Физика полупроводниковых приборов

Введение

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1 Определение

Микроэлектромеханические системы (МЭМС) ~ интегрированные устройства или системы, рассматриваемые на микроуровне, которые объединяют в себе механические и электронные компоненты с помощью группового метода изготовления интегральных схем. МЭМС способны обнаруживать, контролировать и активизировать механические процессы для выполнения сложных функций по информатике.

4 Применение

2.1 Акселерометры

Современные инерциальные навигационные системы используют два основных принципа измерения ускорения: механический и интерферометрический; последний, хотя и считается оптическими, но принцип его работы подобен механическому - воздействие инертной массы на оптический канал. Как видно, в обоих случаях чувствительным элементом или первичным преобразователем является инертная масса, подвешенная с помощью гибких подвесов и способная смещаться под действием сил ускорения относительно устойчивого положения. Это отклонение и преобразовывается в электрический или оптический сигнал. Первые акселерометры для преобразования механической величины в электрическую использовали резистивные тензодатчики в виде подвесов инертной массы, изменяющих свое сопротивление за счет деформации. Такие устройства достаточно объемны, имеют низкую воспроизводимость характеристик, плохую устойчивость к ударным воздействиям и малую долговечность. В настоящее время наилучшими потребительскими характеристиками обладают пьезоэлектрические акселерометры (рис. 4), в которых деформация кристаллической структуры под действием силы ускорения приводит к генерации электрического заряда, и акселерометры на основе емкостного преобразователя. Последний представляет из себя конденсатор переменной емкости, состоящий из неподвижного электрода и подвижной инертной массы, отклонение которой под действием силы ускорения вызывает изменение емкости (рис. 5). Преимущество емкостного принципа преобразования заключается в том, что емкость как электростатический элемент может работать не только как датчик, но и как привод. Применительно к акселерометру это означает следующее: емкостной акселерометр можно превратить в вибрационный гироскоп-акселерометр, для измерения ускорения и углового перемещения. Принцип работы такого гироскопа основан на тех же законах механики, что и классического гироскопа с вращающимся ротором. Отличие заключается только в том, что вращающийся с постоянной скоростью ротор заменяется на инертную массу, совершающую вынужденные колебания с постоянной частотой и амплитудой. Перемещение приводит к изменению частоты и амплитуды колебаний, регистрируемых емкостным преобразователем.

Микромеханические емкостные акселерометры изготавливаются по ЫСА- и ЕРАВ- технологии.

 

Рис. 4. Пьезоэлектрический акселерометр

Рис. 5. Емкостной акселерометр в процессе изготовления

4.2 Микрогироскопы на основе многослойных структур кремния и стекла

Микромеханические системы, изготовленные с использованием достижений полупроводниковой технологии, имеют большие перспективы для  различных областей применения и  существенные резервы в снижении издержек на их производство. Возможности прецизионной обработки материалов, групповая технология формирования приборов, совмещение (или близкое взаимное расположение) механической и электрических частей прибора, а также разнообразие технологических процессов являются неоспоримыми достоинствами использования достижений микроэлектроники при изготовлении микроэлектромеханических элементов и систем.

Существует огромное число различных  вариантов организации механических систем, опирающихся на известные (ранее широко применяемые) и новые решения, учитывающие специфику используемых материалов и процессов. Одним из интереснейших направлений разработки микроэлектромеханических систем (МЭМС) являются микродвигатели и микроколебательные системы -акселерометры и гироскопы. Кремний, как самый популярный полупроводниковый материал, имеет массу достоинств и неоспоримые преимущества перед многими другими материалами, используемыми для изготовления на их основе микромеханических устройств.

Микроколебательные системы, основанные на гироскопическом эффекте, имеют широкие перспективы применения в системах ориентации в пространстве. К достоинствам микрогироскопов колебательного типа (МГКТ) можно отнести следующее:

• возможность микроминиатюризации; методы интегральной технологии позволяют изготовить микромеханическую колебательную систему гироскопа с габаритными размерами 5-10 мм (и менее) при точности изготовления 1-2 мкм;
• возможность совместного изготовления микромеханической части гироскопа и электронной схемы обработки сигналов в едином технологическом цикле;
• приемлемую точность определения угловых скоростей и ускорений;
• оценки показывают, что случайная составляющая собственного ухода МГКТ может составлять до 1 угл. град/ч. Максимальная измеряемая угловая скорость 200 угл. град/с при погрешности измерения 0,05%.

Существует значительное число конструкций МГКТ. Все они  содержат несколько подвижных механических систем, которые могут колебаться во взаимно перпендикулярных плоскостях. Колебания в одной плоскости являются вынужденными. Наведенные колебания в другой плоскости появляются тогда, когда микрогироскоп поворачивается.

Рис.1.5. Структурная схема  МГКТ

Структурная схема МГКТ представлена на рис. 1.5. Она содержит внутреннюю колебательную систему (ВКС) 1 и внешнюю рамку (ВР) 2. Между собой ВКС и ВР соединены с помощью упругих торсионов 3. Внешняя рамка соединена с неподвижным основанием посредством аналогичных упругих торсионов 4. Внешняя рамка и внутренняя колебательная система электрически соединены между собой и подключены к нулевой шине. ВКС может совершать вынужденные колебания относительно оси Х под действием генератора гармонических колебаний 5 и системы обкладок 6, которые совместно с ВКС образуют плоский конденсатор. В случае вращения системы вокруг оси Z внешняя рамка будет совершать колебания относительно оси Y, амплитуда которых является функцией угловой скорости О и частоты колебаний ВКС. Информация об угловой скорости снимается с помощью системы обкладок 7 (образующих с внешней рамкой плоский конденсатор) и устройства обработки информации 8.

Анализ предложенной структурной схемы показывает, что  она технологически реализуема, однако при изготовлении устройства проблемными  вопросами являются следующие:

• способ создания микрообъема, получение полированных поверхностей вытравливаемых элементов, форма поперечного сечения торсионов, обеспечивающих упругие колебания, и получение необходимых размеров элементов;
• способ возбуждения вынужденных колебаний;

• способ снятия сигнала, являющийся функцией угловой скорости.
• обеспечение одинаковой собственной частоты колебаний во взаимно перпендикулярных плоскостях;
• групповая сборка элементов конструкции микрогироскопа.

Способ создания элементов  устройства (механических и электронных  плат колебательной системы, рамок и торсионов, обеспечивающих упругие колебания) определяется технологией изготовления. Получение высокого рельефа при травлении достигается благодаря использованию химического анизотропного или плазмохимического травления.

Сочетание различных методов травления позволяет формировать торсионы, имеющие в сечении треугольную, трапециевидную, х-образную и прямоугольную формы, а также может обеспечить получение гладкой (полированной) поверхности вытравливаемых элементов, что является необходимым, поскольку сказывается на добротности колебательной системы.

Проведенные расчеты  для торсионов различной формы  показали, что модуль кручения для  торсиона треугольной формы имеет  максимальное значение. Использование трапецеидального и прямоугольного сечения уменьшает модуль кручения на 6,7% и 13,3% соответственно. Наименьшее значение модуля кручения имеет торсион круглой формы. В расчетах использованы значения параметров торсионов, изготовленных из кремния длиной l_t=50 мкм, высотой a=50 мкм, модуль сдвига составил G_Si=55 ГПа.

Следует отметить, что  при химическом травлении технологически наиболее легко реализовать торсионы трапецеидальной и треугольной  формы, что связано с кристаллографической ориентацией плоскостей подложки кремния. Получить идеально круглое сечение торсиона очень сложно, однако использование изотропных травителей позволяет достичь округления острых углов при неизбежном растраве других участков поверхностей. Изготовление торсионов с вертикальными стенками (прямоугольной формой в разрезе) требует применения специальных методов, например, реактивно-ионное травление.

Для возбуждения колебаний  и снятия информации об угловой скорости целесообразно использовать конденсаторы типа металл-диэлектрик-полупроводник. При этом все подвижные части микроколебательной системы необходимо подключить к нулевой шине. Это означает, что материал колебательных систем должен быть проводящим. Как видно из рис. 1, подключение к нулевой шине внутренней колебательной системы и внешней рамки обеспечивается через торсионы.

Недостатком такого способа  возбуждения колебаний и снятия полезной информации является необходимость  в прецизионном изготовлении зазора в МДП конденсаторах. В большинстве  случаев это достигается методами прецизионного травления и посадки изготовленных микроколебательных систем в специальные посадочные места.

Обеспечение одинаковой собственной частоты колебаний  внутренней системы и внешней  рамки необходимо для эффективной  работы МГКТ. Уравнение собственной частоты колебаний следующее:

,                 (1)

где m и l_k - масса и длина колебательной системы соответственно, f_k – модуль кручения.

Анализ выражения (1) с учетом технологических возможностей показывает, что одним из наиболее эффективных способов подстройки собственных частот колебаний внутренней колебательной системы и внешней рамки является изменение длины торсиона и/или массы системы.

Как уже было отмечено ранее, основными недостатками МГКТ, таких как, например, конструкции  приборов компании Charles Stark/Draper Lab., Inc., является прецизионная посадка микроколебательной системы в специально изготовленное посадочное место. При этом точность посадки должна составлять 0,5-1 мкм, так как от этого зависит чувствительность устройства к угловой скорости. Избежать прецизионной посадки можно формированием колебательной системы на многослойных структурах (типа структур КНИ), имеющих строго определенную толщину монокристаллического кремния и промежуточного слоя диэлектрика (SiO₂ или многокомпонентного стекла) на специальном основании. Технология получения подобных структур включает операции прецизионной химико-механической обработки пластин кремния, формирование рельефа методами травления (обычно жидкостного анизотропного и/или плазмохимического), наращивание вспомогательных и конструкционных слоев, сращивание кремниевых пластин. Повторные операции химико-механической обработки, травления и наращивания позволяют формировать необходимую многослойную структуру.

Основными принципами проектирования и изготовления МГКТ из кремния являются следующие:

• прибор должен быть изготовлен с использованием интегральной кремниевой технологии;
• конструкция прибора должна обеспечивать простоту выполнения и расчетную точность функционирования;
• зазоры между элементами колебательной системы обеспечиваются методами селективного травления материалов с различными свойствами или методами плазмохимического травления;
• габаритные размеры механических элементов прибора определяются на основании расчета колебательной системы и ограничиваются технологическими возможностями производства.

Конструкция МГКТ представлена на рис. 1.6.

Рис. 1.6. Конструкция МГКТ  

 

Ее основу составляет колебательная система в виде центральной рамки, прикрепленной  двумя торсионами к внешней рамке, которая, в свою очередь, прикреплена торсионами (расположенными перпендикулярно к направлению торсионов центральной рамки) к основанию. Генерация и измерение параметров колебаний осуществляется с помощью емкостной схемы, расположенной на несущей подложке [8].

4.3 ЛИНЕЙНЫЕ ПРИВОДЫ

Линейным  называется привод, выполняющий работу за счет линейного перемещения исполнительного устройства. Принцип работы такого привода основан на перемещении элементов конструкции привода под действием электростатических или электромагнитных сил. Линейные приводы используются для высокоточного прямого позиционирования объектов с субмикронной точностью, управления клапанами, в реле и для точного измерения перемещения (если это электростатический привод).

Пожалуй, наиболее известной и используемой конструкцией электростатического линейного привода является гребенчатый привод, получивший название из за своего вида (рис. 6). Гребенчатый привод состоит из двух электродов: одного подвижного, другого неподвижного - закрепленного на основании. Поскольку усилие, создаваемое приводом, пропорционально площади электродов, то очевидным и самым простым решением явилось увеличение площади электродов за счет встречно направленных, частично перекрывающихся штырей. Приложенное к электродам напряжение вызывает их взаимное перемещение.

Электромагнитный  линейный привод, по сути, ничем не отличается от обыкновенного электромагнита и состоит из неподвижного сердечника с обмоткой и подвижной части - якоря, предназначенного для создания и передачи механи ческого усилия (рис. 7). Сердечни и якорь в микроэлектромагнитны приводах изготавливаются из никеля ил пермаллоя.