предназначено за закрепване към неподвижен обект и е снабдено на повърхността си с галванични връзки за извеждане на сензорните сигнали.

Във вариант на изобретението, сензорът съдържа допълнителни укрепващи елементи, снабдени с отслабени участъци, за осигуряване на транспортно положение на сензора.

Във вариант на изобретението, неподвижното тяло е с правоъгълна, О-образна, L-образна, Т-образна, Н-образна или U-образна форма, а подвижният елемент е с правоъгълна, L-образна, Т-образна или U-образна форма.

В друг вариант на изобретението поне един еластичен предавателен механизъм на сензора има две измервателни микроконзоли, а електрическата схема на свързване на пиезорезисторите в тях е по избор и определя селективната чувствителност на сензорния сигнал по съответната ос на координатната система.

Във вариант на изобретението, поне един еластичен предавателен механизъм е редукционен, като към подвижния край на измервателните микроконзоли са присъединени системи от последователно свързани пружини. Съгласно друг вариант, еластичният предавателен механизъм е усилвателен, като към подвижния край измервателните микроконзоли са присъединени вериги от допълнителни гъвкави елементи.

Във варианти на изобретението, еластичните предавателни механизми са поне два и са със селективна чувствителност съответно по осите X и Y, или са поне три и са със селективна чувствителност съответно по осите X, Y и Z.

Изобретението се отнася и до метод за контактно определяне с голяма точност на позиция на подвижен обект чрез използване на МЕМС сензор съгласно настоящото изобретение, при който се избира характерна точка от подвижния обект и най-напред в транспортно положение се извършва твърдо закрепване на неподвижното тяло на сензора към неподвижния обект, и на подвижния елемент на сензора към подвижния обект. След свързване към външни захранващи и измервателни блокове, се измерват стойностите в транспортно положение на три сензорни сигнали е, от подходящо свързаните пиезорезистори, разположени във всеки еластичен предавателен механизъм, с който сензорът е снабден. След това, чрез отстраняване на укрепващите елементи, сензорът се привежда от транспортно в начално работно положение, при което позицията на споменатата характерна точка се приема за начало на локалната координатна система. За определяне на позицията на подвижния обект във всяка точка от неговата траектория се извършва едновременно измерване на три сензорни сигнали А, генерирани от пиезорезисторите на съответните еластични предавателни механизми. После, чрез пресмятане от системата уравнения:

Описания на издадени патенти за изобретения № 01.2/31.01.2019

Aj = Ρ^Χ,γ,ζ) + 8!

А₂ = F₂(x,y,z) + ε₂

А₃ = F₃(x,y,z) + ε₃, (1) в която функциите F са известни от калибрирането на сензора, се определят трите координати на позицията на избраната характерна точка от подвижния обект, в момента на извършване на измерванията.

Във вариант на метода, за увеличаване на селективната чувствителност на сензорния сигнал по дадено направление при определянето на η на брой координати на позицията на подвижния обект, се използват и сензорни сигнали, генерирани от допълнителни еластични предавателни механизми (5 , i>n). Тези сигнали се подлагат на аналогова или цифрова обработка, а броят на независимите уравнения в системата уравнения (1) е равен на броя η на координатите на позицията, които се цели да бъдат определени.

Пояснение на приложените фигури

Фиг. 1а. Основна микроконзолна структура с вградени пиезорезистори в страничните стени, известна от предшестващото състояние на техниката.

Фиг. 16. Схематично представяне на разположението на сензорните пиезорезистори и свързващата ги проводяща област в стеснения участък на микроконзолната структура от предшестващото състояние на техниката.

Фиг. 1в. Еквивалентна схема на свързване в напрежителен делител на двата пиезорезистора в микроконзолната структура, позната от нивото на техниката.

Фиг. 1г. Илюстрация на многомерния характер на огъването на микроконзола.

Фиг. 1 д. Пример за променлива приложна точка на външно въздействие с актюиращ елемент върху микроконзолна структура.

Фиг. 2а. Вариант на еластичен предавателен механизъм за МЕМС сензор съгласно изобретението.

Фиг. 26. Вариант на МЕМС сензор с укрепващи елементи и еластичен предавателен механизъм.

Фиг. За. МЕМС сензор с едноосов предавателен механизъм по Υ с две измервателни микроконзоли, разширен обхват и висока степен на компенсиране на влиянието на преместването по направление X.

Фиг. 36. Неподвижно тяло и подвижен елемент на МЕМС сензор с една посока на движение по направление Υ.

Фиг. Зв. Неподвижно тяло и подвижен елемент на МЕМС сензор с две посоки на движение по направление Υ.

Фиг. Зг. Схематично представяне на област с понижена механична здравина и допълнителни елементи за локализирано въздействие.

Фиг. 4а и 46. Варианти на еластични предавателни механизми със симетрична структура спрямо направлението Υ, неутрално средно положение и различна коравина.

Фиг. 4в и 4г. Варианти на свързване в пълен измерителен мост на сензорни пиезорезистори от еластичен предавателен механизъм с две измервателни микроконзоли, който има симетрична конструкция спрямо направлението Υ.

Фиг. 5 а. Двуосов МЕМС сензор за позиция с два еластични предавателни механизма.

Фиг. 56. Вариант на изпълнение на двуосов МЕМС сензор за позиция с два еднакви и еднакво ориентирани по направление Υ еластични предавателни механизми.

Фиг. 5в. Схематично представяне на двуосов МЕМС сензор за позиция с L-образно неподвижно тяло и два ортогонално ориентирани еластични предавателни механизми.

Фиг. 5г. Вариант на изпълнение на двуосов МЕМС сензор за позиция с U-образно неподвижно тяло три еднакви по конструкция и ориентирани по направленията X и Υ еластични предавателни механизми.

Фиг. 5д. Вариант на изпълнение на двуосов МЕМС сензор за позиция с О-образно неподвижно тяло, четири еднакви по конструкция и симетрично разположени еластични предавателни механизми, ориентирани по направленията X и Υ.

Фиг. 6а. Схематично представяне на триосов МЕМС сензор за позиция с три еластични предавателни механизми.

Описания на издадени патенти за изобретения № 01.2/31.01.2019

Фиг. 66. Схематично представяне на триосов МЕМС сензор за позиция с L-образно неподвижно тяло и три симетрично разположени еластични предавателни механизми.

Фиг. 6в. Триосов МЕМС сензор за позиция с О-образно неподвижно тяло и четири еднакви и симетрично разположени еластични предавателни механизми, ориентирани по направленията X и Y, чувствителни по трите направления.

Фиг. 6г. Схематично представяне на триосов МЕМС сензор за позиция с U-образно неподвижно тяло три симетрично разположени спрямо направление Y еластични предавателни механизми.

Фиг. 6д. Вариант на изпълнение на триосов МЕМС сензор за позиция с U-образно неподвижно тяло и три симетрично разположени спрямо направлението Y, еластични предавателни механизми.

Примери за изпълнение на изобретението

Дефиниции

В настоящото описание, термините „микроелектромеханичен сензор”, „МЕМС сензор”, „сензор” и „прибор” са използвани взаимозаменяемо. Също така, взаимозаменяемо са използвани термините „направление”и„ос”.

В настоящото описание, под „позиция“ на транслационно преместващо се тяло се разбира позицията на избрана негова точка, характеризираща се с координатите по трите направления X, Y и Z, отчетени спрямо началото на локална координатна система, докато „преместване” е изменението на позицията на избраната точка спрямо позицията й в предшестващ момент време.

Контактен МЕМС сензор за определяне позиция на подвижен обект

За контактно определяне позицията на макро- или микро-обект в локална координатна система с висока точност, е необходимо неговото движение да бъде директно предадено без хлабини, приплъзвания и изкълчвания, на съответен чувствителен елемент на МЕМС сензор. Освен това, е необходимо механичната коравина на микроелектромеханичния сензор да бъде такава, че да не влияе на позицията на наблюдавания обект при неговото движение.

Един вариант за изпълнение на настоящото изобретение за сензор за позиция е показан в работно положение на фиг. 2а. Приборът се състои от две масивни недеформируеми макроскопични части - неподвижно тяло 1 и подвижен елемент 1 ’ с дебелина обичайно в диапазона от 200 рш до около 500 рш. Неподвижното тяло 1 е предназначено за неподвижно закрепване към неподвижен обект, а подвижният елемент 1 ’ е предназначен за неподвижно закрепване към подвижния обект, предмет на изследване. Тези две недеформируеми части са свързани чрез еластичен предавателен механизъм 5, състоящ се от вериги от гъвкави елементи, поне един от които е с различна ориентация спрямо предходния във веригата, разположени в равнината на горната повърхност на тялото 1. Всички елементи на еластичния предавателен механизъм 5, неподвижното тяло 1 и подвижният елемент 1 ’ са изработени от еднаединствена монолитна подложка. Еластичният предавателен механизъм 5 е с дебелина в диапазона от 10 рш до около 50 рш. Този механизъм задължително включва поне една измервателна микроконзола 2 със симетрично разположени в неподвижния й край пиезорезистори 4 и 4’, получени чрез локално легиране. Приборите се произвеждат обичайно от монокристални силициеви подложки и, за да има всяка структура максимално висока чувствителност, е необходимо елементите й да са ориентирани в подходящо кристалографско направление на подложката. Елементи на структурата с еднакви геометрични размери, когато са ориентирани в еквивалентни кристалографски направления, притежават еднакви свойства.

За изработване на сензорите от настоящото изобретение могат да бъдат използвани освен силициеви, също така и германиеви подложки, или подложки от друг подходящ материал, известен за целта на специалистите в областта.

Освен микроконзолата, в еластичния предавателен механизъм 5 по желание присъства още поне един междинен елемент 6 с предварително зададена коравина, който е свързан посредством еластични стави 7 и 7’ с останалите елементи в еластичния предавателен механизъм 5. Еластичният предавателен механизъм 5 включва и допълнителен предавателен елемент 8, който предава позицията на подвижния

Описания на издадени патенти за изобретения № 01.2/31.01.2019 елемент 1 ’ чрез непосредствено въздействие върху останалите елементи. Поне един от споменатите еластични елементи се отличава по ориентация от предишния във веригата и всички са способни да се огъват по двете оси на измерване X и Y.

Всяка от споменатите масивни части - тялото 1 и подвижният елемент 1 е с такива геометрични размери, че да е удобно да се работи с обичайни за областта инструменти, известни за специалистите, както и да е удобно закрепването й към подвижния или неподвижния обект. Например, масивните части са с размери от около 0.5 mm до над 4-5 mm.

Огъването на микроконзолата 2 води до промяна с еднаква амплитуда и противоположен знак на стойностите на съпротивленията на сензорните елементи - пиезорезисторите 4 и 4’, които са симетрично разположени в страничните стени на стеснения участък 3. Сензорните сигнали се извеждат от неподвижното тяло 1 чрез обичайни за областта свързващи електрически елементи, непоказани на фигурата.

За да е удобно използването на сензора съгласно настоящото изобретение по време на транспорт и при монтирането му за измерване, той е снабден с допълнителни укрепващи елементи 9 и 9’, както е показано на фиг. 26. Така например, в транспортно положение укрепващите елементи 9 и 9’ дават възможност със сензора за позиция да се работи с инструменти, обичайни в областта, като: пинсети с фини краища и/или специализирани захващащи приспособления за ръчно или автоматично монтиране и извършване на други подобни операции. Пример за конструкция с укрепващи елементи е монолитна рамка с дебелината на подложката, от която е направен микроелектромеханичният прибор съгласно изобретението. В тази рамка предварително са обособени елементите 9 и 9’, както е показано на фиг. 26 с пунктирани линии, които служат само за точно и неподвижно фиксиране и укрепване на подвижния елемент 1 ’ към неподвижното тяло 1 тяло по време на транспорт и поставяне на мястото за измерване. След закрепване на неподвижното тяло 1 и подвижния елемент 1 ’ към съответните измервани обекти, които в този момент трябва да са в статично състояние, и след свързване на неподвижното тяло електрически към външни захранващи и/или измерващи блокове, връзките на укрепващите елементи 9 и 9’ се разрушават, а елементите се отстраняват, и така се получава начално работно положение на МЕМС сензор с еластичен предавателен механизъм 5, което е показано на фиг. 2а.

В споменатите две положения - транспортно и работно, механичните напрежения в елементите на еластичния предавателен механизъм 5 на микроелектромеханичния сензор са с еднакви стойности. При това, нивото на съответния генериран сензорен сигнал се приема за нула. При работа, каквато и да е промяна на позицията на подвижния елемент 1 ’ на микроелектромеханичния сензор в произволно направление, води до появата на допълнително механично напрежение в елементите на еластичния предавателен механизъм 5 и съответно, до появата на сензорен сигнал със стойност различна от нула, който се регистрира от външен измерителен блок. Затова, началното работно положение е единствено и се характеризира със стойност на сензорния сигнал, равна на стойността му в транспортно положение.

Позицията на подвижния обект се определя от позицията на точка, която го характеризира най-добре в конкретното приложение, като напр. връх на сондов елемент. За начало на локалната координатна система се избира положението на споменатата точка в начално работно положение.

Ориентацията на осите на локалната координатна система се определя от конструкцията и анизотропията на свойствата на микроелектромеханичния сензор. Така напр., при използването на силициеви микроелектромеханични сензори, получени от стандартни монокристални подложки с п-тип проводимост и ориентация (100), е удобно направлението Z да е ортогонално на горната повърхност, направлението X да съвпадне с кристалографското направление <-110>, а направлението Y да съвпадне с кристалографското направление <110>. Когато получените р-тип пиезорезистори са ориентирани по направленията X и Y, те имат максимална чувствителност. Тази, зависима от ориентацията по кристалографските направления чувствителност, в комбинация с анизотропните свойства на материала на подложката при обработките, използвани за производството и симетрията на конструкцията на микроелектромеханичния сензор, определят неговата обща селективна чувствителност към позицията в избрано направление.

При това, пространствената позиция в начално работно положение на неподвижното тяло 1 на микроелектромеханичния сензор, спрямо началото на координатната система е известна от геомет

Описания на издадени патенти за изобретения № 01.2/31.01.2019 рията на прибора. Ето защо при работа, позицията на подвижния обект е еквивалентна на промяната на позицията на подвижния елемент 1 ’ спрямо неподвижното тяло 1 на микроелектромеханичния сензор, коригирана с постоянна величина, известна от геометрията на прибора.

Така описаният сензор се използва за определяне на позиция на подвижен спрямо неподвижен обект, чрез последователност от процедури. Най-напред в транспортно положение, неподвижното тяло 1 на сензора се поставя в контакт и закрепва неподвижно към неподвижния обект. След това, подвижният елемент 1 ’ се поставя в контакт и закрепва неподвижно към подвижен обект, позицията на който ще бъде измервана. След свързване с външен измерителен блок, се измерват стойностите на сензорните сигнали ε. Тези сензорни сигнали в транспортно положение съответстват на позиция на подвижното тяло в началото на координатната система и се приемат за нули. После, чрез отстраняване на укрепващите елементи 9 и 9’, се преминава от транспортно положение в начално работно положение. При описания начин на закрепване на микроелектромеханичния сензор, движението на подвижния обект се предава без изменение на подвижния елемент 1’. Той от своя страна въздейства чрез еластичен предавателен механизъм 5 на неподвижното тяло 1 без хлабини, приплъзване и изкълчване. Поради споменатото въздействие, в елементите на еластичния механизъм 5 възникват механични напрежения, които водят до техните относителни деформации и сензорните елементи 4 и 4’ генерират сензорни сигнали. Тези сензорни сигнали характеризират еднозначно позицията на подвижния обект спрямо неподвижния и следователно, спрямо началото на координатната система.

Тъй като сензорът се изработва от една-единствена хомогенна монолитна подложка без вътрешни напрежения, е възможно в транспортно и начално работно положение в еластичния предавателен механизъм 5 да отсъстват механични напрежения. В такъв случай, сигналите от прибора могат да се използват директно, без допълнително коригиране.

На специалистите в областта е известно, че при производството на микроелектромеханични прибори се използват разнообразни слоеве с различни характеристики, получени при различни температури. В резултат, обичайно се получават прибори с ненулеви стойности на механичните напрежения в транспортно положение. Когато в транспортно положение съществуват некомпенсирани механични напрежения и/или поради начина на изграждане на електрическите връзки, в това положение се генерират сензорни сигнали, стойностите на сензорните сигнали при работа се коригират със стойностите им в транспортно положение, чрез съответна математическа операция.

В показания на фиг. 2а прибор, измервателната микроконзола 2 се огъва в направление X, като при това, механичният отклик на еластичната структура 5 е по-силен към позицията на подвижния елемент 1 ’ в направлението X и е по-слаб към позицията на същия елемент в направленията Υ и Ζ.

В следващите варианти на изобретението, разкрити тук по-долу, са използвани същите материали и подходи, като описаните дотук.

На фиг. Зае показан друг вариант на контактен МЕМС сензор съгласно изобретението, предназначен за измерване на позицията на подвижен обект, промяната на която има амплитуда, по-голяма от граничната стойност на огъване на микроконзолата 2. За тази цел, видът на конструкцията на еластичния предавателен механизъм 5 е редукционен - механизмът 5 преобразува споменатата промяна на позицията в огъване на микроконзолата 2, което е по-малко от граничното. Механизмът 5 съдържа две симетрично разположени вериги от еластични микроелектромеханични елементи, включващи две измервателни микроконзоли 2 и 2 ’ и две пружинни системи 10 и 10 ’. Всяка пружинна система представлява две последователно свързани пружини, всеки елемент от които е с различна ориентация спрямо предходния във веригата, като към точката на свързване на пружините е присъединен и подвижния край на съответната микроконзола 2 или 2’. Сензорните сигнали се измерват от външен измерителен блок след осъществяване на галванична връзка към контактните площадки 12, оформени на горната повърхност на неподвижното тяло.

В транспортно положение приборът включва монолитна рамка, направена от материала на хомогенната подложка и с нейната дебелина, в която рамка чрез фотолитографски дефинирано структуриране са оформени предварително два симетрично разположени участъка 11 и 11 ’ с намалена механична здравина. Пружинните системи 10 и 10’, и измервателните микроконзоли 2 и 2’ са с дебелина, която

Описания на издадени патенти за изобретения № 01.2/31.01.2019 е значително, напр. около десет или повече пъти по-малка от дебелината на рамката. След поставяне в директен контакт, неподвижно свързване към съответните обекти и осъществяване на галванична връзка към измервателния блок, при механично натоварване на опън, натиск, огъване или усукване рамката се разрушава в отслабените участъци 11 и 11’, като така се разделя на две отделни части, съответно, на неподвижно тяло 1 и подвижен елемент 1 ’. С това приборът преминава от транспортно в начално работно положение и е готов за работа. В работно положение, неподвижното тяло 1 и подвижният елемент 1 ’ са свързани само посредством еластичния предавателен механизъм 5, състоящ се от пружинните системи 10 и 10’ и от измервателните микроконзоли 2 и 2’. Еластичните коефициенти на микроконзолите и пружините определят предавателното отношение на предавателния механизъм. Това предавателно отношение определя чувствителността на микроелектромеханичния сензор. Пиезорезисторите, разположени в двете микроконзоли 2 и 2’ са свързани така, че при отклонение на подвижния елемент по оста Y, генерираните електрически напрежителни сигнали се усилват. При същото свързване, при отклонение на подвижния елемент по оста X, генерираните сигнали се компенсират. По аналогичен начин, при отклонение на подвижния елемент по оста Z, генерираните сигнали във всеки от двата напрежителни делители се компенсират. Това означава, че чрез избраната комбинация от вид на конструкцията на еластичния редукционен механизъм 5 и специфично свързване на разположените в механизма пиезорезистори 4, се постига желана селективна чувствителност на сензорния сигнал към позицията на подвижния елемент 1 ’ в предварително известно направление.

Микроелектромеханичният сензор от изобретението, показан на фиг. За, може да бъде направен с различни параметри в съответствие с изискванията за конкретното му приложение, като напр. работен ход и чувствителност. Това е възможно посредством съгласувано изменение на параметрите на отделните негови елементи, като: размери на микроконзолата, предавателно отношение на пружинните системи, изменение мястото на свързване и връзката на подвижния край на микроконзолите 2 и 2’ към средните точки на пружинните системи. Допълнително, за специалистите в областта ще бъде ясно, че може да се измени конструкцията и формата на еластичните елементи, така че да се хомогенизира разпределението на механичните напрежения, като при това се постига максимална стойност в областите, където са разположени пиезорезисторите 4 и 4’. Всички такива изменения са в обхвата на настоящото изобретение.

Приборът, показан в транспортно положение на фиг. За, след разрушаване на връзките, работи в една посока - само на опън. За да работи този прибор в двете посоки, е необходимо по контролиран начин да се отстранят и двата укрепващи елемента 9 и 9’ на тялото 1, показани на фиг. 36. За целта се изисква предварително формиране на поне два участъка lie намалена механична здравина за всеки един от елементите 9 и 9’. След споменатото отстраняване на укрепващите елементи 9 и 9’ от неподвижното тяло 1, механизмът, показан на фиг. Зв, работи в двете посоки.

На фиг. Зг е показан един предпочитан вариант на изпълнение на конструкция на МЕМС сензор от изобретението, за контролирано преминаване от транспортно в начално работно положение, чрез използване на участък с локално намалена механична здравина. В този вариант са използвани допълнителни елементи, които концентрират външно въздействие. За целта предварително е формирана, например посредством фотолитографско структуриране, поне една област lie намалено напречно сечение. При прилагане на външно механично въздействие на опън, натиск, огъване или усукване, възникналите механични напрежения са с най-голяма стойност в областта lie намалено напречно сечение. Именно там те достигат критичната стойност за разрушаване на материала и монолитната структура се разделя контролируемо на две предварително определени части.

Друг особено предпочитан вариант на конструкция от изобретението за контролирано преминаване от транспортно в начално работно положение, е показан на фиг. Зг. При него, за локализирано безконтактно въздействие се използват допълнителни електрически проводящи пътечки 13 с еднаква дебелина и променлива ширина. Тези проводящи пътечки са свързани чрез отделни контактни площадки 12, оформени на горната повърхност на неподвижното тяло, към външен токозахранващ блок. Ширината на споменатите пътечки 13 варира така, че стеснените им участъци са разположени в област с намалена механична здравина 11. При подаване на електрическо напрежение, плътността на протичащия през проводящите пътечки 13 електрически ток е многократно (напр., поне десетократно) по-голяма в

Описания на издадени патенти за изобретения № 01.2/31.01.2019 стеснените участъци, в сравнение с плътността в широките участъци, а локални плътности на отделената топлина се отличават в съответните пъти на квадрат. Ето защо при подаване на къс токов импулс I отделената топлина в стеснения участък на проводящата пътечка 13 предизвиква кратковременни механични напрежения, които въздействат само в областта lie намалена механична здравина и я разрушават. Така алтернативно и безконтактно, без да се прилага външно механично въздействие, се разрушават връзките на укрепващите елементи 9 в споменатите области 11.

Отстраняването на укрепващите елементи 9 и 9’ може да стане и чрез комбинация от описаните по-горе начини за контролируемо преминаване от транспортно в начално работно положение.

Други варианти на изобретението са показани на фиг. 4а и фиг. 46, в които еластичните предавателни механизми 5 притежават симетрични конструкции спрямо оста Y и позволяват отклик в двете посоки на избраното направление - на опън и натиск без изкълчване.

Подвижният елемент 1 ’ от фиг. 4а е свързан с тялото 1 посредством еластичен предавателен механизъм 5, съдържащ две симетрично разположени спрямо оста Y вериги от елементи, всеки от които е с различна ориентация спрямо предходния във веригата. Всяка верига задължително включва поне една измервателна микроконзола, съответно 2 или 2’, които са ориентирани по оста Y. В страничните стени на неподвижния край на всяка измервателна микроконзола 2 и 2’ има по два пиезорезистора, съответно двойките 4_l - 4 ’ и 4_R - 4 ’, които два-по-два са свързани в напрежителни делители.

При движение по оста X на подвижния елемент 1’, подвижните краища на двете измервателни микроконзоли 2 и 2’ се отклоняват едновременно и еднакво в една и съща посока спрямо изходното положение. Докато при движение по оста Y на подвижния елемент 1’, подвижните краища на двете измервателни микроконзоли 2 и 2’ се отклоняват едновременно, с еднакви амплитуди в противоположни посоки спрямо изходното положение.

Показаният на фиг. 4а еластичен механизъм 5 е с малка коравина, като движението на подвижния елемент 1’ се предава от верига от последователно свързани елементи 8, 14, 7 и 6 на измервателната микроконзола 2. За да бъде постигната максимална стойност на сензорния сигнал, е необходимо при достигане границите на работния диапазон (ход) на сензора, амплитудата на отклонение на измервателната конзола 2 да бъде близка до максималната допустима стойност. Това може да бъде постигнато чрез избор на ориентацията и размерите на еластичните елементи, по-специално на стойностите на параметрите 1 1₂,1₃, w w₂ и w , както са показани на фиг. 4а. В частност, с подходящ избор на стойностите на споменатите параметри, може да се реализира еластичен механизъм с редуциран или усилен отклик на промяната на позицията на подвижния елемент 1’. Така се постига максимална амплитуда на сензорния сигнал от всеки от двата напрежителни делителя с пиезорезистори 4_L - 4 ’ и 4_R - 4 ’, за желания работен диапазон.

По аналогичен начин работи еластичният механизъм 5 с по-голяма коравина, показан на фиг. 46. Движението на подвижния елемент 1’ се предава от верига от последователно свързани елементи 8, 7 и 6 на измервателните микроконзоли 2 и 2’. За да бъде постигната максимална стойност на изходния сигнал, е необходимо отклонението на измервателната конзола да бъде с максимална допустима амплитуда при достигане гранични стойности в зададения диапазон. Това може да бъде постигнато чрез подходящ избор на размерите на конструкцията на предавателния механизъм, по-специално на параметрите 1 1₂ и w_p както са показани на фиг. 46. В частност, с подходящ избор на споменатите стойности на параметрите, може да се реализира редуциран или усилен отклик на еластичния механизъм към промяна на позиция на подвижния елемент 1 ’, така че сензорният сигнал от всеки от двата напрежителни делителя да е с максимална стойност.

Наличието в приборите, показани на фиг. За, 4а и 46 на еластичен предавателен механизъм 5 с елементи, ориентирани в двете взаимно-ортогонални направления X и Y, води до механичен отклик на позицията на подвижния елемент 1 ’ в тези направления. От друга страна, резултатната чувствителност на микроелектромеханичния сензор зависи от симетрията на еластичните връзки - при напълно симетричен спрямо направлението Y еластичен механизъм 5, електрическият сигнал от промяна на позицията в споменатото (Y) или в напречното (X) направление е нула. На практика, поради влиянието на фактори със случайно поведение, реалната структура е с непълна симетрия.

Описания на издадени патенти за изобретения № 01.2/31.01.2019

Освен това, всяка от показаните на фиг. 4а и фиг. 46 структури има пиезорезистори, свързани в по два напрежителни делителя, които могат да бъдат свързани електрически в мостова схема по два нееквивалентни начина, както е пояснено на фиг. 4в и фиг. 4г. Всеки от двата алтернативни начина на свързване на пиезорезисторите определя чувствителността на микроелектромеханичния сензор към позицията в направленията X или Y. В едно свързване в пълен измерителен мост на двата напрежителни делителя при изпълнение на настоящото изобретение, показано на фиг. 4в, при един и същ механичен отклик, се постига много голямо намаляване на чувствителността на микроелектромеханичния сензор към позицията на подвижния елемент 1 ’ по оста X, за сметка на двукратното усилване на сензорния сигнал при движение по оста Y. Така полученият МЕМС сензор е селективно чувствителен към позицията по оста Y. При алтернативното свързване на двата напрежителни делителя от настоящото изобретение, показано на фиг. 4г, при същия механичен отклик се постига много голямо намаление на сензорния сигнал към позицията на подвижния елемент по оста Y за сметка на двукратното усилване на сензорния сигнал при движение по оста X, т.е., сензорът става чувствителен към премествания по оста X.

Така, в най-предпочитаното изпълнение на настоящото изобретение, когато е постигната максимално близка до идеалната симетрия на еластичния предавателен механизъм 5, показан на фиг. 4а, пиезорезисторите на микроелектромеханичния сензор могат да бъдат свързани електрически така, че по желание да бъде зададена селективна чувствителност на сензора към преместването или по оста X, или по оста Y, използвайки един и същ еластичен механизъм 5.

Микроелектромеханичните сензори, показани на фиг. 4а и фиг. 46 се произвеждат обичайно от монокристални силициеви подложки, и с напр. п-тип на проводимост. Чрез прецизно настроени обработки в тях се получават ориентирани по кристалографските оси еластични елементи, в които едновременно се създават близко разположени, напр. р-тип пиезорезистори. Когато са с еднакви размери и ориентация по кристалографските оси, четирите пиезорезистори имат еднакви параметри. Така е възможно постигане на много висока степен на компенсация на влиянието на позицията в желани направления върху сензорния сигнал. Това означава, че чрез комбинацията от податлив еластичен механизъм 5 и специфично свързване на разположените в механизма пиезорезистори 4, се постига желана селективна чувствителност на сензорния сигнал към позицията на подвижния елемент 1 ’ в предварително известно направление.

По аналогичен начин се реализират конструкции на контактни микроелектромеханични сензори, които са чувствителни към позицията на обект, движещ се в произволна посока в локалната координатна система. Всяко движение в произволна посока е еквивалентно на векторната сума на движенията по трите направления. За определяне на позицията на подвижния обект, единственият недеформируем подвижен елемент 1 ’ е свързан с неподвижното тяло 1 посредством няколко еластични предавателни механизми 5, а в избрани елементи на споменатите механизми е разположено множество от сензорни елементи 4. Тези сензорни елементи са свързани електрически така, че съответните сигнали да са чувствителни към позицията на единственото подвижно тяло 1 ’ в едно, две или три направления на локалната координатна система, съответно, X, Y или Z.

В едно изпълнение на това изобретение, когато позицията на подвижния обект се променя в двете направления X и Y на локалната координатна система, но е с постоянна позиция по Z, е удобно да се използва контактен МЕМС сензор, на който подвижният елемент 1 ’ с правоъгълна форма е свързан с неподвижното тяло 1 с правоъгълна форма чрез два еластични предавателни механизма 5 и 5₂ с идентични механични конструкции и еднаква ориентация по направлението Y, както е схематично показано на фиг. 5 а. Пиезорезисторите, непоказани на фигурата, разположени във всеки от еластичните предавателни механизми 5 и 5 генерират два сензорни сигнала. Тези пиезорезистори са свързани по двата алтернативни начина, показани на фиг. 4а и фиг. 46. Съответно, сензорният сигнал от пиезорезисторите в еластичния предавателен механизъм 5 ₁ е селективно чувствителен към позицията на подвижното тяло по направлението X, а сензорният сигнал от пиезорезисторите в еластичния предавателен механизъм и 5₂ е селективно чувствителен към позицията по направлението Y. Видът отгоре на един вариант на такъв сензор е показан на фиг. 56.

В друго изпълнение на това изобретение за контактен МЕМС сензор, който е чувствителен към

Описания на издадени патенти за изобретения № 01.2/31.01.2019 позицията на единствения подвижен елемент 1’ по две направления, показано на фиг. 5в, неподвижното тяло 1 е с L-образна форма, като двата еластични предавателни механизма 5 и 5₂ са с идентични механични конструкции и взаимно-ортогонална ориентация. Така, от пиезорезисторите, разположени в тези два предавателни механизми се получават два селективно чувствителни сензорни сигнали, по един за всяко от направленията X и Y.

В следващо изпълнение на контактния МЕМС сензор от изобретението, който е чувствителен към позицията на подвижен обект по две направления, показано на фиг. 5г, неподвижното тяло 1 е с U-образна форма, като се използват три симетрични еластични предавателни механизми 5 5₂ и 5 които са с идентични механични конструкции - два ориентирани в двете посоки на направлението X, а третият по направлението Y. В това изпълнение на изобретението, когато има три еластични механизми за измерване в две направления, има два предпочитани варианта на електрическо свързване на сензорните елементи.

В първия вариант на електрическо свързване, сензорният сигнал от пиезорезисторите в еластичния механизъм 5 е селективно чувствителен към позицията в направлението X, а сигналът от пиезорезисторите в еластичния механизъм 5₂ е селективно чувствителен към позицията в направлението Y, като механизмът 5₃ не се използва за определяне на позиция. Този допълнителен механизъм служи само за симетризиране на механичния отклик на прибора по оста X, когато е необходима пределна точност на измерване.

Във втория вариант на електрическо свързване, пиезорезисторите в еластичните механизми 5 и 5₂ са свързани по същия начин, като предшестващия вариант, а пиезорезисторите на механизма 5₃ са свързани така, че да са инверсно чувствителни на тези от механизма 5 към преместването по оста X. При това свързване, чрез допълнително аналогово или цифрово обработване на двата селективно чувствителни по оста X сигнали, получени от пиезорезисторите в двата еластични механизми 5 и 5 се постига много висока компенсация на резултатния сигнал към позицията на подвижния елемент 1 ’ в направлението Y.

В друго изпълнение на изобретението за контактен МЕМС сензор, показано на фиг. 5д, с чувствителност към позицията на подвижния обект по две направления, неподвижното тяло 1 е с О-образна форма (затворена рамка), като четирите еластични предавателни механизми 5 и 5₂ са с идентични механични конструкции и огледално симетрично разположение спрямо направленията X и Y. За всяко от направленията съответните пиезорезистори в еластичните механизми 5. генерират по два селективно чувствителни сензорни сигнали за едно и също направление, като чрез тяхното допълнително аналогово или цифрово обработване се постига максимално висока компенсация на сензорния сигнал за дадено направление към промяна на позицията на подвижното тяло 1 ’ в напречното направление.

В още едно друго изпълнение на това изобретение, когато позицията на подвижния обект се променя в трите направления X, Y и Z на локалната координатна система, за определяне на позиция се използва контактен МЕМС сензор, на който единственият подвижен елемент 1 ’ е свързан с неподвижното тяло 1 с три еластични предавателни механизми 5 5₂ и 5₃ с идентични механични конструкции и еднаква ориентация по направлението Y, както е показано схематично на фиг. 6а. Вградените сензорни елементи пиезорезистори в двата еластични механизми 5 и 5 са свързани по двата алтернативни начина, показани на фиг. 4а и фиг. 46. Съответно, сигналът от пиезорезисторите в еластичния предавателен механизъм 5 е селективно чувствителен към позицията на подвижното тяло по направлението X, а сигналът от пиезорезисторите в еластичния предавателен механизъм 5₂ е селективно чувствителен към позицията по направлението Y. Третият еластичен предавателен механизъм 5₃ е податлив към позицията на подвижния елемент 1 ’ в направление Z, като за целта той е снабден с класически планарни пиезорезистори 4 С такъв тип пиезорезистори измерителен мост се реализира от два чувствителни резистора 4 разположени на еластичен елемент - микроконзолата 2, и два пасивни резистори 4 разположени на недеформируемото неподвижно тяло 1.

В друго изпълнение на това изобретение за контактен МЕМС сензор, който е чувствителен към позицията на подвижния обект по три направления, показано на фиг. 66, неподвижното тяло 1 е с L-образна форма. Двата еластични предавателни механизма 5 ₍ и са с идентични механични конструкции,

Описания на издадени патенти за изобретения № 01.2/31.01.2019 взаимно-ортогонална ориентация и са податливи към позицията на подвижния елемент съответно по направленията X и Y. Пиезорезисторите им са свързани така, че двата сензорни сигнали са с еднаква селективна чувствителност, но по различни направления. Третият еластичен предавателен механизъм 5 който е податлив към позицията на подвижното тяло 1 ’ в направление Z, е с такава конструкция, че има групи от еластични елементи, еквивалентно разположени в двете направления X и Y, а сензорният сигнал се получава от класически планарни пиезорезистори - два пиезорезистора 4 разположени на еластични елементи, и два пасивни резистора 4 разположени на неподвижното тяло 1.

В още едно изпълнение на това изобретение за сензор, който е чувствителен към позицията на подвижния обект по три направления, показано на фиг. 6в, неподвижното тяло 1 е с О-образна форма (затворена рамка), като четирите еластични предавателни механизми 5 j и 5₂ са с идентични механични конструкции и огледално симетрично разположение по двете взаимно-ортогонални направления X и Y. В това изпълнение на изобретението, когато има четири еластични механизми с разположени в тях пиезорезистори за измерване в три направления, има два варианта на електрическо свързване на сензорните елементи.

В първия вариант на електрическо свързване, сензорният сигнал от пиезорезисторите в еластичния механизъм 5 е селективно чувствителен към позицията в направлението X, сигналът от пиезорезисторите в еластичния механизъм 5₂ е селективно чувствителен към позицията в направлението Y, сигналът от пиезорезисторите в еластичния механизъм 5₃ е селективно чувствителен към позицията в направлението Z, а еластичният механизъм 5₄ не се използва за измерване, а само за симетризиране на механичния отклик на прибора по направлението Y.

Във втория вариант на електрическо свързване, еластичните механизми 5 5₂ и 5₃ са свързани по същия начин, като предшестващия вариант, а механизмът 5₄ е огледално-симетричен на механизма 5₂ и е инверсно чувствителен към преместването по оста Y. При това свързване, чрез допълнително сравняване на двата селективно чувствителни по оста Y сигнали, получени от двата еластични механизми 5₂ и 5 се постига много висока компенсация на сензорния сигнал към позицията на подвижния елемент 1 ’ в направленията X и Z.

В най-предпочитаното изпълнение на това изобретение за сензор, показано на фиг. 6г, неподвижното тяло 1 е с U-образна форма, като се използват три еластични предавателни механизми 5 5₂ и 5₃ - два ориентирани в двете посоки на направлението X, а третият по направлението Y. В това изпълнение сензорният сигнал от пиезорезисторите в еластичния механизъм 5 е чувствителен към позицията в направлението X, а сигналът от пиезорезисторите в еластичния механизъм 5₂ е чувствителен към позицията в направлението Y, като механизмът 5₃ се използва за определяне на позицията в направлението Z чрез разполагане в него на класически планарни пиезорезистори 4_z и пасивни резистори 4 разположени на неподвижното тяло 1.

За специалистите в областта ще бъде очевидно, че лесно могат да бъдат направени сензори и с други форми на неподвижното тяло 1 и подвижния елемент 1 ’, като например Т-образна, Н-образна и други, които всички са в обхвата на настоящото изобретение.

Също така е очевидно, че за всяка желана ос, сензорите могат да бъдат снабдени и с повече от един допълнителен еластичен предавателен механизъм 5 , където i>n, а η е броят на координатите на позицията, които се цели да бъдат определени. По аналогичен начин на описания по-горе в примера за фиг. 6в, тези сигнали се подлагат на допълнителна аналогова или цифрова обработка, заедно със сигналите от основните еластични предавателни механизми 5,1=1,2,3, с което се постига значително повишаване на селективната чувствителност по съответното направление.

Видът отгоре на един възможен вариант на изпълнение на сензор, който е чувствителен към позицията на подвижния обект по три направления, с еластични предавателни механизми 5 5₂ и 5 е показан на фиг. 6д. За реализацията на този вариант на сензора за позиция, се използват три типа резистори: пиезорезистори 4, които са вградени в страничните стени на еластичните механизми, класически планарни пиезорезистори 4_z и пасивни резистори 4 разположени на неподвижното тяло 1.

При изпълнението на всички варианти на изобретението се използват контактни площадки 12, разположени на горната повърхност на неподвижното тяло 1 за свързване към външни токозахранващи,

Описания на издадени патенти за изобретения № 01.2/31.01.2019 измервателни и управляващи блокове.

Метод за определяне на позиция с контактен микроелектромеханичен сензор

Съгласно настоящото изобретение, методът за точно определяне на позиция на подвижен обект, който се характеризира от една специфична точка, с контактен МЕМС сензор от изобретението, се състои в измерване във всяка точка от траекторията на обекта, на три отделни сензорни сигнали. За целта, най-напред в транспортно положение се извършва твърдо закрепване на неподвижното тяло 1 на сензора към неподвижния обект, и на подвижния елемент 1 ’ на сензора към подвижния обект, предмет на изследването. След това се измерват три отделни сензорни сигнали ε_ρ а позицията на споменатата специфична точка се приема за началото на локалната координатна система. После, чрез отстраняване на укрепващите елементи 9 и 9’ сензорът се привежда от транспортно в начално работно положение. Във всяка точка от траекторията на подвижния обект се извършва едновременно измерване на три отделни сензорни сигнали А от подходящо свързаните сензорни елементи, разположени в съответните три еластични предавателни механизми 5_;-5_р5₂и5₃, с който сензорът е снабден. След това, чрез пресмятане от системата от уравнения:

Aj = Fgx^z) + ε!

А₂ = F₂(x,y,z) + ε₂

А₃ = F₃(x,y,z) + ε₃, (1) в която функциите F са известни от калибрирането на сензора, от стойностите А на съответните сигнали, се определят трите координати на позицията на избраната точка от обекта.

Когато се работи със сензор, притежаващ повече от три еластични предавателни механизми, както е показано например, на фиг. 6в - 5 5 5₃ и 5 и за определянето на трите координати на дадена позиция са измерени повече от три сензорни сигнали от съответните сензорни елементи, се извършват предварителни математически операции за намаляване броя на уравнения в системата от уравнения (1) до достатъчните три, при което се модифицира вида на съответните функции F (x,y,z). Пример за такива математически операции е намирането на средно-аритметична стойност, или друга такава операция.

Методът от настоящото изобретение е приложим, когато уравненията в системата от уравнения са независими. За тази цел е достатъчно всеки от сензорните сигнали А да притежава селективна чувствителност към позицията на подвижния елемент 1 ’ по някоя от трите оси, която е различна от селективната чувствителност на останалите сигнали по същата ос. При това, за прилагането на метода не се изискват конкретни стойности на специфичните селективни чувствителности. Обаче, когато е налице висока степен на селективна чувствителност, се постига намаляване на грешката при определяне на позицията на подвижния обект, вследствие от неопределеностите при измерването на сензорните сигнали А. Затова, за постигане на максимална точност при определяне на позицията, споменатата висока селективна чувствителност е желателна и се реализира от конструкцията на микроелектромеханичния сензор и начина на свързване на сензорните елементи.

За малки изменения на сензорните сигнали ΔΑ системата от уравнения (1) се преобразува в:

AAj = dF^x.y.zJ/dx . Δχ + dF^x.y.zJ/dy . Ay + dF^x.y.zJ/dz . Az

AA₂ = dF₂(x,y,z)/dx . Ax + dF₂(x,y,z)/dy . Ay + dF₂(x,y,z)/dz . Az

AA₃ = dF₃(x,y,z)/dx . Δχ + dF₃(x,y,z)/dy . Ay + dF₃(x,y,z)/dz . Az (2) като при това, производните dF_;(x,y,z)/dx, dF_;(x,y,z)/dy и dF_;(x,y,z)/dz представляват съответните чувствителности на сензорните сигнали А, към промяна на позицията на подвижния обект по осите X, Y и Z, която се предава на подвижното тяло 1’ без изменение. При известни три измерени стойности на изменението на амплитудите на сензорните сигнали ΔΑ АА₂ и АА₃, компоненти на позицията: х, у и z спрямо избрана начална точка на координатната система, се пресмятат от системата уравнения (2). Конкретният вид на решението на горната система зависи от вида на функциите F. Когато функциите F са монотонни, за определяне на абсолютната позиция на подвижния обект са достатъчни трите сензорни сигнали А, получени от сензорните елементи, разположени в отделни еластични предавателни механизми 5. на микроелектромеханичния сензор.

При използване на пиезорезистори, системата уравнения (1) се свежда до система линейни урав

Описания на издадени патенти за изобретения № 01.2/31.01.2019 нения от вида:

^Α1 ^{= α}ΐ1·^Χ+αΐ2·Υ ^{+ α}ΐ3·^{Ζ + ε}ΐ А₂ = а₂₁. х + а₂₂. у + а₂₃. ζ + ε₂ А₃ = α₃ι. х + а₃₂. у + а₃₃. ζ + ε₃. (3) където коефициентите а.. са съответните чувствителности, които са предварително известни от калибрирането, а ε са стойностите на всеки от сензорните сигнали в транспортно положение.

Стойностите на коефициентите от се задават от конструкцията на еластичните връзки на триосовия контактен МЕМС сензор за позиция. Така например, за сензор с конструкцията, показана на фиг. 66, направен от силиций с кубична симетрия на кристалната решетка, в който са използвани както разположени в страничните стени и ориентирани строго в еквивалентните направления [110] сензорни елементи за осигуряване на чувствителност в равнината на горната повърхност на неподвижното тяло 1, така и планарни пиезорезистивни сензорни елементи 4_ζ и 4 ’ за осигуряване на чувствителност по направлението Ζ, са в сила следните зависимости за коефициентите от:

“11 ⁼ «22 ⁼ «’ «12 ⁼ «21 ⁼ 3’ «13 = «23 = «31 = «32 = Υ «33 = δ,(4) като α, β, γ и δ са безразмерни величини, характеризиращи конструкцията на еластичните предавателни механизми и технологията за тяхното получаване. При това, за стойностите на коефициентите α и δ е в сила отношението α = (2-10). δ,(5) като конкретната стойност зависи от технологията за формиране на двата типа пиезорезистори.

Съответно, системата уравнения (3) има решение при условие, че:

(α²-β²). δ # 2γ . (α-β)(6) откъдето следват условията:

α # β, δ # 0 или γ 0 и α+β ψ 2 γ/δ(7)

Между коефициентите α, β, γ и δ са в сила отношенията:

α » β, β > 1, δ » γ(8) поради което условията (7) са изпълнени винаги при използването на контактни силициеви микроелектромеханични сензори с описаната конструкция и пиезорезистивни сензорни елементи. Така се гарантира съществуването на решение на системата уравнения (3), без да се налагат специфични изисквания към чувствителността на сензорните сигнали към позицията на подвижното тяло по някоя от осите на локалната координатна система.

Ето защо, за точното определяне на позицията на характерна точка от подвижен обект със силициев контактен МЕМС сензор с пиезорезистивна детекция съгласно метода от настоящото изобретение, във всяка точка от неговата траектория, е достатъчно измерването на три сензорни сигнали. При изпълнението на този метод, точността на определяне на позицията на подвижното тяло се задава от неопределеностите при измерване на сензорните сигнали А и от калибрирането на сензора.

Така, неочаквано и непланирано се оказа, че за определяне с голяма точност на позиция на подвижен обект, който се премества транслационно в пространството, когато се използва контактен МЕМС сензор от настоящото изобретение, е достатъчно да бъдат измерени не трите координати, а да се измерят едновременно три сензорни сигнали А. Определянето на координатите на подвижния обект по метода от настоящото изобретение не ограничава точността на резултата, като не се поставят никакви допълнителни изисквания за селективна чувствителност на сензорните сигнали, освен те да са различими. Затова, методът гарантира пределна точност. Този подход за определяне на позиция е валиден и когато преместването на обекта е в равнина (двуосово) или линейно (едноосово), независимо от метода на отнемане на степените на свобода. Точността на определянето на позиция се ограничава само от точността на калибриране на сензора и неопределеността при измерване на сензорните сигнали А.

Друго неочаквано предимство на изобретението е, че за извършване на измерването на позиция

Описания на издадени патенти за изобретения № 01.2/31.01.2019 съгласно настоящото изобретение, не са необходими допълнителни външни направляващи елементи. Това позволява разработването на нови, икономически ефективни подходи за прилагане на сензорите от настоящото изобретение, запазващи високата точност и прецизност на определяне на позиция без използване на допълнителни, обичайно - специфични и скъпи, технически средства, например при производството на прецизни силомери, везни, акселерометри, термометри, влагомери и др.

Когато функциите F са монотонни, не е необходима информация за предишно положение на тялото или допълнително измерване, и така сензорите се използват като абсолютни сензори за позиция. В частност, това условие се изпълнява от пиезорезисторите, когато са използвани като сензорни елементи. Допълнително е известно, че напрежителният сигнал от пизорезисторите, когато са вградени в страничните стени на еластичните предавателни механизми и са свързани в напрежителни делители, притежава много ниска температурна зависимост и се постигат високи стойности на съотношението сигнал-шум.

Калибрирането на сензорите от настоящото изобретение се извършва от производителя чрез осигурени апарати за извършване на тази операция и съответна методика. Ето защо, използването на сензорите от крайните потребители е значително улеснено.

При използване на такива калибрирани сензори може да бъде определяна позиция на подвижен обект спрямо неподвижен с точност ppm (10^_6) и дори по-добра.

Claims (10)

1. Патентни претенции

   1. Контактен микроелектромеханичен МЕМС сензор за определяне на позиция на подвижен спрямо неподвижен обект, който съдържа недеформируемо, неподвижно тяло и разпростираща се от него поне една измервателна микроконзола, отдалеченият край на която е подвижен, а в неподвижния край на микроконзолата е оформен стеснен участък с вградени пиезорезистори, характеризиращ се с това, че сензорът съдържа и един недеформируем подвижен елемент (1’), предназначен за закрепване към измервания подвижен обект, при което подвижният елемент (1 ’) и неподвижното (1) тяло са свързани помежду си посредством поне един еластичен предавателен механизъм (5), включващ измервателната микроконзола (2), към подвижния край на която е присъединена верига от допълнителни гъвкави елементи (6, 7, 8,14 или 10), поне един от които е с различна ориентация спрямо предходния във веригата, като сензорът е монолитно изработен от една подложка и е с плоска горна повърхност, а неподвижното тяло (1) е предназначено за закрепване към неподвижен обект и е снабдено на повърхността си с галванични връзки за извеждане на сензорните сигнали.
2. 2. Контактен МЕМС сензор съгласно претенция 1, характеризиращ се с това, че съдържа допълнителни укрепващи елементи (9 и 9’), снабдени с отслабени участъци (11 и 11’), за осигуряване на транспортно положение на сензора.
3. 3. Контактен МЕМС сензор съгласно претенции 1 и 2, характеризиращ се с това, че неподвижното тяло (1) е с правоъгълна, О-образна, L-образна, Т-образна, Н-образна или U-образна форма, а подвижният елемент (1 ’) е с правоъгълна, L-образна, Т-образна или U-образна форма.
4. 4. Контактен МЕМС сензор съгласно претенции от 1 до 3, характеризиращ се с това, че поне един еластичен предавателен механизъм (5) е с две измервателни микроконзоли (2 и 2’), а електрическата схема на свързване на пиезорезисторите (4) в тях е по избор и определя селективната чувствителност на сензорния сигнал по съответна ос на координатната система.
5. 5. Контактен МЕМС сензор съгласно всяка предходна претенция, характеризиращ се с това, че поне един еластичен предавателен механизъм (5) е редукционен, при което към подвижния край на измервателните микроконзоли (2 и 2’) са присъединени системи от последователно свързани пружини (10 и 10’).
6. 6. Контактен МЕМС сензор съгласно претенции от 1 до 4, характеризиращ се с това, че поне един еластичен предавателен механизъм (5) е усилвателен, при което към подвижния край измервателните микроконзоли (2) и/или (2’) са присъединени вериги от допълнителни гъвкави елементи (6, 7, 8, 14).
7. 7. Контактен МЕМС сензор съгласно всяка предходна претенция, характеризиращ се с това, че еластичните предавателни механизми (5) са поне два и са със селективна чувствителност съответно

   Описания на издадени патенти за изобретения № 01.2/31.01.2019 по осите X и Y.
8. 8. Контактен МЕМС сензор съгласно всяка предходна претенция, характеризиращ се с това, че еластичните предавателни механизми (5) са поне три и са със селективна чувствителност съответно по осите X, Y и Z.
9. 9. Метод за контактно определяне с голяма точност на позиция на подвижен обект чрез използване на МЕМС сензор съгласно претенции от 1 до 8, при който се избира характерна точка от подвижния обект, характеризиращ се с това, че най-напред в транспортно положение се извършва твърдо закрепване на неподвижното тяло (1) на сензора към неподвижния обект и на подвижния елемент (1 ’) на сензора към подвижния обект, и след свързване към външни захранващи и измервателни блокове, се измерват стойностите на три сензорни сигнали ε от подходящо свързаните пиезорезистори, разположени в три еластични предавателни механизми (5 ), с които сензорът е снабден, а след това, чрез отстраняване на укрепващите елементи (9 и 9’), сензорът се привежда от транспортно в начално работно положение, а позицията на споменатата характерна точка се приема за начало на локалната координатна система, и за определяне на позицията на подвижния обект, във всяка точка от неговата траектория се извършва едновременно измерване на три сензорни сигнали А, генерирани от пиезорезисторите (4) на съответните еластични предавателни механизми (5), посредством които, чрез пресмятане от системата уравнения:

   Aj = Ε^χ,^ζ) + ε!

   А₂ = F₂(x,y,z) + ε₂

   Α₃ = F₃(x,y,z) + ε₃, (1) в която функциите F са известни от калибрирането на сензора, се определят трите координати на позицията на избраната характерна точка от подвижния обект, в момента на извършване на измерванията.
10. 10. Метод съгласно претенция 9, характеризиращ се с това, че за увеличаване на селективната чувствителност на сензорния сигнал по дадено направление при определянето на η на брой координати на позицията на подвижния обект, се използват и сензорни сигнали, генерирани от допълнителни еластични предавателни механизми (5 i>n), които се подлагат на аналогова или цифрова обработка, а броят на независимите уравнения в системата уравнения (1) е равен на броя η на координатите на позицията, които се цели да бъдат определени.