CC BY
37
УДК 697.1
Кудрявцева Д.А., Бергазов И.Р.
ОАО НИИ физических измерений, Пенза, Россия
СРАВНЕНИЕ МЕТОДОВ ИЗМЕРЕНИЯ ОБЪЕМА И МАССЫ ГАЗОВ НА ОСНОВЕ ПОВЕРХНОСТНОГО МЕХАНИЧЕСКОГО НАПРЯЖЕНИЯ
На сегодняшний день одним из передовых направлений науки и техники является применение нанотехнологий в различных областях промышленности, в частности в измерительной технике. Нано- и микросистемы являются частью информационно-управляющих систем, которые выполняют функции сбора информации и принятия решений [1, 2].
Одной из важных проблем является сложность измерения объема и массы газов в различных условиях эксплуатации. Методы, позволяющие решить данные проблемы, представлены в статье, а именно: оптический метод считывания данных, тензорезистивный метод.
Широкое применение в микроэлектронике нашли наномеханические сенсоры для измерения объема и массы. По способу детектирования сенсоры могут работать в статическом и динамическом режиме. В динамическом режиме фиксируется изменение резонансной частоты кантилевера в результате увеличения его эффективной массы или изменения упругих свойств. В статическом режиме наличие детектируемого вещества определяется по отклонению кантилевера [1-3] .
На рисунке 1 представлена принципиальная схема устройства кантилевера. После отражения от кантилевера луч лазера падает на зеркало, и только затем на фотодиод.
Лазер
Фотодиод
Кантилевер
Рисунок 1 - Принципиальная схема устройства кантилевера
Поверхностное натяжение о вызывает смещение конца кантилевера на величину Az няется закон Стоуни:
при этом выпол-
Az
3 ■ (1 - V) ■ L2 E ■ t2
(1)
где L и t - соответственно длина и толщина кантилевера, E - модуль упругости материала, из которого он изготовлен, v - коэффициент Пуассона. Согласно формуле Стоуни (1), величина отклонения кантилевера, а значит и чувствительность обратно пропорциональны модулю Юнга материала кантилевера. Установлено, что чувствительнее будет кантилевер, сделанный из материала с меньшим модулем Юнга. Недостатками данного метода является использование громоздких и сложных периферийных устройств с оптическим считыванием. Особенно важным является точность измерения отклонения кантилевера. Она характеризуется уровнем тепловых шумов самого кантилевера, а также шумами оптической системы.
Величина шумов оптической системы определяется в основном качеством лазера. Шумы оптической системы появляются в связи с использованием лазера в качестве измерителя положения кантилевера. Лазер может быть нестабилен по мощности. Интенсивность излучения лазера может слегка отклоняться от среднего, номинального значения. Так как чаще всего нецентральная часть лазерного пучка отражается от кантилевера и, следовательно, попадает на фотодиод, то нестабильность может привести к изменению сигнала, несущего информацию об изгибе. Например, если часть пятна, попадающая на верхнюю половину фотодиода, находится ближе к центру гауссовского распределения интенсивности в пучке чем нижняя, то при небольшом увеличении мощности суммарная интенсивность на верхней половине фотодиода увеличится сильнее, чем на нижней. Это приведёт к увеличению сигнала, несущего информацию об изгибе, и, как следствие, ложному срабатыванию обратной связи.
Шум также может возникать в результате флуктуаций оси лазерного луча. Отклонение оси луча приводит к отклонению отражённого пятна на фотодиоде. При этом отклонение оси луча на 50 мкрад равносильно перемещению кантилевера с длинной балки 1 мм на ~20 нм по вертикали.
Одним из более перспективных решений перечисленных проблем является тензорезистивный метод [35], однако тензорезистивные кантилеверы широко не примененялись для сенсорной обработки в связи с их низкой чувствительностью по сравнению с кантилеверами с оптическим считыванием данных. Существуют конструктивные решения, позволяющие устранить вышеуказанные недостатки и улучшить чувствительность сенсора. Примером таких конструктивных решений является мембранный сенсор поверхностного напряжения (МСПН), состоящий из «адсорбируемой мембраны», поддерживаемой четырьмя перемычками, на которых интегрированы тензорезисторы (рисунок 2) [4].
Рисунок 2 — Конструкция МСПН
На основе анализа различных конструкций наномеханических сенсоров [3] были предложены следующие варианты изменения структуры МСПН, позволяющие повысить чувствительность:
Более тонкая чувствительная балка с уменьшенными геометрическими размерами;
Более тонкие пассивирующие слои на тензорезисторах;
Тензорезисторы с более низким уровнем легирования;
Расположение тензорезисторов в зонах максимальной чувствительности.
Для количественного подтверждения каждого из вышеуказанных вариантов проведен анализ по методу конечных элементов с использованием COMSOL Multiphysics 3.5. Были установлены следующие модули Юнга и коэффициенты Пуассона: Si [170 ГПа, 0.28], SiO2 [70 ГПа, 0.17], и Si3N4 [250 ГПа, 0.23].
С помощью анализа по методу конечных элементов выявлено, что напряжение, прикладываемое к перемычкам, возрастает практически линейно при уменьшении толщины мембраны и перемычек.
Далее рассмотрим одну из наиболее важных технологий, применяемых в устройствах на тензорези-сторах - пассивацию. Она позволяет предотвращать электрические утечки в различных, особенно в жидких, средах. Между качеством защиты и чувствительностью имеется обратная связь: более толстый пассивирующий слой обеспечивает более качественную защиту, а более тонкие слои повышают гибкость, что приводит к повышенной чувствительности тензорезистора. Благодаря использованию тонкой пленки нитрида кремния (Si3N4), полученной химическим осаждением паров при низком давлении (LPCVD), удалось обеспечить высокое качество защиты без ущерба для чувствительности [5] . Анализ по методу конечных элементов чипов МСПН, покрытых толстым (SiO2 650 нм + Si3N4 100 нм) и тонким (SiO2 80 нм + Si3N4 80 нм) пассивирующими слоями, позволил установить, что более тонкий пассивирующий слой SiO2 улучшает чувствительность примерно на 40 %.
Установлено, что тензорезисторы, расположенные вблизи поверхности, подвержены большему напряжению и соответственно большей чувствительности. В данном исследовании тензорезисторы с помощью легирования бором сформированы на глубине 300 нм от поверхности каждой балки в чипе. Необходимо отметить, что ионная имплантация обеспечивает более низкий уровень легирования, так как показатель коэффициента тензочувствительности возрастает с уменьшением концентрации [6]. Тензорезисторы, полученные с помощью ионной имплантации в МСПН, должны увеличить свою суммарную чувствительность :
V = V&_( 4R. _ НА 'I
4 [ R R R R )’
где Vb — напряжение смещения, прикладываемое к мосту. МСПН спроектирован так, как показано на рисунке 3, где тензоэлементы расположены в зонах наилучшей чувствительности. Металлизация заменяется сильно легированными областями, которые просто дают электрическое соединение тензорезисторов. Данное конструктивное изменение улучшает чувствительность примерно на 30 %.
Рисунок 3 - Тензорезисторы на перемычках Ri и R2 в чипе МСПН
Поскольку МСПН измеряет поверхностное напряжение под воздействием зависящих от объема сил отталкивания адсорбированных молекул анализируемого объекта, он способен обнаруживать почти любые виды молекул в различных условиях, включая жидкие, газовые, и вакуумные среды. Сравнительный анализ оптического и тензорезистивного методов измерения параметров газов показывает, что тензорези-стивный преобразователь типа МСПН обладает более высокой чувствительностью по сравнению со стандартными тензорезистивными сенсорами и не требует громоздких, и сложных устройств обработки информации, характерных для оптических методов измерений, что подтверждает перспективность его применения для измерения объема и массы газов.
ЛИТЕРАТУРА
1. Козин С.А., Федулов А.В., Пауткин В.Е., Баринов И.Н. Микроэлектронные датчики физических величин на основе МЭМС-технологий // Компоненты и технологии. - 2010. - №1. - С. 24-27.
2. Баринов И.Н., Волков В.С., Баринов Н.И. Датчики давления на основе резонансного преобразователя с повышенной временной стабильностью метрологических и эксплуатационных характеристик // Датчики и системы. - 2012. - №10. - С. 6-9.
3. Волков В. С., Баринов И. Н Полупроводниковые датчики давления на основе резонансного преобразователя // Приборы. - 2012. - №7. - С. 9-13.
4. Genki Yoshikawa; Terunobu Akiyama.Two Dimensional Array of Piezoresistive Nanomechanical Membrane-Type Surface Stress Sensor(MSS) with Improved Sensitivity. Sensors. 2012 - С. 32-39.
5. Gimzewski, J.K.; Gerber, C.; Meyer, E.; Schlittler, R.R. Observation of a chemical-reaction using a micromechanical sensor. Chem. Phys. Lett. 1994 - С. 589-594.
6. Mukhopadhyay, R.; Sumbayev, V.V. Cantilever sensor for nanomechanical detection of specific protein conformations. Nano Lett.2005 - С. 238-239.
