CC BY
23
Интегральный трехосевой микроакселерометр туннельного типа
М.А. Денисенко, А.С. Исаева, А.Ш. Рахматулин, В.Д. Попов
Южный федеральный университет, институт нанотехнологий, электроники и приборостроения, кафедра конструирования электронных средств, г. Таганрог
Аннотация: В представленной работе приводится конструкция и технология, а также обсуждаются технологические основы изготовления трехосевого интегрального микромеханического акселерометра туннельного типа. Рассмотрены технологические особенности управляемой самоорганизации механически напряженных полупроводниковых слоев GaAs/InAs для получения структур МЭМС-сенсоров. Приведен принцип работы туннельного акселерометра. Предложенная конструкция была промоделирована и оптимизирована с использованием САПР ANSYS. Полученные результаты моделирования могут быть использованы для разработки высокотехнологичных прецизионных трехосевых МЭМС-сенсоров линейных ускорений. Ключевые слова: микроэлектромеханическая система, МЭМС, дизайн, датчик, сенсор, акселерометр, моделирование, математическая модель.
Введение
Микроэлектромеханические системы (МЭМС) в настоящее время находят широкое применение в различных сферах, таких как: производство носимой электроники, бытовых устройств, игровых консолей и игрушек, а также в транспортной, космической и военной отраслях [1,2]. Значительную долю рынка МЭМС составляют механико-электрические системы (сенсоры) или электромеханические системы (актюаторы), имеющие микро - и наноразмеры.
Такое распространение они получили за счет развития технологий, которые позволяют получать устройства малых размеров, с низким энергопотреблением и относительно невысокой ценой для конечного потребителя. Современные подходы к проектированию МЭМС и развитие технологий производства позволяют использовать микросистемы в различных средах, в широком диапазоне температур, влажности и давлений, что еще шире предопределило их использование [3,4,5]. Технология изготовления подобных систем основывается или на интеграции МЭМС и кремниевой (или другой полупроводниковой) интегральной схемы (ИС) на
М Инженерный вестник Дона, №6 (2020) ivdon.ru/ru/magazine/arcliive/n6y2020/6516
подложке при помощи микросборки, или в применении подхода, когда МЭМС часть изготавливается вместе с ИС в едином технологическом цикле.
Конструкция акселерометра
Предложенная конструкция трехосевого микроакселерометра состоит из трех сенсоров, выполненных на одной подложке в едином технологическом цикле: двух вертикального типа и одного горизонтального типа (Патент Яи (11) 2 660 412(13) С1 2018 г.). Сенсорные элементы, каждый из которых является одноосевым акселерометром, могут быть получены с применением одних и тех же принципов, и материалов и отличаются только в ориентации подвижной части и соответствующих контактов, что показано на рисунке 1.
1 - подложка; 2 - сенсор, чувствительный вдоль оси У; 3 - сенсор, чувствительный вдоль оси X; 4 - сенсор, чувствительный вдоль оси 2 Рис. 1. - Структура микромеханического акселерометра туннельного
типа
Конструкция акселерометра горизонтального типа позволяет регистрировать линейное ускорение вдоль оси, перпендикулярной плоскости подложки (7). Она подробно описана в работах [6,7].
Сенсоры вертикального типа идентичны и отличаются только ориентацией друг относительно друга под углом 90 градусов, что обеспечивает чувствительность вдоль осей, параллельных плоскости подложки (X и У). Конструкция сенсоров приведена на рисунке 2.
8 9
1 - подложка кремния; 2 - полуизолирующая подложка; 3 - упругий подвес; 4 - контактный слой; 5 - полуизолирующий слой; 6 - неподвижный электрод; 7 - неподвижный электрод, входящий в состав элекростатического актюатора; 8 - инерционная масса (ИМ); 9 -подвижный электрод; 10 - подвижный электрод, входящий в состав электростатического актюатора; 11 - контакт к неподвижному электростатическому актюатору; 12 - контакт к подвижному электроду; 13 - контакт к неподвижному электроду Рис. 2. - Структура акселерометра вертикального типа
Трехосевой акселерометр образован сенсорами вертикального типа, каждый содержит туннельный контакт, образованный подвижным (на нем сформировано острие туннельного контакта, обозначение 9 на рисунке 2) и неподвижным относительно подложки (6) электродами. Зазор составляет единицы нанометров, что и обеспечивает протекание туннельного тока.
Туннельный контакт используется для высокопрецизионной (по сравнению с традиционными емкостными и пьезоэлектрическими элементами) регистрации изменения ускорения объекта. При наличии ускорения вдоль соответствующей оси происходит отклонение ИМ (8), что изменяет расстояние между подвижным и неподвижным электродами, и, если это расстояние сокращается, приводит к появлению туннельного тока.
Технология изготовления акселерометра Предложенная конструкция выполняется с использованием принципов Принц-технологии [8], суть которой заключается в выращивании гетероструктуры, состоящей из механически напряженных полупроводниковых слоев, например, GaAs/InAs, что проиллюстрировано на рисунке 3. При эпитаксиальном выращивании данных слоев, возникает внутреннее напряжение слоев из-за разности периодов кристаллических решеток. При освобождении от подложки (селективном травлении жертвенного слоя) межатомные силы стремятся уменьшить/увеличить
расстояние между атомами, что приводит к скручиванию структуры.
Рис. 3. - Формирование слоев методом эпитаксии, из материалов с различным шагом кристаллической решетки для создания внутренних
механических напряжений [9]
Технологические операции, применяемые для получения описываемой конструкции трехосевого туннельного акселерометра, могут быть организованы таким образом, что возможно их совмещение с технологическим процессом изготовления интегральных схем на основе кремниевых технологий. Известно, что разница в шаге кристаллической решетки кремния и GaAs составляет около 4%, что препятствует расположению слоев этих материалов друг на друге непосредственно. Эта проблема может быть решена за счет применения буферных слоев -специально подобранных промежуточных полупроводниковых слоев, позволяющих осуществить плавный переход от постоянной решетки подложки кремния к постоянной решетке гетероструктурного слоя.
Все необходимые слои, формирующие структуры акселерометров, получают методом эпитаксиального выращивания в едином технологическом цикле; острие подвижного туннельного контакта формируется при помощи фокусированного ионного пучка (ФИП).
Порядок операций следующий: на подготовленной кремниевой подложке выращивается буферный слой GaP. Затем формируются слои гетероструктуры, состоящей из жертвенного слоя (AlGaAS), а также слоев InAs и GaAs, между которыми возникает внутреннее механическое напряжение, способствующее в последующих этапах самоорганизации полупроводниковых структур и окончательному формированию конструкции
акселерометров. Далее выращивается контактный слой из
++
высоколегированного эпитаксиального кремния p для снятия сигнала с гетерослоя, а в области подвижного контакта данный слой будет выполнять функцию инерционной массы. Для формирования туннельного контакта необходим зазор между формирующими его электродами порядка 1 нм, но получить такой зазор технологически в такой конструкции довольно сложно, поэтому в ней предусмотрен электростатический актюатор, с помощью
которого выполняется прецизионная установка требуемого зазора между подвижным и неподвижным контактами за счет электростатических сил. Металлический контакт актюатора выполняется из слоев материалов ^^Мл, формирующих омический контакт. На следующем этапе формируется подвижный электрод с помощью ФИП. Далее необходимо изолировать контактный слой, с которого снимается сигнал с подвижного электрода, от последующих формирующихся контактных слоев. В качестве изоляционного слоя используется диоксид кремния, выращенный при помощи фотостимулированного осаждения SiO2 с использованием моно-дисилана. На следующем этапе выращивается неподвижный электрод туннельного контакта и неподвижный контакт актюатора из ^^Мл, эта композиция материалов позволяет улучшить адгезию к поверхности, так слой Pt термодинамически стабилен и не позволяет мигрировать ^ до поверхности Au. Неподвижный электрод туннельного контакта и неподвижный контакт актюатора изолируются слоем SiO2. На данном этапе структура сформирована и остается высвободить подвижную часть акселерометра при помощи селективного травления жертвенного слоя AlGaAs, подбирая точное время травления можно добиться скручивания структуры на определенный угол. Конструкция вертикально ориентированного туннельного микроакселерометра с указанием материалов областей приведена на рисунке 4. В данной работе приводится технология только для сенсора вертикального типа, т.к. для сенсора горизонтального типа технология будет практически идентичной.
Рис.4. - Материалы областей конструкции акселерометра вертикального типа
Моделирование акселерометра
Для доказательства перспективности разработанной конструкции в CAD ANSYS 18.0 [10] была разработана ее макрос-модель, учитывающая реальные физико-геометрические параметры структуры. В данном моделировании был проведен статический анализ структуры, приведенный
на рисунке 5.
Рис. 5. - Результаты моделирования разработанной конструкции акселерометра под воздействием ускорения 8g вдоль оси OX
М Инженерный вестник Дона, №6 (2020) ivdon.ru/ru/magazine/arcliive/n6y2020/6516
Численные результаты статического анализа приведены в таблице 1.
Таблица № 1
Результаты моделирования акселерометра при ускорении 8g
Направление ускорения 8g Отклонение по оси X (м) Отклонение по оси Y (м) Отклонение по оси Z (м)
+ -0.131*10-8 -0.190*10-8 -0.130*10-8
- 0.131*10-8 0.190*10-8 0.130*10-8
Был проведен расчет механической чувствительности на основании полученных данных. В результате расчетов были получены следующие величины чувствительности по каждой из осей: SensOX = 1.671*10-11м., SensOY = 2.423*10-11м., SensOZ = 1.658*10-11м. Кроме того был проведен модальный анализ для нахождения частот собственных колебаний, что позволит минимизировать или вовсе исключить вероятности вхождения всей конструкции в резонанс. Модальный анализ проводился для первых десяти мод в диапазоне от 0 до 10-109 Гц. Значения собственных частот колебаний приведены в таблице 2.
Таблица № 2
Собственные частоты колебаний
Номер частоты Значение собственной частоты колебаний (Гц) Номер частоты Значение собственной частоты колебаний (Гц)
1 38759.6 6 92623.1
2 47539.5 7 175612
3 47782.7 8 362135
4 59672 9 363186
5 92341.8 10 426870
Заключение
В данной работе описан разработанный интегральный микроэлектромеханический акселерометр туннельного типа, который способен регистрировать ускорение по всем осям и с высокой точностью. Разработана физико-топологическая модель структуры в САПР ANSYS для проведения статического и модального анализа.
Работа выполнена при финансовой поддержке совета по грантам Президента Российской Федерации для государственной поддержки молодых российских ученых и по государственной поддержке ведущих научных школ Российской Федерации (номер проектаМК-2130.2020.8).
Литература
1. Berkeley, S. Sensor & actuator center. 2014.URL: bsac.eecs.berkeley.edu/
2. Гурков В.А., Беляев М.А., Бакшеева А.Г. Микромеханические системы: учеб.пособие. - Петрозаводск: Из-во ПетрГУ, 2016. - 171 с.
3. Гулякович Г.Н., Северцев В.Н., Шурчков И.О. Перспективы и проблемы полупроводниковой наноэлектроники // Инженерный вестник Дона, 2012, №2 URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n2y2012/790
4. Fraden J. Handbook of Modern Sensors: Physics, Designs, and Applications. Fifth Edition. - Switzerland: Springer International Publishing, 2016. - 758 p.
5. Крекотень Ф.В. Современные МЭМС-гироскопы и акселерометры // Петербургский журнал электроники. 2011. №1. - С.81-96.
6. Denisenko M.A., Konoplev B.G., Isaeva A.S., Lysenko I.E. Integrated micro-mechanical tunneling accelerometer // J. Pharm. Sci. & Res. Vol. 9(11), 2017, pp. 2155-2158. ISSN: 0975-1459.
7. Денисенко М.А., Исаева А.С. Интегральный микромеханический туннельный акселерометр на основе управляемой самоорганизации
механически напряженных полупроводниковых слоев. Известия ЮФУ. Технические науки. - 2018. № 2(196). С. 25 - 33.
8. Prinz V.Ya. Precise semiconductor nanotubes and nanoshells fabricated on (110) and (111) Si and GaAs // Physica E. -2004. -V.23. - Pp.260-268.
9. Рындин Е.А., Приступчик Н.К. «Интегральный микромеханический туннельный акселерометр на основе напряженных слоев GaAs/InAs», Известия ЮФУ. Технические науки 01, 2009 с. 129 - 134.
10. Ломакин М.А. Особенности построения модели погрешности МЭМС-датчиков при решении навигационной задачи // Инженерный вестник Дона, 2014, №2. URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n2y2014/2398
References
1. Berkeley, S. Sensor & actuator center. 2014. URL: bsac.eecs.berkeley.edu/
2. Gurkov V.A., Beljaev M.A., Baksheeva A.G. Mikromekhanicheskie sistemy [Micromechanical systems]. Ucheb.posobie. Petrozavodsk: Iz-vo PetrGU, 2016. 171 p.
3. Guljakovich G.N., Severcev V.N., Shurchkov I.O. Inzhenernyj vestnik Dona, 2012, №2. URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n2y2012/790
4. Fraden J. Handbook of Modern Sensors. Switzerland: Springer International Publishing, 2016. 758 p.
5. Krekoten' F.V. Peterburgskij zhurnal jelektroniki. 2011, №1. Pp. 81-96.
6. Denisenko M.A., Konoplev B.G., Isaeva A.S., Lysenko I.E. J. Pharm. Sci. & Res. Vol. 9(11), 2017, P. 2155-2158. ISSN: 0975. 1459.
7. Denisenko M.A., Isaeva A.S. Izvestija JuFU. Tehnicheskie nauki. 2018. № 2(196). P. 25.
8. Prinz V.Ya. Physica E. 2004. V.23. pp.260-268.
9. Ryndin E.A., Pristupchik N.K. Izvestija JuFU. Tehnicheskie nauki 01, 2009 pp. 129- 134.
и
10. Lomakin M.A. Inzhenemyj vestnik Dona, 2014, №2. ЦКЬ: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n2y2014/2398
