RU2291449C2

RU2291449C2 - Mechanical and thermodynamic values emission meter

Info

Publication number: RU2291449C2
Application number: RU2005109703/28A
Authority: RU
Inventors: Владимир Иванович Шашкин (RU); Владимир Иванович Шашкин; Николай Владимирович Востоков (RU); Николай Владимирович Востоков; Евгений Александрович Вопилкин (RU); Евгений Александрович Вопилкин; Александр Юрьевич Климов (RU); Александр Юрьевич Климов; Владимир Всеволодович Рогов (RU); Владимир Всеволодович Рогов; Сергей Григорьевич Лазарев (RU); Сергей Григорьевич Лазарев
Original assignee: Институт физики микроструктур РАН
Priority date: 2005-04-04
Filing date: 2005-04-04
Publication date: 2007-01-10
Also published as: RU2005109703A

Abstract

FIELD: micro-structure devices including flexible members, namely electrodes movable one relative to other that may be used as meters of acceleration, temperature and pressure values.

SUBSTANCE: meter includes two electrodes arranged in vacuum one opposite to other and mutually spaced by distance d. At least one electrode is movable and it is made in the form of metal plated zone on elastic plate mounted on support. Both electrodes are flat and they have specific dimensions L1, L2 satisfying to relation h≪d<L1≤L2≪R where h - specific value of electrode roughness degree; R - curvature radius of electrode surface.

EFFECT: improved response, enlarged amplitude-frequency range, simplified design of emission meter.

6 cl, 5 dwg

Description

Изобретение относится к микроструктурным устройствам, содержащим гибкие элементы, в частности подвижные относительно друг друга электроды, что позволяет использовать их как датчики механических и термодинамических величин, таких как ускорение, температура, давление.The invention relates to microstructural devices containing flexible elements, in particular electrodes moving relative to each other, which allows them to be used as sensors for mechanical and thermodynamic quantities, such as acceleration, temperature, pressure.

В настоящее время для измерения различных физических величин широко используются высокочувствительные датчики, изготавливаемые с использованием микроструктурной технологии, основанные на регистрации изменения тока при изменении расстояния d между электродами, к которым приложена разность электрических потенциалов U. Пропорциональность изменения расстояния d между электродами измеряемому параметру обеспечивается конструкцией датчика. В качестве характерного масштаба можно указать, что при d~10÷100 мкм основную роль играет емкостной ток, при d~0,1 мкм - ток холодной эмиссии электронов, а при d~1 нм - туннельный ток. Соответственно разработаны три типа датчиков: емкостные, эмиссионные и туннельные.At present, highly sensitive sensors manufactured using microstructural technology are widely used to measure various physical quantities, based on recording the change in current when the distance d between the electrodes changes, to which the difference in electric potentials U is applied. The proportionality of the change in the distance d between the electrodes to the measured parameter is ensured by the sensor design . As a characteristic scale, we can indicate that at d ~ 10–100 μm, the main role is played by the capacitive current, at d ~ 0.1 μm, the current of cold emission of electrons, and at d ~ 1 nm, the tunneling current. Accordingly, three types of sensors have been developed: capacitive, emission and tunnel.

Существует широкий спектр емкостных датчиков механических и термодинамических величин (см., например, патент Германии №10151376 А1, МПК⁷ В 81 В 3/00, публ. 25.04.02; патент Германии №19954022 А1, МПК⁷ В 81 В 3/00, публ. 18.05.00). Одним из наиболее известных разработчиков и производителей подобных датчиков является фирма Analog Devices Inc. (www.analog.com). Одна из ее последних разработок - акселерометр ADXL311 имеет уровень шумов не более 300 mkg/√Гц, амплитудный диапазон ±2 g, где g - ускорение свободного падения, равное 9,8 мс^-2, частотный диапазон в пределах 100 Гц. Стоимость датчика составляет порядка 2,5 доллара США.There is a wide range of capacitive sensors of mechanical and thermodynamic quantities (see, for example, German patent No. 10151376 A1, IPC ⁷ V 81 V 3/00, publ. 04/25/02; German patent No. 199554022 A1, IPC ⁷ V 81 V 3/00 publ. 18.05.00). One of the most famous developers and manufacturers of such sensors is Analog Devices Inc. (www.analog.com). One of its latest developments - the ADXL311 accelerometer has a noise level of not more than 300 mkg / √Hz, the amplitude range is ± 2 g, where g is the gravitational acceleration of 9.8 ms ^-2 , the frequency range is within 100 Hz. The cost of the sensor is about 2.5 US dollars.

При гармонических колебаниях ускорение а, смещение х и частота ω связаны соотношением:In harmonic oscillations, the acceleration a, the displacement x, and the frequency ω are related by the relation:

а=х·ω².a = x · ω ^2.

Из данного соотношения следует, что в заданном частотном диапазоне чувствительность к ускорению будет тем выше, чем меньше измеряемое перемещение х. Отсюда видно, что емкостные датчики обладают самой низкой чувствительностью из перечисленных трех типов датчиков, а предельно высокой чувствительностью должны обладать туннельные датчики.From this ratio it follows that in a given frequency range the sensitivity to acceleration will be the higher, the smaller the measured displacement x. This shows that capacitive sensors have the lowest sensitivity of the three types of sensors listed, and tunnel sensors should have an extremely high sensitivity.

Зависимость туннельного тока от расстояния d между электродами используется для измерения различных физических величин. В последние годы появился ряд работ, использующих этот эффект для создания сверхчувствительных туннельных акселерометров (P.M.Zavracky, B.McClennand, K.Warner, et al. Design and process considerations for a tunneling tip accelerometer. J.Micromech. Microeng., 6, p.352 (1996); C.H.Liu, A.M.Barzilai, J.K.Reynolds, et al. Characterization of high-sensitivity micromachined tunneling accelerometer with micro-g resolution. J. of Microelectromech. System, 7, p.235 (1998); M.A.McCord, A.Dana, R.F.W.Pease. The micromechanical tunneling transistor. J.Micromech. Microeng., 8, p.209 (1998); B.L.Kubena, G.M.Atkinson, W.P.Robinson, F.P.Stratton. A new miniaturized surface micromachined tunneling accelerometer. IEEE Electron Dev. Lett., 17, p.306 (1996); J.H.Daniel, D.F.Moore. A microaccelerometer structure fabricated in silicon-on-insulator using a focused ion beam process. Sensors and Actuators, 73, p.201 (1999); Cheng-Hsien Liu and Thomas W. Kenny. A high-precision, wide-bandwidth micromachined tunneling accelerometer. J. of Microelectromech. System, 10, p.425 (2001); Thomas В.Gabrielson. Mechanical-thermal noise in micromachined acoustic and vibration sensors. IEEE Transactions on Electron transducer. Devices, 40, p.903 (1993); S. Vatannia, J.L.Schiano, G.Gildenblat, D.M.Ginsberg. Resonant tunneling displacement IEEE Transactions on Electron Devices, 45, p.1616 (1998); патент США №5563344, МПК⁶ G 01 P 15/13, публ. 08.10.1996; патент WO 02/10063 A2, МПК⁷ В 81 В 3/00, публ. 07.02.2002). Эти устройства имеют предел обнаружения (чувствительность) до 2·10^-8g/√Гц на частотах менее 1 кГц. Основным фактором, ограничивающим чувствительность туннельных акселерометров, являются шумы фликкерного и термомеханического происхождения (Thomas В.Gabrielson. Mechanical-thermal noise in micromachined acoustic and vibration sensors. IEEE Transactions on Electron Devices, 40, p.903, 1993). Определенный вклад в ограничение чувствительности может вносить и дробовой шум.The dependence of the tunneling current on the distance d between the electrodes is used to measure various physical quantities. In recent years, a number of papers have appeared that use this effect to create ultra-sensitive tunnel accelerometers (PMZavracky, B. McClennand, K. Warner, et al. Design and process considerations for a tunneling tip accelerometer. J. Micromech. Microeng., 6 , p. 352 (1996); CHLiu, AM Barzilai, JK Reynolds, et al. Characterization of high-sensitivity micromachined tunneling accelerometer with micro-g resolution. J. of Microelectromech. System, 7, p. 235 (1998); MAMcCord, A.Dana, RFWPease. The micromechanical tunneling transistor. J. Micromech. Microeng., 8 , p. 209 (1998); BLKubena, GMAtkinson, WPRobinson, FPStratton. A new miniaturized surface micromachined tunneling accelerometer. IEEE Electron Dev. Lett., 17 , p. 306 (1996); JHDaniel, DF Moore. A microaccelerometer structure fabricated in silicon-on-insulator using a focused ion beam process. Sensors and Actuators, 73 , p.201 (1999); C heng-Hsien Liu and Thomas W. Kenny. A high-precision, wide-bandwidth micromachined tunneling accelerometer. J. of Microelectromech. System, 10 , p. 425 (2001); Thomas B. Gabrielson. Mechanical-thermal noise in micromachined acoustic and vibration sensors. IEEE Transactions on Electron transducer. Devices, 40 , p. 903 (1993); S. Vatannia, JLSchiano, G. Gildenblat, DMGinsberg. Resonant tunneling displacement IEEE Transactions on Electron Devices, 45 , p. 1616 (1998); US patent No. 5563344, IPC ⁶ G 01 P 15/13, publ. 10/08/1996; patent WO 02/10063 A2, IPC ⁷ V 81 V 3/00, publ. 02/07/2002). These devices have a detection limit (sensitivity) of up to 2 · 10 ^-8 g / √Hz at frequencies less than 1 kHz. The main factor limiting the sensitivity of tunnel accelerometers is noise of flicker and thermomechanical origin (Thomas B. Gabrielson. Mechanical-thermal noise in micromachined acoustic and vibration sensors. IEEE Transactions on Electron Devices, 40 , p.903, 1993). Shot noise can also contribute to the limitation of sensitivity.

Туннельный акселерометр, как правило, состоит из инерционной массы, выполненной в виде консоли, и иголки на корпусе или инерционной массе (см., например, патент США №5563344, МПК⁶ G 01 P 15/13, публ. 08.10.1996; патент WO 02/10063 A2, МПК⁷ В 81 В 3/00, публ. 07.02.2002). Иголка является одним из электродов туннельного контакта и характеризуется радиусом закругления вершины. Вершина иглы устанавливается на расстоянии d от противоположного электрода. Между электродами прикладывается разность электрических потенциалов U. Ускорение датчика вызывает изменение расстояния d между электродами, что приводит к изменению туннельного тока I. Характерное расстояние между туннельными электродами d~1 нм, ток I~1 нА при напряжениях U~1 В. Согласно (А.Ван Дер Зил. Флуктуации в радиотехнике и физике. Госэнергоиздат. М., Л. 1958, с.66.) выражение для среднеквадратичной флуктуации тока I имеет вид:The tunnel accelerometer, as a rule, consists of an inertial mass made in the form of a console, and a needle on the body or inertial mass (see, for example, US patent No. 5563344, IPC ⁶ G 01 P 15/13, publ. 08.10.1996; patent WO 02/10063 A2, IPC ⁷ V 81 V 3/00, publ. 02/07/2002). The needle is one of the electrodes of the tunneling contact and is characterized by a radius of curvature of the peak. The tip of the needle is set at a distance d from the opposite electrode. The difference in electric potentials U is applied between the electrodes. Acceleration of the sensor causes a change in the distance d between the electrodes, which leads to a change in the tunneling current I. The characteristic distance between the tunneling electrodes is d ~ 1 nm, the current is I ~ 1 nA at voltages U ~ 1 V. According to (A . Van Der Zil. Fluctuations in Radio Engineering and Physics. Gosenergoizdat. M., L. 1958, p.66.) The expression for the mean square current fluctuation I has the form:

〈I²〉=2eI·δν,〈I ² 〉 = 2eI

где е - элементарный заряд, δν - рабочая полоса частот. Малая величина туннельного тока I, как видно из данного выражения, существенным образом ограничивает чувствительность датчика при расширении частотного диапазона. Другой принципиальной особенностью туннельных акселерометров является наличие петли обратной связи, поддерживающей туннельное расстояние d при помощи исполнительного устройства: кулоновского или пьезоэлектрического двигателя. Сигнал системы обратной связи является одновременно регистрируемым сигналом. Однако для детектирования модуляции такого слабого тока (I~1 нА) требуется предусилитель, который должен быть расположен вблизи туннельного промежутка для минимизации шумов и наводок, что затрудняет работу туннельных акселерометров в условиях повышенной температуры и/или радиации. К другим недостаткам туннельного акселерометра относится сложность его изготовления, обуславливающая его высокую стоимость.where e is the elementary charge, δν is the working frequency band. The small value of the tunneling current I, as can be seen from this expression, significantly limits the sensitivity of the sensor when expanding the frequency range. Another fundamental feature of tunnel accelerometers is the presence of a feedback loop supporting the tunnel distance d using an actuator: a Coulomb or piezoelectric engine. The feedback signal is a simultaneously recorded signal. However, to detect the modulation of such a weak current (I ~ 1 nA), a preamplifier is required, which should be located near the tunnel gap to minimize noise and interference, which complicates the operation of tunnel accelerometers in conditions of elevated temperature and / or radiation. Other disadvantages of the tunnel accelerometer include the complexity of its manufacture, which leads to its high cost.

Существует ряд работ (M.I.Marques, P.A.Serena, D.Nicolaescu, J.Itoh. Modeling of a pressure sensor based on an array of wedge emitters. Applied Surface Science, 146. p.239, 1999; D.Nicolaescu. Modeling of the field emitter triode (FET) as a displacement / pressure sensor. Applied Surface Science, 87/88, p.61, 1995), где для измерения малых смещений в датчике давления используется ток холодной эмиссии электронов, так называемый эмиссионный датчик. В этом датчике, выбранном в качестве прототипа, расстояние между электродами составляет величину d~0,1 мкм, при этом оказывается возможным отказаться от использования управляющей петли обратной связи, обязательно присутствующей в туннельном датчике, что существенно упрощает конструкцию эмиссионного датчика и измерительной системы в целом. Конструкция эмиссионного датчика-прототипа содержит два электрода, один из которых выполнен плоским, а другой (катод) содержит несколько остроконечных вершин. При изменении внешних параметров (ускорения, давления и т.д.) электроды изгибаются, расстояние d между вершинами остриев катода и плоскостью изменяется, что ведет к соответствующему изменению тока в измерительной цепи. Изменение эмиссионного тока регистрируется и является искомым полезным сигналом с датчика.There are a number of works (MIMarques, PASerena, D. Nicolaescu, J. Itoh. Modeling of a pressure sensor based on an array of wedge emitters. Applied Surface Science, 146. p.239, 1999; D. Nicolaescu. Modeling of the field emitter triode (FET) as a displacement / pressure sensor. Applied Surface Science, 87/88, p.61, 1995), where a cold electron emission current, the so-called emission sensor, is used to measure small displacements in the pressure sensor. In this sensor, selected as a prototype, the distance between the electrodes is d ~ 0.1 μm, and it is possible to refuse to use the feedback control loop, which is necessarily present in the tunnel sensor, which greatly simplifies the design of the emission sensor and the measuring system as a whole . The design of the emission sensor prototype contains two electrodes, one of which is made flat, and the other (cathode) contains several peaked peaks. When changing external parameters (acceleration, pressure, etc.), the electrodes bend, the distance d between the vertices of the cathode tips and the plane changes, which leads to a corresponding change in the current in the measuring circuit. The change in the emission current is recorded and is the desired useful signal from the sensor.

Достоинством эмиссионного датчика является возможность использования малых рабочих напряжений, ввиду того, что вблизи вершины каждого острия катода даже при низком приложенном напряжении возникает высокая напряженность электрического поля (обратно пропорциональная квадрату радиуса закругления острия), которая обеспечивает достаточно высокую плотность эмиссионного тока.The advantage of the emission sensor is the possibility of using small operating voltages, because near the top of each cathode tip, even with a low applied voltage, a high electric field strength arises (inversely proportional to the square of the radius of curvature of the tip), which provides a sufficiently high emission current density.

Однако сильная зависимость напряженности поля от радиуса острия оборачивается существенным недостатком датчика-прототипа - слабой зависимостью тока I от расстояния d между электродами, а соответственно, и невысокой чувствительностью известного эмиссионного датчика. Другим недостатком данного датчика является сложность конструкции, требующая особого дорогостоящего оборудования.However, the strong dependence of the field strength on the radius of the tip turns out to be a significant drawback of the prototype sensor - a weak dependence of the current I on the distance d between the electrodes, and, accordingly, the low sensitivity of the known emission sensor. Another disadvantage of this sensor is the design complexity, which requires special expensive equipment.

Задачей, на решение которой направлено заявленное изобретение, является повышение чувствительности эмиссионного датчика и расширение его амплитудно-частотного диапазона при упрощении конструкции.The problem to which the invention is directed is to increase the sensitivity of the emission sensor and expand its amplitude-frequency range while simplifying the design.

Технический результат в разработанном эмиссионном датчике обеспечивается тем, что разработанный эмиссионный датчик механических и термодинамических величин, так же как и датчик-прототип, содержит два электрода, расположенных в вакууме напротив друг друга на расстоянии d, по крайней мере один из которых является подвижным.The technical result in the developed emission sensor is ensured by the fact that the developed emission sensor of mechanical and thermodynamic quantities, like the prototype sensor, contains two electrodes located in vacuum opposite each other at a distance d, at least one of which is movable.

Новым в разработанном эмиссионном датчике является то, что оба электрода выполнены плоскими, с характерными размерами L₁ и L₂, удовлетворяющими соотношению h≪d<L₁≤L₂≪R, где h - характерный размер шероховатости электродов, R - радиус кривизны поверхности электрода, при этом подвижный электрод выполнен в виде участка металлизации на упругой пластине, установленной на опоре.New in the developed emission sensor is that both electrodes are made flat, with characteristic sizes L ₁ and L ₂ , satisfying the relation h≪d <L ₁ ≤L ₂ ≪R, where h is the characteristic size of the electrode roughness, R is the radius of curvature of the surface an electrode, wherein the movable electrode is made in the form of a metallization portion on an elastic plate mounted on a support.

Эмиссионный датчик с плоскими электродами может быть выполнен в виде ряда модификаций для проведения различного рода измерений.The emission sensor with flat electrodes can be made in the form of a number of modifications for carrying out various kinds of measurements.

В первом частном случае для обеспечения работы эмиссионного датчика в резонансном режиме как датчика линейного ускорения целесообразно упомянутую упругую пластину дополнительно снабдить соответствующей инерционной массой.In the first particular case, to ensure the operation of the emission sensor in resonance mode as a linear acceleration sensor, it is advisable to additionally provide the said elastic plate with the corresponding inertial mass.

Во втором частном случае, для измерения датчиком углового ускорения, целесообразно на общем основании, на расстоянии Н друг от друга установить два аналогичных подвижных электрода, к которым прикладывается одинаковая разность электрических потенциалов, а в качестве регистрируемой величины использовать разностный сигнал с этих электродов.In the second particular case, for measuring the angular acceleration by the sensor, it is advisable, on a general basis, to establish two similar movable electrodes at the distance H from each other, to which the same electric potential difference is applied, and use the difference signal from these electrodes as the recorded value.

В третьем частном случае, для измерения температуры, упомянутую опору следует выполнить из материала с высоким коэффициентом теплового расширения.In the third particular case, for measuring temperature, said support should be made of a material with a high coefficient of thermal expansion.

В четвертом частном случае, также для измерения температуры, упомянутую пластину целесообразно выполнить двухслойной, из материалов с различными коэффициентами теплового расширения.In the fourth particular case, also for measuring temperature, it is advisable to perform the aforementioned plate in two layers of materials with different coefficients of thermal expansion.

В пятом частном случае, для измерения давления, упругую пластину целесообразно выполнить в виде мембраны, закрепленной на опоре по периметру, а участок металлизации расположить по центру мембраны.In the fifth particular case, for measuring pressure, it is advisable to perform an elastic plate in the form of a membrane mounted on a support around the perimeter, and to arrange the metallization site in the center of the membrane.

Как установлено авторами (В.И.Шашкин, Н.В.Востоков, Е.А.Вопилкин, А.Ю.Климов, Д.Г.Волгунов, В.В.Рогов, С.Г.Лазарев. О возможных конструкциях датчиков туннельно-эмиссионных акселерометров. Микросистемная техника, №5, с.3-6, 2003), наибольшая чувствительность эмиссионного датчика, основанного на принципе автоэлектронной эмиссии, достигается в случае использования плоских электродов. В этом случае зависимость плотности тока j от напряженности поля Е в межэлектродном промежутке описывается формулой Фаулера-Нордгейма (Модинос А. Авто-, термо- и вторично-электронная эмиссионная спектроскопия. М., Наука, 1990):As established by the authors (V.I. Shashkin, N.V. Vostokov, E.A. Vopilkin, A.Yu. Klimov, D.G. Volgunov, V.V. Rogov, S.G. Lazarev. On possible sensor designs tunnel emission accelerometers Microsystem technique, No. 5, pp. 3-6, 2003), the highest sensitivity of the emission sensor, based on the principle of field emission, is achieved when using flat electrodes. In this case, the dependence of the current density j on the field strength E in the interelectrode gap is described by the Fowler-Nordheim formula (Modinos A. Auto, thermo and secondary electron emission spectroscopy. M., Nauka, 1990):

где φ - работа выхода, А(Е), В(Е) - параметры.where φ is the work function, A (E), B (E) are the parameters.

При этом имеет место следующая связь вариации тока δj со смещением х подвижного электрода:In this case, the following relationship between the current variation δj and the displacement x of the movable electrode takes place:

где h - постоянная Планка, m - масса свободного электрона, E=U/d.where h is the Planck constant, m is the mass of a free electron, E = U / d.

Как следует из приведенных соотношений (1), (2), (3), заметная автоэлектронная эмиссия возникает при напряженности поля ~10⁶ В/см. Технически приемлемым (в частности, для соответствия действующим стандартам) является напряжение на межэлектродном промежутке ~10 В. Соответственно, расстояние d между электродами должно составлять величину не более 100 нм (0,1 мкм). Реализуемость создания подобных зазоров путем селективного плазменного травления гетероструктур InGaAs/GaAs и AlAs/GaAs показана авторами в работе (G.L. Pakhomov, V.I. Shashkin, N.V. Vostokov, V.M. Danil'tsev, Yu.N. Drozdov and S.A. Gusev. Selective plasma etching III-V multilayer heterostructures. To be published in MICRO.tec 2003).As follows from the above relations (1), (2), (3), noticeable field emission occurs at a field strength of ~ 10 ⁶ V / cm. Technically acceptable (in particular, to comply with current standards) is a voltage across the electrode gap of ~ 10 V. Accordingly, the distance d between the electrodes should be no more than 100 nm (0.1 μm). The feasibility of creating such gaps by selective plasma etching of InGaAs / GaAs and AlAs / GaAs heterostructures is shown by the authors in (GL Pakhomov, VI Shashkin, NV Vostokov, VM Danil'tsev, Yu.N. Drozdov and SA Gusev. Selective plasma etching III-V multilayer heterostructures. To be published in MICRO.tec 2003).

Таким образом технический результат, обеспечиваемый разработанным эмиссионным датчиком, достигается за счет изготовления методом селективного травления полупроводников подвижных плоских электродов, работающих в режиме автоэлектронной эмиссии. При этом чувствительность разработанного датчика близка к чувствительности туннельных датчиков, а частотный диапазон достигает сотен МГц.Thus, the technical result provided by the developed emission sensor is achieved through the manufacture of selective etching semiconductors of movable flat electrodes operating in the field of electron emission. In this case, the sensitivity of the developed sensor is close to the sensitivity of tunnel sensors, and the frequency range reaches hundreds of MHz.

Ввиду высокого значения чувствительности, широкого частотного диапазона и ожидаемой сравнительно низкой удельной стоимости, область промышленного применения заявляемого изобретения может быть весьма широкой.Due to the high value of sensitivity, a wide frequency range and the expected relatively low unit cost, the field of industrial application of the claimed invention can be very wide.

В общем случае изготовления, описанном в п.1 формулы, конструкция эмиссионного датчика обеспечивает измерение всех указанных механических и термодинамических величин.In the general case of manufacture described in claim 1 of the formula, the design of the emission sensor provides the measurement of all these mechanical and thermodynamic quantities.

Разработанные конструкции эмиссионного датчика в частных случаях изготовления в соответствии с тем, как указано в зависимых пунктах формулы 2-:-6, позволяют создать наилучшие условия для измерения той или иной указанной величины и изготовить высокочувствительные измерители ускорения (п.2, 3 формулы), или температуры (п.4, 5 формулы), или давления (п.6 формулы).The developed designs of the emission sensor in particular cases of manufacture in accordance with the procedure specified in the dependent paragraphs of formula 2 -: - 6 allow creating the best conditions for measuring one or another of the indicated values and manufacturing highly sensitive acceleration meters (claims 2, 3 of the formula), or temperature (p. 4, 5 of the formula), or pressure (p. 6 of the formula).

На фиг.1 представлен вид сбоку разработанной конструкции эмиссионного датчика в общем случае его изготовления в соответствии с п.1 формулы изобретения и датчик температуры в соответствии с п.4 формулы изобретения.Figure 1 presents a side view of the developed design of the emission sensor in the General case of its manufacture in accordance with claim 1 of the claims and a temperature sensor in accordance with claim 4.

На фиг.2 представлен вид сбоку разработанной конструкции эмиссионного датчика линейных ускорений в соответствии с п.2 формулы изобретения.Figure 2 presents a side view of the developed design of the emission sensor of linear accelerations in accordance with paragraph 2 of the claims.

На фиг.3 представлен вид сбоку разработанной конструкции эмиссионного датчика угловых ускорений в соответствии с п.3 формулы изобретения.Figure 3 presents a side view of the developed design of the emission sensor of angular accelerations in accordance with paragraph 3 of the claims.

На фиг.4 представлен вид сбоку разработанной конструкции эмиссионного датчика температуры в соответствии с п.5 формулы изобретения.Figure 4 presents a side view of the developed design of the emission temperature sensor in accordance with paragraph 5 of the claims.

На фиг.5 представлен вид сбоку разработанной конструкции эмиссионного датчика давления в соответствии с п.6 формулы изобретения.Figure 5 presents a side view of the developed design of the emission pressure sensor in accordance with paragraph 6 of the claims.

Конструкция эмиссионного датчика, представленная на фиг.1 и соответствующая п.1 формулы, содержит основание 1, с которым посредством опоры 2 соединена упругая пластина 3. Свободный (незакрепленный) конец пластины 3 снабжен плоским электродом 4 в виде участка металлизации с характерными размерами L₁ и L₂, а противолежащий ему участок основания 1 снабжен другим плоским электродом 5, с такими же характерными размерами L₁ и L₂, при этом расстояние d между плоскими электродами 4 и 5 выбрано больше, чем величина шероховатости h их поверхности, но меньше, чем L₁ и L₂, и составляет h≪d<L₁≤L₂. Электроды 4 и 5 являются плоскими, поскольку их характерный размер L₁≤L₂≪R, где R - радиус кривизны поверхности электродов 4 и 5. Пространство между основанием 1 и пластиной 3, где расположены электроды 4 и 5, вакуумируется, а сами электроды 4 и 5 соединены с клеммами 6, к которым подсоединяются соответствующие полюса источника питания. Основание 1, опора 2 и упругая пластина 3 изготовлены методом селективного травления, например, из гетероструктур на основе GaAs и AlGaAs. Электроды 4 и 5 изготовлены из металла или полупроводника методом напыления.The design of the emission sensor shown in FIG. 1 and corresponding to claim 1 of the formula contains a base 1 with which an elastic plate 3 is connected by means of a support 2. The free (unsecured) end of the plate 3 is provided with a flat electrode 4 in the form of a metallization section with characteristic dimensions L ₁ and L ₂ , and the opposite portion of the base 1 is provided with another flat electrode 5, with the same characteristic dimensions L ₁ and L ₂ , while the distance d between the flat electrodes 4 and 5 is chosen greater than the surface roughness h of their surface, but less than L ₁ and L ₂ , and is h≪d <L ₁ ≤L ₂ . The electrodes 4 and 5 are flat, because their characteristic size is L ₁ ≤L ₂ ≪R, where R is the radius of curvature of the surface of the electrodes 4 and 5. The space between the base 1 and the plate 3, where the electrodes 4 and 5 are located, is evacuated, and the electrodes themselves 4 and 5 are connected to terminals 6, to which the corresponding poles of the power source are connected. The base 1, support 2 and elastic plate 3 are made by selective etching, for example, from heterostructures based on GaAs and AlGaAs. The electrodes 4 and 5 are made of metal or a semiconductor by spraying.

В первом частном случае изготовления эмиссионного датчика в соответствии с п.2 формулы, представленном на фиг.2, упругая пластина 3 дополнительно снабжена инерционной массой 7.In the first particular case of manufacturing the emission sensor in accordance with claim 2 of the formula shown in figure 2, the elastic plate 3 is additionally provided with an inertial mass 7.

Во втором частном случае изготовления эмиссионного датчика в соответствии с п.3 формулы, представленном на фиг.3, на основании 1 посредством двух идентичных опор 2 укреплены две идентичные упругие пластины 3, каждая на своей опоре 2. Свободный конец каждой пластины 3 снабжен плоским электродом 4 в виде участка металлизации, с характерными размерами L₁ и L₂, а противолежащие им участки основания 1 снабжены плоскими электродами 5 таких же размеров, то есть на общем основании 1 изготовлены два одинаковых датчика, выходы которых соединены навстречу друг другу в блоке вычитания 8. В качестве искомой величины служит разностный сигнал с этих двух датчиков.In the second particular case of manufacturing the emission sensor in accordance with claim 3 of the formula shown in FIG. 3, on the basis of 1, two identical elastic plates 3 are fixed by two identical supports 2, each on its own support 2. The free end of each plate 3 is provided with a flat electrode 4 in the form of a metallization section, with characteristic sizes L ₁ and L ₂ , and the opposite sections of the base 1 are equipped with flat electrodes 5 of the same size, that is, two identical sensors are made on the common base 1, the outputs of which are connected towards to each other in the subtraction block 8. The difference signal from these two sensors serves as the desired value.

В третьем частном случае изготовления эмиссионного датчика в соответствии с п.4 формулы, представленном как и в общем случае на фиг.1, опора 2 выполнена из материала с высоким коэффициентом теплового расширения.In the third particular case of manufacturing the emission sensor in accordance with paragraph 4 of the formula, presented as in the General case in figure 1, the support 2 is made of a material with a high coefficient of thermal expansion.

В четвертом частном случае изготовления эмиссионного датчика в соответствии с п.5 формулы, представленном на фиг.4, упругая пластина 3 выполнена двухслойной из материалов с различными коэффициентами теплового расширения, например биметаллической.In the fourth particular case of manufacturing an emission sensor in accordance with paragraph 5 of the formula shown in figure 4, the elastic plate 3 is made of a two-layer material with different coefficients of thermal expansion, for example bimetallic.

В пятом частном случае изготовления эмиссионного датчика в соответствии с п.6 формулы, представленном на фиг.5, упругая пластина 3 выполнена в виде мембраны, закрепленной на опоре 2 по всему периметру мембраны. Электрод 4 расположен по центру мембраны 3 напротив электрода 5, изготовленного на основании 1.In the fifth particular case of manufacturing the emission sensor in accordance with claim 6 of the formula shown in FIG. 5, the elastic plate 3 is made in the form of a membrane mounted on a support 2 around the entire perimeter of the membrane. The electrode 4 is located in the center of the membrane 3 opposite the electrode 5, made on the basis of 1.

В примере конкретной реализации изготовлен эмиссионный датчик ускорения в соответствии с п.2 формулы, представленный на фиг.2, в котором основание 1, опора 2 и упругая пластина 3 с инерционной массой 7 выполнены из гетероструктур на основе GaAs и AlGaAs, при этом основание 1 и пластина 3 выполнены из AlGaAs, а опора 2 изготовлена методом селективного травления из GaAs. Электроды 4 и 5 изготовлены плоскими в виде участков металлизации с размерами L₁=0,5 мкм, L₂=1 мкм (площадью ~0,5 мкм²) из золота методом напыления. Величина шероховатости h не превышает 1 нм. Электроды 4 и 5 расположены относительно друг друга на расстоянии d~100 нм (0,1 мкм), т.е. выполнено условие h≪d<L₁≤L₂. Напряжение источника питания, который соединен с электродами 4 и 5, выбрано ~10 В. Изменением инерционной массы 7, т.е. выбором ее материала и геометрии, можно подобрать требуемый диапазон частот, в котором работает датчик.In an example of a specific implementation, an emission acceleration sensor is manufactured in accordance with claim 2 of the formula shown in FIG. 2, in which the base 1, support 2 and elastic plate 3 with inertial mass 7 are made of heterostructures based on GaAs and AlGaAs, with base 1 and the plate 3 is made of AlGaAs, and the support 2 is made by selective etching of GaAs. The electrodes 4 and 5 are made flat in the form of metallization sections with sizes L ₁ = 0.5 μm, L ₂ = 1 μm (area ~ 0.5 μm ² ) from gold by spraying. The roughness h does not exceed 1 nm. The electrodes 4 and 5 are located relative to each other at a distance d ~ 100 nm (0.1 μm), i.e. the condition h≪d <L ₁ ≤L _{2 is} satisfied. The voltage of the power source, which is connected to the electrodes 4 and 5, is selected to be ~ 10 V. By changing the inertial mass 7, i.e. by choosing its material and geometry, it is possible to select the required frequency range in which the sensor operates.

Разработанный датчик, представленный в общем случае изготовления на фиг.1, работает следующим образом.The developed sensor, presented in the General case of manufacture in figure 1, operates as follows.

При подаче на плоские электроды 4 и 5, установленные на расстоянии d≈0,1 мкм, напряжения питания между плоскими электродами 4 и 5 возникает ток I холодной эмиссии электронов, который, как теоретически и экспериментально установлено авторами, имеет очень сильную (экспоненциальную) зависимость от расстояния d между плоскими электродами. Малые взаимные перемещения электродов 4 и 5, т.е. малые изменения расстояния d, приводят к значительному изменению тока I холодной эмиссии, величина которого и является полезным сигналом. Чувствительность датчика пропорциональна площади плоских электродов 4 и 5 и может достигать значений, равных чувствительности туннельного датчика, что на 2 порядка выше чувствительности датчика-прототипа. Как показали эксперименты, разработанная конструкция эмиссионного датчика обеспечивает поддержание выбранного расстояния d≈0,1 мкм с достаточной точностью (±2 нм) без присутствия обязательной для аналога (туннельного акселерометра) системы отрицательной обратной связи. Благодаря чему разработанный высокочувствительный эмиссионный датчик является более надежным в работе и может быть использован в тяжелых условиях эксплуатации при повышенных температурах, при наличии радиации или загазованности.When applying to the flat electrodes 4 and 5, installed at a distance of d≈0.1 μm, the supply voltage between the flat electrodes 4 and 5, a current I of cold electron emission occurs, which, as theoretically and experimentally established by the authors, has a very strong (exponential) dependence from the distance d between the flat electrodes. Small mutual displacements of electrodes 4 and 5, i.e. small changes in the distance d lead to a significant change in the current I of cold emission, the value of which is a useful signal. The sensitivity of the sensor is proportional to the area of the flat electrodes 4 and 5 and can reach values equal to the sensitivity of the tunnel sensor, which is 2 orders of magnitude higher than the sensitivity of the prototype sensor. As experiments have shown, the developed design of the emission sensor ensures that the selected distance d≈0.1 μm is maintained with sufficient accuracy (± 2 nm) without the presence of a negative feedback system mandatory for the analogue (tunnel accelerometer). Due to this, the developed highly sensitive emission sensor is more reliable in operation and can be used in harsh operating conditions at elevated temperatures, in the presence of radiation or gas contamination.

Работа конструкции эмиссионного датчика линейных ускорений по п.2 формулы, представленной на фиг.2, также как и эмиссионного датчика по п.1, основана на регистрации изменений тока I холодной эмиссии при изменении расстояния d между плоскими электродами 4 и 5, которое в данном случае более всего изменяется по причине ускорений (вибраций) датчика. Ускорение эмиссионного датчика приводит к изгибу упругой пластины 3 с инерционной массой 7 и к изменению расстояния d между плоскими электродами 4 и 5. То обстоятельство, что в разработанной конструкции на упругой пластине 3 не требуется присутствия обязательного для аналога (туннельного акселерометра) исполнительного двигателя обратной связи, снимает ограничения на механическую жесткость упругой пластины 3. Вследствие этого данная конструкция эмиссионного датчика позволяет при ее использовании в качестве датчика линейных ускорений (вибраций) в соответствии с п.2 формулы определять вибрации на гораздо более высоких частотах, чем в аналоге и прототипе, вплоть до сотен МГц. Предельная рабочая частота определяется выбором материала и геометрии упругой пластины 3 и инерционной массы 7.The design of the emission linear acceleration sensor according to claim 2 of the formula shown in figure 2, as well as the emission sensor according to claim 1, is based on recording changes in the current I of cold emission when the distance d between the flat electrodes 4 and 5 changes, which in this case most of all changes due to accelerations (vibrations) of the sensor. Acceleration of the emission sensor leads to the bending of the elastic plate 3 with an inertial mass of 7 and to a change in the distance d between the flat electrodes 4 and 5. The fact that in the developed design on the elastic plate 3 does not require the presence of a feedback actuator required for the analogue (tunnel accelerometer) , removes restrictions on the mechanical rigidity of the elastic plate 3. As a result, this design of the emission sensor allows it to be used as a linear acceleration sensor (VI radios) according to claim 2 to determine the vibration at much higher frequencies than in the prior art analog and up to hundreds of MHz. The maximum working frequency is determined by the choice of material and geometry of the elastic plate 3 and the inertial mass 7.

Отличительной особенностью работы конструкции эмиссионного датчика по п.3 формулы, представленной на фиг.3, является то, что выходным сигналом служит разностный сигнал двух датчиков линейных ускорений, изготовленных на общем основании 1. Поэтому при линейном ускорении оба упомянутых датчика дают одинаковый сигнал и разностный сигнал в блоке вычитания 8 равен нулю. При угловом ускорении один из микродатчиков дает более сильный сигнал, чем другой, поэтому разностный сигнал в блоке вычитания 8 отличен от 0.A distinctive feature of the design of the emission sensor according to claim 3 of the formula shown in FIG. 3 is that the output signal is the difference signal of two linear acceleration sensors made on a common basis 1. Therefore, with linear acceleration, both of these sensors give the same signal and differential the signal in block subtraction 8 is zero. With angular acceleration, one of the microsensors gives a stronger signal than the other, therefore, the difference signal in the subtraction unit 8 is different from 0.

Особенностью работы конструкции датчика по п.4 формулы, представленной на фиг.1, является то, что при изменении температуры среды, в которой находится датчик, опора 2 с большим коэффициентом теплового расширения изменяет свою толщину и высоту, что приводит к изменению расстояния d между плоскими электродами 4 и 5. Изменение расстояния d приводит к изменению тока I холодной эмиссии электронов, величина которого и является полезным сигналом датчика.A feature of the design of the sensor according to claim 4 of the formula shown in figure 1 is that when the temperature of the medium in which the sensor is located, the support 2 with a large coefficient of thermal expansion changes its thickness and height, which leads to a change in the distance d between flat electrodes 4 and 5. Changing the distance d leads to a change in the current I of cold emission of electrons, the value of which is a useful signal of the sensor.

Особенностью работы конструкции эмиссионного датчика по п.3 формулы, представленной на фиг.4, является то, что при изменении температуры упругая пластина 3, выполненная двухслойной из материалов с различными коэффициентами теплового расширения, например биметаллической, изгибается, что приводит к изменению расстояния d между плоскими электродами 4 и 5. Это изменение в свою очередь приводит к изменению тока I холодной эмиссии электронов.A feature of the design of the emission sensor according to claim 3 of the formula shown in FIG. 4 is that when the temperature changes, the elastic plate 3, made of a two-layer material with different coefficients of thermal expansion, for example, bimetallic, bends, which leads to a change in the distance d between flat electrodes 4 and 5. This change in turn leads to a change in the current I of cold emission of electrons.

Особенностью работы конструкции эмиссионного датчика по п.6 формулы, представленной на фиг.5, является то, что при изменении давления на упругую пластину 3, закрепленную в виде мембраны по периметру на опоре 2, изменяется и прогиб мембраны (пластины 3), что приводит к изменению расстояния d между плоскими электродами 4 и 5. А изменение расстояния d в свою очередь приводит к изменению тока I холодной эмиссии электронов.A feature of the design of the emission sensor according to claim 6 of the formula shown in Fig. 5 is that when the pressure on the elastic plate 3 fixed in the form of a membrane around the perimeter on the support 2 changes, the deflection of the membrane (plate 3) also changes, which leads to to a change in the distance d between the flat electrodes 4 and 5. And a change in the distance d in turn leads to a change in the current I of cold emission of electrons.

Таким образом, каждая из конструкций эмиссионного датчика в частных случаях его изготовления, описанная в одном из пунктов 2-:-6 формулы, обеспечивает измерение с наибольшей чувствительностью выбранной механической или термодинамической величины.Thus, each of the designs of the emission sensor in particular cases of its manufacture, described in one of paragraphs 2 -: - 6 of the formula, provides the measurement with the highest sensitivity of the selected mechanical or thermodynamic value.

Ввиду того, что при изготовлении датчика используется технология, включающая в себя только процессы травления и напыления, можно ожидать, что при массовом производстве себестоимость разработанного эмиссионного датчика будет весьма низкой, ниже себестоимости аналогов, при существенно большем частотном диапазоне и высокой чувствительности.Due to the fact that the sensor is manufactured using technology that includes only etching and spraying processes, it can be expected that in mass production the cost of the developed emission sensor will be very low, lower than the cost of analogues, with a significantly larger frequency range and high sensitivity.

Claims

1. An emission sensor of mechanical and thermodynamic quantities, containing two electrodes located in vacuum opposite each other at a distance d, at least one of which is movable, characterized in that both electrodes are made flat, with characteristic sizes L ₁ and L ₂ , satisfying the relation h≪d <L ₁ ≤L ₂ ≪R, where h is the characteristic size of the electrode roughness, and R is the radius of curvature of the electrode surface, and the movable electrode is made in the form of a metallization section on an elastic plate mounted on a support.

2. The emission sensor according to claim 1, characterized in that the said elastic plate is additionally provided with an inertial mass.

3. The emission sensor according to claim 1, characterized in that a second stationary flat electrode is located on a common base and, by means of a second support identical to the first, a second elastic plate is fixed that is identical to the first, the free end of which is equipped with a flat electrode, and is used as the recorded value differential signal from moving electrodes.

4. The emission sensor according to claim 1, characterized in that the said support is made of a material with a high coefficient of thermal expansion.

5. The emission sensor according to claim 1, characterized in that said elastic plate is made of a two-layer of materials with different coefficients of thermal expansion.

6. The emission sensor according to claim 1, characterized in that the said elastic plate is made in the form of a membrane mounted on a support around the perimeter, and the metallization section is located in the center of the membrane.