CC BY
6Рис.1. Электрическая схема установки для исследования параметров образцов преобразователей магнитного поля на основе магнитотранзистора 3КБМТБК в составе микросистемы мехатронного устройства (Е1ШТ = 9 В; Кн = 213 кОм; Яж = 1,4 кОм; /потр = 8 мА; В = 10-5—0,15 Тл; Э - эмиттер; К1, К2 - коллекторы; ЯБК - сопротивление нагрузкиколлекторов и смещения базы и кармана; иК1, UK2 - напряжение на коллекторах
ного поля. К выводам кристалла 3КБМТБК подключаются источники питания через сопротивления нагрузки коллекторов и смещения кармана совместно с базой (рис.1).
Методика исследования основана на контроле параметров макета микросистемы мехатронного устройства с использованием магнитотранзисторных преобразователей на эталонной рабочей станции для прецизионной калибровки датчиков вибрации модели 9155 фирмы TMS. Комплектация вибровозбудителями различных типов обеспечивает широкий частотный (0,1 Гц - 50 кГц) и амплитудный (0,1 - 10000 g) диапазон. Модель 9155 имеет низкочастотный (0,1 - 200 Гц) и высокочастотный (2 Гц - 50 кГц) вибростенды. Станция позволяет проводить поиск резонансов до 50 кГц и проверять линейность.
В состав рабочего места, кроме рабочей станции, входят приборы, с помощью которых задается рабочий режим магнитотранзистора и контролируется выходной сигнал
на его коллекторах: источники питания постоянного тока Agilent Е3612А и Agilent E3632A, четырехканальный цифровой осциллограф с памятью Tektronix TPS 2024B, цифровой прецизионный мультиметр Tektronix DMM 4050 6-1/2.
Образец макета микросистемы крепится на столике высокочастотного вибростенда (рис. 2), что позволяет обеспечивать многократное жесткое сцепление образцов со столиком вибростенда. Величина индукции В магнитного поля микромагнита составляет 0,15 Тл. При перемещении микромагнита на консоли в месте расположения магнитотран-
Рис.2. Образец макета микросистемы мехатронного устройства с использованием магнитотранзисторных преобразователей на рабочем столике станции модели 9155
зистора магнитная индукция может изменяться в диапазоне 10-5-0,15 Тл.
На образец, закрепленный на калибровочном вибростенде TMS 9155D, с помощью программного обеспечения компьютера задаются колебания. Исследуются амплитудно-частотные характеристики колебаний консоли, и с помощью осциллограммы, которая фиксируется методом фоторегистрации, находится резонансная частота микросистемы (рис.3). При этом контролируется выходной сигнал напряжения на коллекторах UK1 и Uo, а также их разность UK1 - Uo.
Для определения резонансных частот и форм колебаний конструкции анализ свободных механических колебаний (или модальный анализ) консоли проводился в программном комплексе без учета динамических нагрузок при следующих допущениях:
- форма свободных колебаний вычисляется в относительных единицах и не позволяет определить абсолютные смещения;
- принимается линейное упругое поведение материалов;
- используется теория малых деформаций;
- не учитываются эффекты демпфирования. В расчете используются следующие размеры концентратора механических напряжений консоли: толщина 97 мкм, длина 306 мкм. Результатом проведенного модального анализа являются собственные формы колебаний консоли (рис.4 и 5) и значения собственных частот колебаний консоли и, Гц: 1012,1; 10012; 10981; 17003; 70167.
Рис.3. Осциллограмма амплитудно-частотных характеристик макета МЭММС мехатронного устройства (резонансная частота консоли ^ = 1020 Гц)
Рис. 4. Структура консоли
Рис.5. Собственная форма колебания консоли на первой резонансной частоте
В процессе исследования выбран вариант конструкции макета МЭММС мехатрон-ного устройства с расположением плоской стороны магнита над областью кристалла с магнитотранзистором при фиксированном с помощью прокладки расстоянии от кристалла. При этом обеспечивается максимальная чувствительность магнитотранзистора к магнитному полю микромагнита. Взаимное расположение микромагнита, консоли и магнитотранзистора на монтажной печатной плате показано на рис.6. Выбор расположения осуществлялся с учетом распределения магнитного поля в плоских микромагнитах. Таким образом удается получить максимальный сигнал (изменение напряжения на коллекторах) при перемещении балки с магнитом.
Рис. 6. Схема перемещения микромагнита на консоли относительно магнитотранзистора и изменения магнитной индукции В
При перемещении микромагнита на расстояние I изменяется магнитное поле около магнитотранзистора (см. рис.6). Изменение разности напряжений на коллекторах маг-нитотранзистора соответствует изменениям магнитного поля при механических перемещениях микромагнита, закрепленного на консоли.
При измерении частота колебаний столика вибростенда устанавливалась в соответствии с частотой собственных колебаний консоли с микромагнитом. На осциллограмме рис.3 амплитуда выходного сигнала магнитотранзистора в виде напряжения на коллекторах 1 и 2 составляет соответственно +32 и -32 мВ, между коллекторами 64 мВ. Микроперемещения при вибрации платы передаются консоли и микромагниту. Изменение магнитного поля, воздействующего на магнитотранзистор, фиксируется по выходному сигналу и позволяет определить микроперемещения и вибрации. По сравнению с наиболее часто применяемым емкостным методом контроля перемещений при магнитном методе преобразования увеличиваются допустимые пределы амплитуды перемещений без возникновения эффекта залипания.
В табл. 1 приведены значения параметров, полученных при настройке макета на максимальную чувствительность при размещении консоли с магнитом над магнитот-ранзистором с использованием прокладки толщиной 0,1 мм. Оптимальное положение балочного акселерометра с магнитом над магнитотранзистором выбирается из условия максимального значения АУК - АГн.
В табл.2 приведены значения параметров, полученных при исследовании макетов на вибростенде. Здесь среднее значение резонансной частоты колебаний мехатронного устройства иср = 1101 Гц, расчетная резонансная частота консоли ир = 1012 Гц.
Таблица 1
Результаты измерений параметров магнитотранзистора при размещении консоли с магнитом над кристаллом 3КБМТБК
Номер ли/, * Т- т ** лик , f/вх , Uki, UK2,
образца мВ мВ В В В
1 77 599 11,803 2,057 2,180
2 105 146 11,553 2,050 2,110
3 181 281 11,803 2,201 2,020
4 776 146 11,614 2,051 2,040
5 102 1216 11,711 2,106 2,040
6 131 1430 11,672 2,057 2,180
7 191 271 12,012 2,290 2,089
*лин - начальный разбаланс напряжений на коллекторах;
**лиК - разбаланс напряжений на коллекторах после закрепления над магнитотранзистором балочного акселерометра с постоянным магнитом;
***ивх - входное напряжение, которое подбирается из условия иК1= ПК2~ 2 В.
Таблица 2
Результаты измерений параметров макетов мехатронного устройства с магнитотранзисторным преобразователем на вибростенде
Номер образца Резонансная частота и, Гц Амплитуда л ф Л , усл. ед. ЛЦпик" мВ ипик К1 ипик К2, мВ
1 1200 2,8 15 9,6
2 1270 0,5 11,2 7,20
3 1265 0,5 14 9,6
4 960 0,1 14 8
5 940 1 52 28
6 1020 1 64 32
7 1055 1 28 14
*Л - амплитуда колебаний, задаваемая при помощи калибровочного вибростенда TMS 9155D;
**липик - разность между пиками осциллограмм изменений напряжений коллекторов 1 и 2 (см. рис.4);
*"ипикки - разность между минимумами и максимумами осциллограммы напряжений на коллекторах 1 и 2 (см. рис.3).
Из табл.2 видно, что макеты микросистемы мехатронного устройства с магнитотранзисторными преобразователями, расположенными при сборке в положении, обеспечивающем максимальное значение разности напряжений между коллекторами магнитотранзистора, показывают размах изменения выходного сигнала при вибрации более 10 мВ. Максимально достигнутое значение составляет 64 мВ.
Исследования макета микросистемы мехатронного устройства с использованием магнитотранзисторного преобразования магнитного поля показали, что экспериментальные результаты по частоте колебаний в резонансе находятся в соответствии с расчетными значениями. Установлено, что с помощью магнитотранзисторного датчика удается контролировать микромеханические перемещения МЭММС.
Возможна реализации микросистем мехатронного устройства с использованием магнитотранзисторного преобразования в интегральном исполнении с заданными параметрами. Реализация МЭММС-датчика микроперемещений с магнитным полем предложена в [6].
Магниточувствительные элементы - магнитотранзисторы располагаются в магни-топроводе так, как показано на рис.7, чтобы действующее изменение магнитного поля в месте расположения элемента соответствовало их диапазону чувствительности. Перемещение кристалла в пространстве вследствие приложения к нему силы приводит к перемещению относительно своего первоначального положения консоли, играющей роль инерционной массы. Величина такого перемещения консоли пропорциональна приложенной силе. Происходит смещение магнитопровода, расположенного на конце консоли около зазора, и магнитопровода, расположенного на кристалле с другой стороны от зазора. При этом изменяется фактическая величина зазора в магнитопроводе и уменьшается магнитный поток. Начальное значение магнитной индукции изменяется и принимает другое значение. Магнитотранзистор фиксирует изменение магнитной индукции в виде разности потенциалов между выходами 1 и 2. Механическое перемещение преобразуется в электрический сигнал.
Рис. 7. Топология МЭММС-датчика микроперемещений с поперечным расположением магнитопровода на консоли: 1 - кремниевая подложка; 2 - инерциальный элемент - консоль; 3 - микромагнит; 4 - магнитопровод; 5 - зазор в магнитопроводе; 6 - магнитотранзи-стор; 7 - алюминиевая разводка; 8 - контактная площадка «Е^»; 9 - контактная площадка «Выход 1»; 10 - контактная площадка «Выход 2»; 11 - контактная площадка «Земля»
Использование магнитного считывания с подвижных объектов имеет преимущество перед широко распространенным емкостным и тензорезистивным считыванием по диапазону измеряемых перемещений, чувствительности и отсутствию эффекта залипания.
Проведенные исследования макета микросистемы мехатронного устройства с кремниевой консолью, микромагнитом и магнитотранзисторным преобразователем показали, что разработанная конструкция позволяет контролировать микроперемещения по изменению магнитного поля на резонансных частотах консоли с микромагнитом. Предложенная
МЭММС-структура дает возможность получать магнитный сигнал о перемещениях и вибрации в мехатронных системах и может быть реализована в интегральном исполнении.
Работа выполнена с использованием оборудования ЦКП «Функциональный контроль и диагностика микро- и наносистемной техники» НПК «Технологический центр» (г. Москва).
Литература
1. Бараночников М.Л. Микромагнитоэлектроника. - М.: ДМК Пресс, 2001. - Т1. - 544 C.
2. Rzevski G. On Conceptual Design of Intelligent Mechatronic Systems // Mechatronics. - 2003. - N 13. -Р. 1029-1044.
3. Шахнин В.А. Адаптивный интерполятор для гибких мехатронных комплексов неразрушающего контроля // Автоматизация и современные технологии. - 2009. - № 3. - С. 12-16.
4. Roumenin Ch. S. Solid State Magnetic Sensors. - Amsterdam-Lausanne-New York-Oxford-Shannon-Tokyo: Elsevier Science, 1994. - 410 p.
5. Влияние конструктивно-технологических параметров на характеристики трехколлекторного биполярного магнитотранзистора / А.В. Козлов, М.А. Королёв, А.А. Черемисинов и др. // Изв. вузов. Электроника. - 2012. - № 6 (98). - С. 43-50.
6. Микроэлектромеханический датчик микроперемещений с магнитным полем / С.А. Поломошнов, Р.Д. Тихонов, А.А. Черемисинов и др. // Патент России № 2012140217. 2012.
Статья поступила 22 февраля 2013 г.
Григорьев Дмитрий Михайлович - студент МИЭТ. Область научных интересов: моделирование микроэлектромеханических систем.
Завражина Анастасия Юрьевна - студентка МИЭТ. Область научных интересов: технология микроэлектромеханических систем.
Поломошнов Сергей Александрович - кандидат технических наук, старший научный сотрудник НПК «Технологический центр» (г. Москва). Область научных интересов: физика и технология элементов ИС и МЭМС.
Тихонов Роберт Дмитриевич - кандидат технических наук, старший научный сотрудник НПК «Технологический центр» (г. Москва). Область научных интересов: проектирование и исследование биполярных и КМОП-интегральных микросхем.
Черемисинов Андрей Андреевич - аспирант кафедры интегральной электроники и микросистем МИЭТ. Область научных интересов: моделирование биполярных интегральных микросистем. Email: CheremisinovAA@gmail.com
УДК 621.382
Золь-гель формирование пленок оксида цинка для сенсорных устройств
А.Н. Белов, А.Г. Борисов, С.А. Гаврилов, И.М. Гаврилин, А.А. Дронов,
М.Ю. Назаркин, Ю.В. Назаркина, О.В. Пятилова, А.В. Сыса, Т.Д. Чиликина
Национальный исследовательский университет «МИЭТ»
Представлены результаты исследования сенсорных свойств пленок оксида цинка (ZnO), полученных золь-гель методом. Показано изменение сопротивления пленок в процессе многократного термоциклирования в диапазоне температур 50 - 500 °С в условиях различной относительной влажности (7,5 - 90%) при воздействии микроконцентраций оксидов азота (NO и NO2).
Ключевые слова: оксид цинка, химический датчик, золь-гель синтез.
Для широкозонных полупроводников, к которым относятся оксиды большинства металлов, например ZnO, TiO2, SnO2,WO3 и др., при относительно невысоких температурах (T< 900 К) поверхностная электропроводность значительно превосходит объемную. Поэтому проводимость пленок этих материалов существенно зависит от процессов адсорбции и хемосорбции газов на их поверхности. Это свойство широкозонных полупроводников используется для изготовления резистивных газовых сенсоров на их основе [1-5].
Предполагается [6], что чувствительность широкозонного полупроводника к газам и парам органических соединений, присутствующих в воздухе, обусловлена наличием на его поверхности слоя хемосорбированного кислорода:
O2 газ ^ O2 адс .
Адсорбированный кислород, являясь ярко выраженным акцептором, захватывает электроны из зоны проводимости полупроводника и переходит в ионную форму:
O2 газ + e ^ O"
2 газ 2 адс
или
O2 газ + 2e ^ 2O" .
2 газ 2 адс
Для полупроводников и-типа это приводит к уменьшению концентрации носителей в зоне проводимости и соответствующему увеличению сопротивления. Для полупроводников ^-типа концентрация носителей увеличивается, а сопротивление уменьшается. Если в воздухе присутствует газ, являющийся акцептором или донором электронов (например, озон, диоксид азота или аммиак) и способный адсорбироваться на поверхности полупроводника, то наблюдается соответствующее изменение сопротивления полупроводника.
© А.Н. Белов, А.Г. Борисов, С.А. Гаврилов, И.М. Гаврилин, А.А. Дронов, М.Ю. Назаркин, Ю.В. Назаркина, О.В. Пятилова, А.В. Сыса, Т.Д. Чиликина, 2014
