Датчики микроэлектромеханических систем

Микроэлектромеханические системы (МЭМС) – совокупность электрических и механических элементов, выполненных в микроисполнении на основегрупповых методов.

МЭМС включает чувствительные элементы – сенсоры, преобразующие физическую величину (ускорение, давление, температуру, усилие, перемещение и др.) в электрическую, которая предварительно обрабатывается (усиливается) микросхемой, расположенной том же устройстве, и трансформируется в выходной сигнал. Изделия МЭМС относятся к микросистемной технике (МСТ), или к технологии микросистем. Успехи в ее освоения дали мощный импульс для развития микросенсорики.

МЭМС содержит электронную схему, механические узлы и чувствительный элемент, выполненные в виде одного компонента с использованием технологических приемов, применяемых в производстве микросхем, т.е. МЭМС дополняет электронную схему датчиком и исполнительным механизмом – актюатором. Если МЭМС не содержит функции обработки сигнала, то превращается в датчик (сенсор). МЭМС может содержать не только элементы, имеющие размеры микро- и нанометров, но и элементы больших размеров (порядка миллиметров), точность изготовления которых составляет микро- и нанометры. МЭМС содержит механические конструкции – балки, спицы, мембраны, струны, кольца и др.

МЭМС используется для определения параметров движения объектов (микроакселерометры, микрогироскопы); для сбора и анализа информации на базе сенсоров давления, расхода, состава газов и жидкостей, ударов, вибраций; для создания микроактюаторов (микродвигателей, микронасосов); для изготовления микроаналитических систем. В настоящее время на базе МЭМС освоено производство более трех тысяч интегральных датчиков различного назначения. Малые размеры, очень широкая область применения, высокая надежность, приемлиемая стоимость позволяет использовать их и в механических часах, и в имплантах для человека.

Для многих МЭМС удается достичь полной технологической совместимости механической и электронной частей при использовании кремниевой технологии. Si имеет привлекательные механические свойства, такие как высокий предел прочности при растяжении, высокую усталостную прочность, высокое значение модуля Юнга, близкого к модулю Юнга стали, хорошее соотношение прочности и веса, хорошую твердость, высокое сопротивление пластической деформации (практически отсутствуют явления гистерезиса и удлинения).

Возможность МЭМС-технологии была сформулирована в 1959 г., и были изготовлены лабораторные «игрушки». Первые образцы сенсоров, изготовленных по техноло­гии объемной микромеханики, появились в конце 1960-х годов. Подложки монокристаллического кремния подвергались селективной обработке травителями для созда­ния объемных структур. Этот способ позволяет получать кон­струкции с размерами менее микрометров. В настоящее время большинство сенсоров изготавливается по технологии объемной микромеханики. С начала 1980-х годов получила развитие технология поверхностной микромеханики. По этой технологии чувствительный элемент датчика располагался в тонком слое на поверхности подложки. Преимущества этой технологии в простоте инте­грации чувствительных элементов и электронной схемы, а также в том, что на порядок уменьшаются размеры чувствительных элементов по сравнению с технологией объемной микромеханики.

Для примера рассмотрим конструкцию миниатюрного кремниевого кантилевера – рис. 8.1. Он является основным механическим элементом акселерометров, сенсоров вибраций и состоит из инерционной массы m, которая приобретает ускорение а и вызывает деформацию упругого элемента под действием силы F = ma. В области упругости смещение пропорционально ускорению. Кроме простейших кантилеверов используются и другие конструкции, напоминающие по форме гамак или крабовые ножки, а также варианты гибких подвесов.

 

Рис. 8.1. Акселерометр в форме кантилевера

 

В 1995 г. был создан кольцевой гироскоп, изготовленный по технологии поверхностной микромеханики: металлическое кольцо создано на подложке кремния р-типа с использованием осаждения и фотолитографии. Для приведения в действие и считывания отклика на подложке вокруг кольца сформированы 32 электрода (схематически показаны три на рис. 8.2.). В подложке создана электрическая схема на основе КМОП приборов для предварительного преобразования и усиления сигналов. Интегральная схема вторичного преобразователя содержит схему контроля, программируемый ЦАП для корректировки ошибок, а также эталонный источник напряжения для электростатической поляризации кольца и возбуждения колебаний. Первичные колебания под действием угловой скорости вследствие гироскопического момента (действия силы Кориолиса) вызывают вторичные колебания в направлении оси, перпендикулярной оси чувствительности и оси первичных колебаний. Микрогироскопы МЭМС работают по описанному принципу и могут иметь различные конструкции чувствительных элементов.

Основным материалом для изготовления МЭМС является Si, а также используются кварц, сапфир, керамики, SiC, стекла, пьезокерамика, слои на кремнии Si₃N₄, SiO₂ и др. Для изготовления механической части используется моно- и поликремний, структуры КНС и КНИ. Широко используются технологии сращивания подложки с другими элементами структуры.

 

 

Рис. 8.2. Датчик угловой скорости – микромеханический

гироскоп

 

Использование нанотехнологий и наноматериалов (размерами менее 100 нм) дает возможность перехода к наноэлектромеханическим системам – НЭМС, в которых могут появиться принципиально новые качества и более высокая степень интеграции. Например, перспективно применение углеродных нанотрубок в микросенсорике и в МЭМС-устройствах.

По прогнозам в 2011 г. мировой рынок МЭМС вырастет на 9,5 % и превзойдет рост рынка полупроводниковых изделий, который ожидается только на 5,1 %.

 

Контрольные вопросы

1. Что называется МЭМС-устройством?

2. Из каких элементов состоит МЭМС-устройство?

3. Перечислите преимущества датчиков МЭМС.

4. Где используются МЭМС-устройства?

5. Какие свойства кремния используются при создании на его основе МЭМС-устройств?

6. Что такое кантилевер? Где он используется?

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Основная тенденция в производстве датчиков - использование технологии микроэлектроники, снижающей себестоимость, габариты, потребляемую мощность и повышающей надежность датчиков. Это означает переход от макросенсорики к микросенсорике.

Технология микроэлектроники дает возможность создания интегрированных датчиков. Различают интеграцию «по горизонтали» и «по вертикали».

Интеграция «по вертикали» подразумевает размещение в одном кристалле чувствительного элемента, схемы усиления, преобразования и др., т.е. использование технологии МЭМС.

Интеграция «по горизонтали» заключается в создании многоэлементных и многофункциональных датчиков (датчиков нескольких физических величин), т.е. создание многосенсорных (мультисенсорных) МЭМС или combo-сенсоров.

Перспективным направлением в развитии сенсорики является разработка датчиков для медицины и клинической практики. Биосенсоры позволяют контролировать состояние организма человека при хронических заболеваниях, помогают в выборе лекарственных препаратов и видов лечения.

 

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1.Джексон Р.Г. Новейшие датчики / Р.Г.Джексон. М.: Техносфера, 2007.

2. Фрайден Дж. Современные датчики. Справочник / Дж. Фрайден. М.: Техносфера, 2006.

3. Нанотехнологии в электронике / под ред. Ю. А. Чаплыгина. М.: Техносфера, 2005.

4. Аш Ж. Датчики измерительных систем: В 2 кн. / Ж. Аш, П. Андре, Ж. Бофрон и др. Кн. 1. М.: Мир, 1992.

5. Аш Ж. Датчики измерительных систем: В 2 кн. / Ж. Аш, П. Андре, Ж. Бофрон и др. Кн. 2. М.: Мир, 1992.

6. Виглеб Г. Датчики / Г. Виглеб. М.: Мир, 1989.

7. Пасынков В.В. Полупроводниковые приборы / В.В. Пасынков, Л.К. Чиркин. СПб.: Лань, 2003.

8. Викулин И.М. Полупроводниковые датчики / И.М. Викулин. М.: Советское радио, 1975.

9. Микроэлектронные преобразователи неэлектрических величин / О.А. Агеев, В.М. Мамиконова, В.В. Петров и др. Таганрог: ТРГУ, 2000.

10. Рембеза Е.С. Датчики температуры и принципы их работы / Е.С. Рембеза, С.И. Рембеза. Воронеж: ВГТУ, 2009.

11. Рембеза Е.С. Датчики силы и давления / Е.С. Рембеза, С.И. Рембеза. Воронеж: ВГТУ, 2009.

12. Рембеза Е.С. Датчики на основе магнитных и оптических эффектов / Е.С. Рембеза, С.И. Рембеза. Воронеж: ВГТУ, 2010.