CC BY
60
УДК 621.3.049.77.001.2
. . , . .
ИНТЕГРАЛЬНЫЙ МНКРОМЕХАНИЧЕСКИЙ ТУННЕЛЬНЫЙ АКСЕЛЕРОМЕТР НА ОСНОВЕ НАПРЯЖЕННЫХ СЛОЕВ GAAS/INAS
Описан принцип построения микромехантеского туннельного акселерометра. Предложена конструкция, упрощенная модель самосборки сенсорного элемента, а также модель передачи движения.
Конструкция; микроэлектромеханические системы; сенсор; акселеро-
.
E.A. Ryndin, N.K. Pristupchik
INTEGRATED MICROMECHANICAL TUNNELING ACCELEROMETER BASED ON DRIVEN SELF-ASSEMBLY OF STRAINED GAAS/INAS
LAYERS
Principle of operation and design of multi -axis micromechanical tunneling accelerometer based on driven self-assembly of strained GaAs/InAs layers is described. Simplified driven self-assembly and motion models are developed.
Design; microelectromechanical systems; sensor; accelerometer.
Широкий спектр задач мониторинга параметров окружающей среды и динамических характеристик подвижных объектов предполагает эффективное , -плексов, содержащих элементы нано- и микросистемной техники, в частности, интегральные микромеханические акселерометры [1].
Для решения задачи анализа траектории и параметров движения макроскопических подвижных объектов возникает потребность в регистрации ли, -тельно базы измерительного комплекса [2]. В настоящее время известны два принципиально различных подхода к решению этой задачи.
Существует возможность восстановления полной информации о параметрах движения объекта путем обработки результатов измерения, поступающих от нескольких дискретных сенсорных устройств, каждое из которых обладает лишь одной осью чувствительности. Соответствующим образом размещенные и ориентированные относительно осей симметрии исследуемого объекта такие устройства обеспечивают решение указанной задачи, определяя проекции внешнего ускорения на оси чувствительности преобразователей перемещения. Таким образом, для измерения внешнего воздействия требуется минимум три сенсорных элемента, работающих в режиме прямого измерения и обеспечивающих регистрацию трех взаимно перпендикулярных проекций .
В общем случае, измерительный комплекс, построенный на основе дискретных сенсорных устройств, может быть весьма громоздким, что не всегда . -со-габаритные показатели посредством размещения необходимого числа одноосевых микросенсоров на общей основе. Вместе с тем, указанный метод требует прецизионных операций позиционирования и инсталляции микросис-, .
Другая возможность заключается в формировании необходимого числа ,
едином технологическом процессе с использованием групповых методов обработки. Таким образом, измерительный комплекс, оснащенный, при необхо-
,
, -
мой задачи представляется более перспективной.
, -логия формирования микромеханических акселерометров на основе жертвенных слоев накладывает ограничения на возможные композиции функциональных элементов, предназначенных, в частности, для передачи движения, и приводит к обособлению оси чувствительности перпендикулярной плоскости подложки [3]. В этой связи разработка конструкций микромеханических сис-, -, .
Целью настоящей работы является построение конструкций, математических моделей и методик моделирования интегральных микромеханических , -эмиссионные преобразователи перемещения. Обеспечение одинаково высокой чувствительности по трем взаимно перпендикулярным осям является основным требованием. На рис. 1 представлена гетероструктура, содержащая напряженные слои GaAs/InAs. Постоянные решеток слоев GaAs и InAs значительно различаются: Д а/а = 7,2%. В процессе эпитаксиального выращивания , , InP -
, , InAs , GaAs .
GaAs/InAs
InAs
GaAs. InAs GaAs
взаимодействия противоположно направлены и создают момент сил, изги-GaAs/InAs.
GaAs/InAs AlGaAs, -
полнительно выращенного между пленкой и подложкой [4].
Предлагаемая конструкция сенсорного элемента, обеспечивающего чув, . 2, . -ный элемент составлен из двух взаимодополняющих друг друга структур. При возникновении линейного ускорения подложки в направлении, обозначенном ax+, инерционная масса отклоняется в направлении ax-, вследствие чего изменяется расстояние между подвижным и неподвижным электродами, что, в ко, .
Растянутый слой Сжатый слой Жертвенный слой Подложка
Рис. 1. Формирование эпитаксиальных слоев с различными постоянными решетки с целью создания внутренних механических напряжений
Подвижный электрод закреплен на инерционной массе, а неподвижный электрод представляет собой незавершенную нанотрубку, получившуюся в результате селективного травления жертвенного слоя. Таким образом, сила туннельного тока будет возрастать в том случае, когда инерционная масса приближается к катоду. С целью обеспечения симметрии измерительного процесса предлагается на каждую ось чувствительности формировать две структуры, различающиеся относительным расположением катода и инерционной массы. На рис. 2,6 представлена структура аналогичного элемента, обеспечивающая максимум чувствительности в направлении ау, перпендикулярном направлению ах. Таким образом, структуры, приведенные на рис. 2, представляют собой микромеханический акселерометр с двумя осями чувствительности. Представляется возможным использовать предложенные элементы в качестве базиса для построения многоосевого микроакселерометра.
Рис. 2. Схематическое изображение чувствительных элементов многоосевого акселерометра:а - элементы, обеспечивающие чувствительность вдоль оси X; б - элементы, обеспечивающие чувствительность вдоль оси У
На рис. 3 представлена параметрическая модель структуры и топологии сенсора. Функциональные элементы передачи движения представлены тор-сионами, сформированными в напряженном слое. Такой выбор элементов передачи движения обусловлен необходимостью компенсации перекрестной чувствительности, возникающей в балочном подвесе. Следует отметить, что положение туннельных контактов, образованных инерционными массами и
Известия ЮФУ. Технические науки
поверхностями незавершенных нанотрубок-эмиггеров, определяется геометрией подтравливаемого напряженного слоя.
Поскольку инерционная масса создает момент сил, препятствующий самосборке рассматриваемой структуры, представляется оправданным оценить порядки моментов сил, возникающих в процессе самоорганизации. Для решения этой задачи была построена упрощенная физическая модель, представленная на рис. 4. Инерционная масса принимается точечной и отстоит от плоскости приложения момента М1 на расстояние Ь/2.
Рис. 3. Схематическое изображение сенсора на основе напряженных слоев GaAs/InAs: а - структура; б - топология; в - параметрическая модель преобразователя перемещения
Закон Гука для механически напряженного слоя может быть записан следующим образом:
=.! =^а=_! р
С Е° а Е Б '
Предполагая, что р = р2 = р, выразим формирующую силу:
р = ^ЕБ,
а
(1)
(2)
где Е - модуль Юнга, Б = — Ь - площадь сечения напряженного слоя, = 0,072 - относительное сжатие (растяжение), выраженное через посто-
а
.
Принимая плечо равным расстоянию между центральными сечениями , , :
М1 = Е-, 1 2
(3)
Препятствующий формированию структуры момент может быть выражен следующим образом:
1
М2 =т§ — .
Точечная инерционная масса, рассчитываемая по формуле: т = рУ = р1} (к + х).
(4)
(5)
В том случае, когда М1 > М2 , структура сенсорного элемента, приведенная на рис. 3, может быть сформирована посредством управляемой самоорганизации напряженных слоев ОаЛ8/1пЛ8, в противном случае необходимая конфигурация электродов не может быть получена в результате самоформи-рования. Принимая Ь = 5 мкм, к = 600 нм, х = 25 нм, р = 5680 кг-м-3, £=10 м-с2, :
М1 = 9,7-10-12Я-м , М2 = 2,2-10-18Я-м .
Рис. 4. Упрощенная физическая модель процесса самосборки сенсорного элемента на основе напряженных слоев GaAs/InAs
, -формирования сенсорного элемента. Рассмотрим далее модель передачи движения в преобразователе перемещения. Для того, чтобы определить угол, на который повернется пластина подвижного электрода при воздействии внеш, ,
стержня [5]:
Г
М1!р1
GJ
(6)
где Мкр - крутящий момент, I - длина торсионов, G -
Е
2(1 +V )
модуль сдвига
(коэффициент Пуассона V = 0,31), Jp = 0,141х - момент инерции относительно оси вращения торсиона, для квадратного сечения. Фактически пластина поворачивается на угол ср/2, поскольку закреплена на двух торсионах.
Линейное перемещение точек, лежащих на поверхности подвижного электрода и отстоящих от оси вращения торсионов на расстояние у, определяется из выражения:
d = y ■ tan(?/2). (7)
,
тяжести, подставим уравнение (4) с учетом уравнения (5) в уравнение (6). Далее из выражения (7) находим искомое перемещение. Для случая, ко гда y = L/2 имеем d = 1,5 нм, что является достаточным для регистрации внешнего воздействия посредством туннельного преобразователя перемещения.
,
возможности построения предлагаемых сенсорных элементов посредством управляемой самоорганизации напряженных слоев GaAs/InAs, а также возможности применения подобных структур для построения интегральных многоосевых микромеханических акселерометров, содержащих наноразмерные преобразователи перемещения на основе туннельного эффекта.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Бабае вский ПТ., Резниченко Г.М., Жуков А А., Жукова С А., Гринькин ЕА. Электромеханические преобразователи сенсорных микро- и наносистем: физические основы и масштабные эффекты. Часть 1. Чувствительные механические элементы и актюаторы // Нано- и микросистемная техника. - 2008. - №11. - С. 32-44.
2. РаспопоеВ.Я. Микромеханические приборы. - М.: Машиностроение. - 2007. - 400 с.
3. . ., . ., . .
тремя осями чувствительности // Нано- и микросистемная техника. - 2007. - №3. - С. 36-39.
4. / . . . . .- -
сибирск: Издательство СО РАН, 2004. - 368 с.
5. . ., . ., . . . - : -
Национ. ун-та внутр. дел, 2001. - 404 с.
Рындин Евгений Адальбертович
Технологический институт федерального государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Южный федеральный университет» в г. Таганроге.
E-mail: ryn@fep.tsure.ru.
347928, . , . , 44.
Тел.: 8(8634)311-584.
Приступчик Никита Константинович
Технологический институт федерального государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Южный федеральный университет» в г. Таганроге.
E-mail: nix@fep.tsure.ru.
347928, . , . , 44.
Тел.: 8(8634)311-584.
Ryndin Eugine Adalbertovich
Taganrog Institute of Technology - Federal State-Owned Educational Establishment of Higher Vocational Education “Southern Federal University”.
E-mail: ryn@fep.tsure.ru.
44, Nekrasovskiy, Taganrog, 347928, Russia.
Phone: 8(8634)311-584.
Pristupchik Nikita Konstantinovich
Taganrog Institute of Technology - Federal State-Owned Educational Establishment of Higher Vocational Education “Southern Federal University”
E-mail: nix@fep.tsure.ru.
44, Nekrasovskiy, Taganrog, 347928, Russia.
Phone: 8(8634)311-584.
УДК 001.89: 539.2 (621.382.132)
O.A. Агеев, Ю.В. Сюрик, B.C. Климин, А.А. Федотов ПОЛУЧЕНИЕ НАНОКОМПОЗИТНЫХ ПОЛИМЕРНЫХ ,
НАНОСТРУКТУРАМИ, НА ОСНОВЕ НАНОФАБ НТК-9
Целью работы является отработка методик изготовления нанокомпо-зитных полимерных материалов, модифицированных углеродными наност-, - -нечных элементов на основе использования многофункционального кластерного сверхвысоковакуумного нанотехнологического комплекса НАНОФАБ НТК-9.
Нанотехнологии; полимерные нанокомпозиты; углеродные нанотрубки; солнечные элементы; наносистемная техника.
О.А. Ageev, Yu.V. Syurik, V.S. Klimin, A.A. Fedotov
PRODUCTION OF NANOCOMPOUND POLYMERIC MATERIALS BASED ON MULTIFUNCTIONAL MODULAR NANOTECHNOLOGYCAL PLATFORM NANOFAB NTK-9
The work’s idea is a development ofproduction methods of nanocompound polymeric materials, modified by carbon nanostructures, for manufacturing of micro-and nanosystem technique’s structures and solar elements based on high-vacuum multifunctional modular nanotechnologycalplatform NANOFAB NTK-9.
Nanotechnology; polymeric nanocompound; carbon nanotubes; solar cell; nanosystem technique.
Полимерные нанокомпозиты (НКПМ) - материалы, состоящие из двух или более различных фаз, одной из которых является полимерная основа, а другой наноразмерные частицы, создаваемые в целях получения специальных свойств (магнитных, оптических, диэлектрических, радиопоглощающих, по-
