ТЕПЛОВОЙ МИКРОЭЛЕКТРОННЫЙ ДАТЧИК ПЕРЕМЕЩЕНИЙ Текст научной статьи по специальности «Физика»

УДК 681.586; 621.3.087.92

Тепловой микроэлектронный датчик перемещений

Д.ВЛоктев, Г.А.Красулин, Д.В.Зиновьев

Московский государственный институт электронной техники (технический университет)

Задача бесконтактного измерения макроперемещений точностью 10-100 нм актуальна во многих отраслях техники. В аппаратной реализации и принципе работы микроэлектронного измерителя одним из самых простых остается тепловой способ. В этом случае измеряемым параметром является функция величины тепловых потерь на расстоянии между нагревателем и измеряемым объектом. Разработаны опытные образцы приборов на этом принципе: устройства компьютерной памяти [1], измерители линейных перемещений [2] и другие. В числе недостатков отмечены следующие: большая инерционность, зависимость от влияния внешних конвективных потоков, всегда присутствующих при работе устройств.

Существенное улучшение характеристик теплового измерителя перемещений возможно при использовании в качестве источника тепла и термодатчика точечного микронагревателя. Разработанная авторами конструкция прибора обладает следующими достоинствами: малой инерционностью, высокой термочувствительностью, конвективной устойчивостью. Эти свойства являются следствием обнаруженного резкого увеличения коэффициентов переноса в газе при уменьшении размеров нагревателя до 500 и менее длин свободного пробега молекул в окружающей микронагреватель-терморезистор среде. Этот «кнудсеновский» тепловой и газодинамический режим работы характеризуется частичным упорядочением движения молекул в ближайшей к микронагревателю области, что приводит к улучшению метрологических характеристик тепловых микроприборов. Трудности конструирования тепловых микроприборов осложняются тем, что применение для практических расчетов известных формул теории подобия оказывается некорректным из-за нарушения основных постулатов: континуальности среды и независимости параметров среды от размеров исследуемого объекта.

Вполне возможным оказывается применение аналитических методов при условии замены коэффициентов переноса на функции этих величин от размеров микронагревателя. В этом случае формула Фурье для объектов с шаровой стенкой вполне корректно описывает результаты измерения тепловых полей в различных газах [3]. С уточненными коэффициентами переноса проведено математи-0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 ческое моделирование конструкции методом Перемещение, мкм конечных элементов и изготовлена экспери-

Рис.1. Зависимость выходного сигнала от измеряемого ментальная установка измерения микропере-расстояния между датчиком и объектом мещений. На рис.1 приведен график зависи-

мости выходного сигнала микронагревателя-терморезистора от расстояния до измеряемого объекта. При шаге «оцифровки сигнала» ±0,1 мВ точность измерения микроперемещений составляет ±20 нм. На практике способ реализован в приборе для измерения остаточного давления, известном под общим названием баратрон. В качестве чувствительного элемента, используемого для измерения абсолютного давления, применяется тонкая мембрана, к которой с одной стороны подводится калиброванное давление, а с другой - давление, измеряемое в рабочей камере. Перемещение мембраны, измеряемое в таких приборах с помощью емкостного датчика, служит показателем давления в рабочей камере.

т

3,4 3,3 3,2 3,1

3 «

Б 3,

4 2,9

I 2,§ & 2,7

О 2,6 2,5

© Д.В.Локтев, Г.А.Красулин, Д.В.Зиновьев, 2010

Краткие сообщения

Основное достоинство баратрона - отсутствие контакта между измеряемой средой и датчиком и, следовательно, высокая стабильность показаний. Вместе с тем сложность реализации такого прибора обусловливает его высокую стоимость, доходящую до 2-3 тыс. долл. На рис.2 представлен тепловой датчик перемещений. Датчик закрепляется на неподвижное основание. Mассивная рамка жестко крепится к тонкой мембране, которая с другой стороны герметично соединяется с рабочим объемом камеры. Перемещение массивной рамки относительно датчика является сигналом изменения давления в камере. Получены следующие метрологические характеристики на различных диапазонах измерений остаточного давления: от 1Q1325 до 1QQQQ Па - ±100 Па; от 1QQQQ до 1QQQ Па - ±iü Па. Tаким образом, экспериментальный образец прибора не уступает по характеристикам выпускаемым на данный момент подобного класса приборам.

Литература

1. A Vibration Resistant Nanopositioner for Mobile Parallel-Probe Storage Applications / M.A.Lantz, H.E.Rothuizen, U.Drechsler // J. Microelectromech. Syst. - 2GG7. - Vol. i6. - N i. - P. i3G-i39.

2. A Micromechanical Thermal Displacement Sensor with Nanometer Resolution / M.A.Lantz, G.K.Binnig, M.Despont, U.Drechsler // Nanotechnology. - 2GG5. - i6, iG89-iG94.

3. D.V. Zinoviev, V.M. Andreev, K.A. Tuzovsky, D.V. Loktev Investigation of microobjects heat transfer // Second international conference on transport phenomena in micro and nanodevices. Il Ciocco hotel and conference center (Barga, Italy. ii-i5 June 2GG6). - 2GG6. - P. 53.

Поступило 15 января 2йЮ г.

Локтев Дмитрий Викторович - аспирант кафедры материалов и процессов твердотельной электроники (MПTЭ) MH3T. Область научных интересов: вакуумная техника, датчики, MЭMС.

Красулин Георгий Александрович - кандидат технических наук, старший научный сотрудник кафедры MПTЭ MИЭT. Область научных интересов: технологии микроэлектроники, вакуумная техника, микроэлектронные датчики.

Зиновьев Дмитрий Валерьевич - кандидат технических наук, доцент кафедры MПTЭ MH3T. Область научных интересов: датчики, MЭMС, газофазная эпитаксия кремния, газодинамика. E-mail: dm_zinoviev@mail.ru

Рис.2 Баратрон с тепловым датчиком перемещения: 1 - датчик; 2 - массивная рамка; 3 - плата микропроцессорной обработки

Журнал «Известия высших учебных заведений. Электроника» включен в Российский индекс научного цитирования