CC BY
539
УДК 531.383 Китаева А.В.
ФГУП ФНПЦ «ПО «Старт» им М.В. Проценко», Заречный, Россия
ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ МИКРОЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ ДАТЧИКОВ
Перспективы современного приборостроения связаны с созданием приборов, обладающих малыми массой, габаритными размерами, энергопотреблением и себестоимостью при безусловном выполнении целевой функции с заданной точностью и надежностью. Более 50 лет назад начались научно-технические разработки в области миниатюрных датчиков на базе кремния - основного материала микроэлектроники. В последнее время перечень материалов значительно расширился, но основным остается все же кремний. Единство материала и технологии микроэлектроники позволяет создавать миниатюрные конструкции на одном кристалле, объединяющем чувствительные элементы, преобразующие и электронные компоненты, которые принято называть микроэлектромеханическими системами (МЭМС). МЭМС - это система не только конструкций, но и технологических процессов, используемых для создания миниатюрных устройств. МЭМС определяет одно из перспективных направлений развития приборостроения 21 века, которое влечет за собой коренное изменение примышленных изделий с широким диапазоном применения [1-5] .
Особенно динамично развиваются в настоящее время микромеханические измерительные приборы - акселерометры, датчики давления и гироскопы [б].
Датчики давления - первые микромеханические приборы, которые начали выпускаться промышленно [7] .
Акселерометры и гироскопы относятся к классу инерциальных датчиков, область применения которых очень широка: от мобильных телефонов и планшетных компьютеров (одна из задач - обеспечение поворота дисплея) до интегрированных со спутниковыми навигационными системами малогабаритных бесплатформенных инерциальных навигационных систем, обеспечивающих определение параметров ориентации и координат подвижных летательных, наземных, надводных и подводных объектов.
В микромеханических приборах элементы как конструктивные единицы, аналогичные используемым в макроприборостроении, из которых может быть собран прибор, отсутствуют. Микромеханический прибор представляет собой набор микроструктур, объединяющих механические и электрические компоненты, изготавливаемые обычно по единой технологии. Укрупнённо элементную базу микромеханического прибора можно разделить на упругие подвесы, преобразователи и электронные средства [8].
Упругие подвесы в микромеханических акселерометрах и гироскопах обеспечивают подвес инерционных масс с необходимым числом степеней свободы и кинематикой. Упругие элементы микродатчиков давления - мембраны воспринимают измеряемое давление.
Преобразователи - это устройства, которые преобразуют одну форму энергии в другую. Устройства, преобразующие изменение измеряемых механических величин (перемещение, деформация, сила) в изменение параметров их чувствительных элементов (емкостной, пьезорезистивный и др.) можно называть преобразователями перемещений, деформаций, силы, или прямыми преобразователями, что является общим термином по отношению к датчикам перемещений, силы.
Устройства, преобразующие какой-либо вид энергии (электрическую, тепловую, магнитную) в механическое перемещение или силу, называют преобразователями или датчиками силы (момента). Их также называют как актюаторами. Эти устройства имеют общий термин - обратные преобразователи.
Преобразователи и упругие элементы обычно образуют единые микроструктуры. Электронные средства служат для выработки сигналов, содержащих информацию об измеряемых физических величинах и для формирования управляющих сигналов в обратных преобразователях.
Прямые преобразователи подразделяются на:
- емкостные преобразователи перемещений;
- преобразователи перемещений на МДП-транзисторе;
- магниторезистивные преобразователи перемещений;
- оптоэлектронные преобразователи перемещений;
- тензорезистивные преобразователи деформаций;
- преобразователи деформаций на поверхностно-акустических волнах;
- преобразователи деформаций на струне.
Обратные преобразователи (актюаторы) подразделяются на:
- электростатические преобразователи;
- магнитоэлектрические преобразователи;
- электромагнитные преобразователи.
Прямые преобразователи
В настоящее время в инерциальных приборах наиболее распространены емкостные прямые преобразователи.
Работа емкостного преобразователя основана на изменении емкостей между подвижным электродом, располагаемом обычно на подвижном элементе прибора, и неподвижными электродами, размещенными на элементах корпуса. Для повышения чувствительности и уменьшения погрешностей обычно используется дифференциальная схема, при которой при перемещении подвижного электрода одна из емкостей, например С увеличивается, а другая С2 уменьшается и наоборот.
Емкости между соответствующими парами электродов определяются зависимостями [8]:
(1)
12
Ce@eS eqeS
і=“ “; 02 = т
h0o-kh 2 h0o+kh
где a - диэлектрическая проницаемость среды между электродами; а0 = 8,85 -10-12 Ф/м; S - пло щадь взаимного перекрытия электродов; ho - начальный зазор между электродами; Ah - изменение расстояния между электродами.
Из зависимостей (1) следует, что изменение параметров є,S,Дh приводит к изменению емкостей преобразователя. Для исключения влияния изменения площади взаимного перекрытия обычно площадь одного из электродов, обычно подвижного, должна быть меньше площади других неподвижных электродов. Исключение влияния возможного изменения параметра є обычно осуществляется в электронной схеме преобразователя или конструктивными мерами.
В емкостных преобразователях перемещений, как в любых конструкциях из разнородных материалов, значительными могут быть температурные погрешности, вызванные линейным температурным расширением элементов преобразователя. Температурные погрешности минимизируются подбором материалов с согласованными коэффициентами температурного линейного расширения и компенсируются алгоритмически в электронной схеме .
Прямой преобразователь на полевом эффекте, который конструктивно является МДП-транзистором с «оторванным» затвором, может использоваться в качестве датчика перемещений чувствительного элемента микромеханического акселерометра, датчика давления и гироскопа.
Полевой МДП-транзистор - полупроводниковый прибор, в котором ток изменяется в результате действия «перпендикулярного» току электрического поля, создаваемого напряжением на затворе. МДП -металл-диэлектрик-полупроводник.
Исток и сток транзистора располагаются на неподвижной части кристалла, а затвор - на подвижной части чувствительного элемента. При постоянном напряжении на затворе Us его проводимость изменяется в зависимости от изменения зазора ho, то есть от перемещения затвора Ah.
Крутизна характеристики преобразователя перемещений на полевых транзисторах при прочих равных параметрах в 2 раза больше, чем у емкостного преобразователя. Схема включений также проще, поскольку при этом не требуется задающего генератора и фильтра для сглаживания пульсаций выходного напряжения.
Среди других типов преобразователей перемещений можно отметить магниторезистивный и оптоэлектронный преобразователи.
В магниторезистивном преобразователе [9] сопротивление полупроводникового магниторезистора, выполненного на основе InSb c добавлением теллура и расположенного на подвижной части чувствительного элемента прибора изменяется в зависимости от изменения индукции магнитного поля, сформированного магнитным слоем.
Оптоэлектронный преобразователь перемещений [10] может быть выполнен на базе светодиода на кремневой подложке и двух фотодиодов, размещенных на одной пластине. При отражении светового потока от подвижного чувствительного элемента прибора, например маятника акселерометра, изменяется освещенность фотодиодов, то есть преобразователь работает по смещению светового потока. Возможна схема преобразователя и с перекрытием светового потока.
Работа тензорезистивного первичного преобразователя деформаций основана на изменении характеристик полупроводниковых материалов в зависимости от деформаций чувствительного элемента [7] . Влияние деформаций на сопротивление проводника связано как с изменением удельной проводимости его материала, так и с изменением длины и площади его поперечного сечения. В проводниках влияние этих изменений примерно одинаково. Для полупроводников, таких как германий и кремний изменение удельной проводимости более существенно, чем изменение геометрических размеров образца.
В микромеханических приборах нашли применение тензопреобразователи двух типов: диффузионные
(имплантированные) и эпитаксиальные.
Диффузионные тензорезисторы представляют собой примеси п- или p-типа проводимости, которые в виде узких полосок внедряют (имплантируют) в приповерхностный слой кристалла через вскрытие окна в оксиде.
Эпитаксиальные тензорезисторы изготавливают выращиванием на поверхности кристалла пленки и нанесения на неё с помощью фотолитографии рисунка дорожек тензорезисторов, за контуром которого остальную часть эпитаксиального слоя удаляют.
Чувствительность тензорезисторов зависит от их кристаллографического направления и определяется тензорезистивными коэффициентами. Анизотропия материала, в который имплантируется тензорези-стор, также влияет на его чувствительность.
Первичные преобразователи деформаций на поверхностно-акустических волнах (ПАВ) - перспективное направление развития микромеханических датчиков.
Преобразователь на ПАВ [12] представляет собой слой или пленку с пьезоэлектрическими свойствами (пьезокварц, нитрид алюминия, оксид цинка), нанесенные на подготовленную поверхность подложки, изготовленной из материала с малыми механическими потерями (кремний, стекло, керамика) . По темпе -ратурному коэффициенту линейного расширения хорошо согласуются кремневая подложка и пленка из оксида цинка.
Подложка может быть частью чувствительного элемента, например акселерометра или датчика давления. С помощью встречно-штыревых электродов на поверхности пьезоэлектрической пленки возбуждаются электрические колебания. На концы пластины наносят металлические слои для устранения влияния отраженных от краев пластины волн. Шаг решетки выбирают равным длине возбуждаемой волны, а длину рабочего поля - кратной шагу решетки.
Для возбуждения ПАВ используют прямой и обратный пьезоэффекты. Возбуждение ПАВ-структур осуществляется по методу автогенератора.
При деформации подложки изменяется шаг решетки, а следовательно и частота, то есть изменение частоты линейно зависит от деформации чувствительного элемента прибора.
Струнный преобразователь представляет собой упругую балку, изготовленную на основе кремния p-типа с эпитаксиальными слоями на базе кремния n-типа. Струны имеют вид полосок, защемленных по краям. Упругая балка может быть частью чувствительного элемента, например маятникового акселерометра. В недеформированном состоянии сила натяжения струны вполне определенная и постоянная, а при изгибных колебаниях балки сила натяжения изменяется.
Струна, выполненная из проводящего материала, является подвижным электродом, размещенным между неподвижными электродами конденсаторов. Автоколебания струны возбуждаются электростатическим генератором, который подает опорное напряжение поочередно на электроды конденсаторов. Управляется генератор по сигналам с преобразователя перемещений, включающего в свой состав электроды дополнительных конденсаторов.
Резонансные частоты основной формы колебаний определяются зависимостью [13]:
где п - номер гармоники; l - длина струны, р- плотность материала струна; S - площадь поперечного сечения струны, То - сила натяжения струны в недеформированном состоянии, АТ - изменение натяжения струны.
В соответствии с выражением (2) при деформировании упругого элемента и изменении натяжения струны изменяется резонансная частота ее колебаний. Обработка частотных сигналов выполняется известными аппаратными средствами [14].
Обратные преобразователи (актюаторы)
Электростатические преобразователи преобразуют электрическую энергию в электростатическое силовое взаимодействие неподвижного электрода с подвижным электродом, например размещенным на маят-
(2)
нике или инерционной массе акселерометра. Их конструкция аналогична конструкции емкостного прямого преобразователя.
Магнитоэлектрические преобразователи также преобразуют электрическую энергию в силовое взаимодействие магнитной системы с однородным магнитным слоем и возвращающей (силовой) обмотки, выполненной обычно электроосаждением на кремневом маятнике. Магнитная система выполняется высокотемпературным напылением на подложку магнитного материала в виде нескольких слоев. Лучший материал для напыления магнитных слоев - состав Al-Ni-Co-800, а для встраиваемых дискретных магнитов - материал КС37 или КС25ДЦ [15] . Возвращающая обмотка также может быть выполнена вакуумным напылением в несколько слоёв.
Электромагнитные преобразователи основаны на принципе силового взаимодействия проводников с током (закона Ампера). Сила определяется выражением (3):
2п5 1
(3)
Где ц - относительная магнитная проницаемость материала, находящегося между проводниками; Цо= 1,257*10-5 Гн/м - магнитная постоянная; Ii, I2 - силы тока в проводниках; l - длина проводника; 5
- зазор между проводниками.
При периодическом изменении полярности управляющего напряжения возможно обеспечить колебательное движение инерционной массы, как это происходит в микромеханическом гироскопе.
Рассмотренные силовые преобразователи наиболее применяемы в микромеханических акселерометрах, гироскопах, датчиках давления.
В ближайшей перспективе возможны разработки, как новых конструктивных решений рассмотренных преобразователей, так и создание преобразователей на новых физических принципах.
ЛИТЕРАТУРА
1. Распопов В.Я. Микромеханические приборы. Тула: Гриф и К, 2004 г., 466 с.
2. Датчики: Справочное пособие / Под общ. ред. В.М. Шарапова, Е.С. Полищука. Москва: Техносфера, 2012, 624 с. ISBN 978-5-94836-316-5.
3. ВЧ МЭМС и их применение / В. Варадан, К. Виной, К. Джозе. - М.: Изд-во Техносфера, 2004. -528 с. ISBN 5-94836-030-Х.
4. Дж. Фрайден. Современные датчики: Справочник. М.: Мир, 2006, - 592 с. ISBN: 5-94836-050-4,
0-387-00750-4.
5. Новейшие датчики / Р. Г. Джексон. - М.: Изд-во Мир электроники, 2007, 384 с.Н ил. ISBN:
978-5-94836-111.
6. Датчики инерциальной информации: Учебное пособие / под ред. А.И. Черноморского. - М.: Изд-во МАИ-ПРИНТ, 2011. - 356 с.: ил. ISBN 978-5-7035-2298-1.
7. Соколов Л.В, Основы проектирования кремневыхмикроэлектромеханических интегральных тензопре-образователей давления и микросистем с профилированной трехмерной мембранной структурой: Научное издание. - Жуковский: Изд-во Петит, 2009, - 170 с.: ил. ISBN 978-5-85101-091-0.
8. Распопов В.Я. Микромеханические приборы: учебное пособие. - М.: Машиностроение, 2007. - 400 с.: с ил.
9. Аш Ж. и др. Датчики измерительных систем: пер. с франц./ под ред.А.С. Обухова. М.: Мир,
1992. Кн.1 480 с.
10. Ваганов В.И. Интегральные тензопреобразователи. М.: Энергоатомиздат, 1983, 136 с.
11. Лысенко И.Е. Проектирование сенсорных и актюаторных элементов микросистемной техники: Учебное пособие. - Таганрог: Изд-во ТРТУ, 2005, - 103 с. ISBN 5-8327-0231-Х.
12. Бугаев А.С., Дмитриев В.Ф., Кулаков С.В. Устройства на поверхностных акустических волнах:
учебное пособие / А.С. Бугаев, В.Ф. Дмитриев, С.В. Кулаков. - Спб.: ГУАП, 2009, - 188 с.: ил.
ISBN 978-5-8088-0449-4.
13. Эткин Л. Г. Виброчастотные датчики. Теория и практика. /Л.Г. Эткин. - М.: Изд-во МГТУ им.
Н.Э. Баумана, 2004, - 408 с. ISBN 5-7038-2329-3.
14. Частотные преобразователи для датчиков давления на основе нано- и микроэлектромеханических
систем: монография / В.А. Васильев, Н.В. Громков, А.Н. Головяшкин, С.А. Москолев; под ред.
д.т.н., проф. В.А. Васильева. - Пенза: Изд-во ПГУ. - 130 с. ISBN 978-5-94170-390-6.
15. ГОСТ 21559-76. Материалы магнитотвердые спеченные. Марки. - М.: Изд-во стандартов.
