Микроэлектромеханические системы (МЭМС)

Размещено на http://www.allbest.ru/

Санкт-Петербургский Государственный Политехнический Университет

Институт Прикладной математики и механики

Кафедра теоретической механики

Курсовая работа

по теме: Микроэлектромеханические системы (МЭМС)

Выполнил:

Суранов Ян Сергеевич

Введение

МикроЭлектроМеханические Системы или сокращенно МЭМС - это множество микроустройств самых разнообразных конструкций и назначения, производимых сходными методами с использованием модифицированных групповых технологических приемов микроэлектроники. Объединяет их два признака. Первый - это размер, второй - наличие движущихся частей и предназначение к механическим действиям. В мире они известны под аббревиатурой MEMS - MicroElectroMechanical Systems.

Микроэлектромеханические системы получаются путем комбинирования механических элементов, датчиков и электроники на общем кремниевом основании посредством технологий микропроизводства. Все элементы могут быть реализованы в виде единого изделия, причем сразу десятками или сотнями, как микросхемы на кремниевой пластине. В основе этого лежит апробированная традиционная технология производства полупроводниковых интегральных микросхем.

1.1 Микроактюаторы

Микроактюатор (составная часть МЭМС) - это устройство, которое преобразовывает энергию в управляемое движение. Микроактюаторы имеют размеры от нескольких квадратных микрометров до одного квадратного сантиметра. Диапазон применения микроактюаторов чрезвычайно широк и различен, и он постоянно возрастает. Они используются в робототехнике, в управляющих устройствах, в космической области, в биомедицине, дозиметрии, в измерительных приборах, в технологии развлечения, автомобилестроении и в домашнем хозяйстве.

Основные используемые методы получения активации (движение, деформация, приведение в действие) в таких устройствах могут быть сведены к следующим: электростатический, магнитный, пьезоэлектрический, гидравлический и тепловой. Наиболее перспективными методами считаются пьезоэлектрический и гидравлический, хотя и другие имеют важное значение. Электростатическая активация применяется примерно в одной трети актюаторов, и, вероятно, это наиболее общий и хорошо разработанный метод, его главные недостатки это износ и слипание. Магнитные актюаторы обычно требуют относительно большой электрический ток (т.е. много энергии), также на микроскопическом уровне при использовании электростатических методов активации, получаемый выходной сигнал на относительную единицу размерности лучше, чем при использовании магнитных методов, т.е. при одном и том же размере электростатическое устройство выдаёт более хороший выходной сигнал. Тепловые актюаторы тоже потребляют относительно большое количество электрической энергии, и главный их недостаток в том, что генерируемое тепло рассеивается. В настоящее время разрабатываются микроактюаторы, основанные на эффекте памяти формы, которые могут быть минитюаризированы до субмикронных размеров.

При изготовлении и эксплуатации МЭМС встречается масса особенностей и проблем, обуславливаемых малыми размерами - например проблема сухого трения, или опасность поломки из-за сил поверхностного натяжения. Поэтому проектирование микросистем чрезвычайно важный процесс. Существует довольно много специальных программных средств, которые позволяют моделировать МЭМС устройства.

1.2 Критерии оценки микроактюаторов

Для оценки качества микроактюаторов используются следующие показатели:

Линейность определяет линейность выходного сигнала как функцию входного. Определяется как максимальная разница между опорной линейной линией и выходом актюатора.· Выражена как процент полного выхода.

Точность - насколько точно и воспроизводимо выполнена искомая активация.

Погрешность определяет разность между реальным перемещением и целевым.

Воспроизводимость - отклонение выходного сигнала по циклам работы

Гистерезис - это разница между выходным сигналом актюатора Y, когда Y получают в двух противоположных направлениях.

Пороговое значение - начиная с нулевого входного сигнала, наименьшее начальное приращение входа, которое приводит к обнаружению выходного сигнала актюатора.

Холостой ход - “мертвый” ход после смены направления ("b").

Шум - флуктуации (случайные изменения) в выходном сигнале с нулевым входом.

Дрейф - изменение выходного сигнала актюатора (с постоянным входом) в зависимости от изменения времени, температуры и т.д.

Амплитуда - полный рабочий диапазон выходного сигнала актюатора.

Чувствительность - отношение изменения выходного сигнала актюатора ДY к изменению приращения входного сигнала ДX.

Скорость - скорость, с которой изменяется выходной сигнал актюатора.

Переходная характеристика - резкое изменение выходного сигнала актюатора в ответ на ступенчатый входной сигнал.

Ранжирование - о ценка для сопоставления разных методов активации: DS= -(dз/dV), где з - выход по энергии, V - объём.

2. Изготовление МЭМС

2.1 Проектирование микросистем

Так как проектирование МЭМС почти на всех своих фазах автоматизировано, то сосредоточим своё внимание на методологиях, алгоритмах, методах описания и моделирования, используемых при автоматизированном проектировании. Всё вышеуказанное объединяется в ёмкое понятие CAE - Computer AidedEngineering. Специфические характеристики и различия между проектированием, производством и применением микросистем по сравнению с традиционными (макро) реализациями вытекают из их размеров.

Микросистемная технология непригодна для производства опытных образцов. Если схема производства для массового производства по групповой технологии нарушается, то это влечёт за собой дополнительные расходы. Поэтому производство опытного образца следует избегать настолько, насколько это возможно. Кроме высокой стоимости производства опытного образца для выполнения производственного цикла требуется очень большое количество времени. В зависимости от сложности, цикл занимает несколько дней, недель или даже полгода. За то же самое время огромное количество вариантов конструкции может быть проверено при помощи моделирования.

Проектирование включает в себя высокую ценовую ответственность за каждый следующий шаг в жизненном цикле изделия. В типичном цикле изделия:

· Планирование проекта;

· Проектирование;

· Производство;

· Сбыт;

· Сервисное обслуживание;

· Утилизация, проектирование существенно влияет на стоимость следующих шагов, хотя прямые издержки на проектирование относительно малы. Обычно издержки на проектирование это 10 % от общей стоимости, хотя оно несёт ответственность за 70-80% общей стоимости.

В отличие от традиционных систем, возможность ремонта микросистем и особенно интегральных схем очень ограничена. Таким образом, главная цель при разработке состоит в том, чтобы получить полностью функционирующую систему в первой же реализации. Хотя типичная интенсивность отказов относительно высока (около 10%), контролируемость системы также является важной задачей при проектировании.

На сегодняшний день микросистемы состоят из отдельных компонентов, таких как сенсоры и актюаторы, которые интегрированы и упакованы вместе с управляющей и вычислительной электроникой. МЭМС отличаются разнообразием применений. Для проектирования, таким образом, возникает вопрос, в какой степени отдельные этапы проектирования могут быть стандартизированы и автоматизированы. Не все шаги могут быть автоматизированы одинаково. В особенности концептуальное проектирование и разработка принципов действия, которые основаны на творческой способности разработчика и, следовательно, не могут быть стандартизированы. А творческую способность можно только в небольшой степени поддержать средой проектирования.

2.2 Изготовление МЭМС структуры с туннельным зазором

Данная глава посвящена проверке перечисленных предположений. В ней приводится способ изготовления и конструкция макета «ж?сткого» МЭМС туннельного акселерометра, который не нуждается в управлении по петле обратной связи и сохраняет туннельное расстояние при ускорениях ? 1g. Приводятся результаты измерений ВАХ туннельного зазора и с помощью теоретической модели туннельного тока с уч?том сил изображения оценивается расстояние между электродами - порядка 3 нм. Исследуется чувствительность датчика к вибрации и теоретически оценивается его резонансная частота.

Была спроектирована структура макета акселерометра. Это микромост из КНИ длиной 20 мкм, который должен быть разрезан сфокусированным ионным пучком вблизи середины, чтобы минимизировать расхождение кра?в разреза при напылении металла . Чтобы при ускорении системы края разреза смещались друг относительно друга, полученные консоли должны иметь разные резонансные частоты. Для обеспечения этого условия на консолях предусмотрены боковые выступы, расположенные на разном расстоянии от основания и играющие роль утяжелителей, которые должны понизить собственную частоту одной из консолей. Данная структура не является оптимальной с точки зрения чувствительности к ускорению и выбрана из-за простоты реализации, исходя из существующих технологических возможностей. Задача оптимизации геометрии структуры должна решаться в ходе дальнейших работ по созданию датчиков в зависимости от конкретных требований к их характеристикам.

Исследование характера токопереноса через зазор в МЭМС на основе КНИ

Вольтамперная характеристика данной структуры измерялась с помощью прибора Keithley 4200. Для исключения влияния тока утечек на результаты измерений было проведено измерение тока утечки на структуре с удаленной (сломанной) балкой. В отсутствие балки ток между контактными площадками не регистрировался на уровне 10-12 А. На рис. 1 показана ВАХ датчика в полулогарифмических осях. Эта ВАХ представляет собой характеристику туннельного промежутка между платиновыми электродами, поскольку измеряемые токи много больше 10-12 А. По наклону этой ВАХ можно оценить расстояние между электродами.

В удобных для расчета единицах плотность тока пропорциональна:

(1)

ц₀ = 5,32 эB - работа выхода электрона из платины, s - ширина зазора в ангстремах. Подставляя в эту формулу значение s = 28 Е, получим зависимость, показанную линией на рис. 1, которая достаточно хорошо описывает экспериментальную ВАХ. Следовательно, ток в зазоре имеет туннельный характер, расстояние между электродами может быть оценено как 2,8 нм.

Рис. 1. ВАХ туннельного зазора: кружки - данные измерений, линия - расчет для ширины туннельного зазора 2,8 нм.

Полученный туннельный зазор может обладать чувствительностью к вибрации за счет подвижности электродов. В целях исключения возможности получения ложного сигнала от электромагнитной наводки из цепи питания вибростенда, были проведены качественные исследования чувствительности датчика к вибрации. Производилось ударное возбуждение механических колебаний в резонаторе путем нанесения по нему ударов стальным бойком. Ток фиксировался цифровым осциллографом. Характерный вид полученного сигнала показан на рис. 1. Видно, что ряд низших мод резонатора имеют резонансные частоты 2109 Гц, 4218 Гц и 5625 Гц соответственно.

Для обеспечения механического коэффициента связи близкого к единице корпус датчика приклеивался к вибростенду. На рис. 3 показана картина сигнала, наблюдавшаяся на экране спектроанализатора. На низшей механической резонансной частоте вибростенда, равной 3,17 кГц датчик имеет порог обнаружения порядка 2,2 g/Гц1/2 (напряжение смещения U = 0,657 В).

Добротность этого резонанса Q ~ 24. Вне механических резонансов вибростенда сигнал был ниже уровня шумов. Измерения чувствительности и уровня шумов производились при помощи цифрового спектроанализатора. Измерение разрешающей способности датчика на более высоких частотах было невозможно из-за ограничения, связанного с полосой усилителя приблизительно равной 10 кГц, что много ниже резонансной частоты самого датчика - 2,5 - 2,5 МГц, поэтому измерения на одной частоте 3,17 кГц вполне достаточно.

Рис. 2. Сигнал, регистрируемый осциллографом при ударном возбуждении механического резонатора.

Рис. 3. Фурье-спектр сигнала при возбуждении вибростенда на частоте 3,17 кГц. Вставка - область спектра вблизи резонанса вибростенда.

Минимально измеримому смещению x_min соответствует минимально измеримое ускорение a_min. Поэтому:

(2)

Величина x_min для нашего датчика определяется туннельным током и системой его регистрации, а от величины инерционной массы и жесткости пружины не зависит. Провед?м мысленный эксперимент по увеличению инерциальной массы датчика, помещая на конец микроконсоли дополнительную точечную массу так, чтобы его резонансная частота стала равной f₀₁=4 кГц. Используя полученные результаты измерений 2,2 g/Гц^1/2 для f₀=2,5 МГц и формулу (2), получим разрешение 5,7Ч10^-6 g/Гц^1/2 для f₀₁=4 кГц. То есть, если уменьшить собственную частоту исследуемого МЭМС датчика до 4 кГц, то его разрешение увеличится до 5,7Ч10^-6 g/Гц^1/2. Эта оценка хорошо совпадает с разрешением туннельного датчика, равным 10^-5 g/Гц^1/2 на частоте 4 кГц. Собственная добротность МЭМС датчика при этом не учитывалась. Следовательно, исследуемый МЭМС датчик, имеет значительный потенциал улучшения разрешения при уменьшении ж?сткости.

3. Материалы для МЭМС

При создании микросистем, фактически, выделяют две группы материалов:

1. Конструкционные (стекло, монокристаллический, поликристаллический, пористый кремний, диоксид и нитрид кремния, полиимид, вольфрам, никель, медь, золото, алмазо-подобный углерод), использующиеся для формирования:

· несущих конструкций;

· токоразводки;

· смазки.

2. "Активные умные" (никель/титан, пермаллой, кварц, окись цинка, пьезокерамика, материалы группы A3 B5 , А4 В6 ), выполняющие за счет электростатических, электромеханических, пьезоэлектрических, магнитных, оптических явлений и эффекта памяти формы функции:

· источников движения;

· механизмов передачи движения;

· сенсорных и активирующих сред.

При создании микросистем различного функционального назначения на основе композиций разнородных материалов должны учитываться следующие параметры:

· кристаллохимическая совместимость;

· термомеханическая совместимость;

· тепловая стойкость (допустимая тепловая нагрузка, учитывающая температуру Дебая, точку Кюри, а для полупроводников и температуру перехода в состояние, когда концентрация собственных носителей заряда близка к примесной; способность вещества отдавать энергию в окружающую среду за счет теплопроводности, а при высоких температурах и за счет теплоизлучения);

· электрическая стойкость;

· механическая стойкость;

· механическая усталость.

Мировой опыт изготовления MEMSоснован на широком использовании кремния - дешевого и доступного материала. Однако технологий кремниевой микромеханики и обработки информации на кремнии (КМОП-схемы), недостаточно для успешного развития МЭМС. Поэтому большое значение имеют системы, в которых наряду с кремнием и другими полупроводниковыми материалами используются полимеры, керамика, металлы.

В классической микроэлектромеханике, ориентированной на базовые кремниевых микротехнологий в настоящее время господствует структура "кремний на диоксиде кремния". Учитывая тот факт, что микросистемы представляют собой сложные гетерогенные композиции, требующие сочетания совокупности разнородных материалов, и с учетом возможных особенностей их функционирования (высокие температуры, агрессивные среды, радиация), несомненный интерес в качестве базовой материаловедческой среды представляет композиция "карбид кремния на нитриде алюминия". Данная композиция сочетает в себе два широкозонных материала, один из которых - нитрид алюминия - является ярко выраженным диэлектриком (6,2 эВ) и обладает хорошими пьезоэлектрическими свойствами, а другой - карбид кремния (3,0 эВ) - широкозонный полупроводник. Оба материала оптически активны, в том числе в ультрафиолетовой области спектра, имеют высокую теплопроводность и температуру Дебая, характеризующую стойкость материала к внешним воздействиям (термическим, химическим, радиационным).

4. Технологии производства МЭМС

Для изготовления микросистем главным образом используется групповая технология. При использовании подобной технологии одновременно обрабатывается большое количество элементов, при чём ручное вмешательство либо вообще не требуется, либо оно незначительно. Например, осаждение плёнок, оптическая литография, гальваника или травление. Многие из этих технологий были развиты в полупроводниковой технологии.

Так как микросистемы имеют крошечные размеры, издержки на материалы малы, а это означает, что производственные затраты низкие, несмотря на то, что накладываются особые требования на необходимую чистоту материалов. Стоимость заводов по производству высока. Производственное оборудование требует очень высокой точности (чистое помещение, покрытие…). Кроме того, высоких издержек требуют обслуживание и контроль (например, управление производственным процессом, контроль над нанесением покрытия).

В настоящее время существует несколько базовых технологий производства МЭМС, составной частью которых, в том числе, являются микроактюаторы.

4.1 Кремниевая объёмная микрообработка

Под кремниевой объёмной микрообработкой понимают технологию глубинного объёмного травления, при чём травление может быть как жидкое химическое анизотропное, так и плазменное.

4.1.1 Сухое травление. Сухое травление - это метод силиктивного удаления не маскированных участков поверхности. Особенности процесса заключаются в том, что этот процесс можно комбинировать с технологией тонких плёнок и с технологией КМОП. Также посредством физико-химического травления контролируется профиль травления.

4.1.2 Жидкое химическое анизотропное травление. В этом процессе используется то, что разные кристаллографические направления кристалла травятся с разной скоростью (остаётся поверхность с ориентацией 111).

4.2 Кремниевая поверхностная микрообработка

Главной особенностью этой технологии является то, что она совместима с полупроводниковой технологией, для микрообработки используется КМОП технология.

4.3 LIGA технология

Технология разработана в Германии примерно 30 лет назад. Аббревиатура означает - рентгенолитография, гальваника и формовка. Сущность процесса заключается в использовании рентгеновского излучения от синхротрона для получения глубоких, с отвесными стенками топологических картин в полимерном материале. Излучение синхротрона имеет сверхмалый угол расходимости пучка. Источником излучения являются высокоэнергетические электроны (энергия Е>1ГэВ) движущиеся с релятивистскими скоростями. Глубина проникновения излучения достигает единиц миллиметров. Это обуславливает высокую эффективность экспонирования при малых временных затратах.

4.4 SIGA технология

Аббревиатура означает - ультрафиолетовая литография, гальваника и формовка. Из особенностей этого процесса можно отметить, что можно управлять шириной профиля и то, что технология совместима с технологией тонких плёнок.

4.5 Технология корпускулярно-лучевого формообразования

В настоящее время существуют два направления корпускулярно-лучевого формообразования: локально-стимулированный рост (осаждение или полимеризация) и локально-стимулированное прецизионное травление, в основе которых лежит воздействие на среду или материал концентрированного потока энергии (световые, электронные, ионные пучки) управляемого во времени и пространстве. Традиционной технологией формирования объемного рисунка в стекле, полимерах, керамике является обработка объекта остросфокусированным лазерным пучком (лазерное микрофрезирование).

4.6 Волоконная технология

Изделия из стекла с малым поперечным сечением в виде определенной микроструктуры и технология их изготовления известны достаточно давно (микроканальные пластины, рентгеношаблоны из стекловолокна, устройства волоконной оптики). Суть стекловолоконной технологии заключается в спекании пучка стеклянных волокон (полых или сплошных), различающихся избирательностью к травлению по отношению к растворителю, вытягивании этого пучка до требуемого поперечного размера, разрезании вытянутой части пучка на куски и вытравливании затем из куска растворимых волокон. Укладка волокон в пучок осуществляется таким образом, что нерастворимые волокна образуют в сечении пучка структуру (топологию) изготавливаемой микроструктуры в некотором масштабе.

5. Применение МЭМС

5.1 Сенсоры

Это целая плеяда специализированных устройств, способных воспринимать изменения в окружающем пространстве и перекодировать (трансдюсировать, преобразовывать) полученную информацию в оптические или электрические сигналы, реже в механическое движение каких-то элементов MEMS конструкций. По сложности своей сенсоры - самые простые микромашины, зачастую представляют собой просто тонкие металлические или «силиконовые» мембраны, небольшие чувствительные волоски или намагниченные запиратели. По этой причине, они первыми из всех MEMS систем перекочевали из-под бинокуляров экспериментальных лабораторий на поточные промышленные конвейеры фабрик и заводов. Их активно используют в датчиках движения, вибрации, высоты и глубины, давления, магнитодатчиках современных подрывных устройств, минах, торпедах, в детонаторах и т.д.

5.2 Актюаторы

5.2.1 Термические приводы. Микромашины, способные производить линейные или циклические движения в сотни микрон за счет термического расширения материала под действием тока, мощностью всего в несколько мВат.

5.2.2 Электромагнитные моторы. Это довольно сложные MEMS машины, преобразующие электрическую энергию во вращательное движение ротора микроэлектромотора с небольшой роторной массой и скоростью вращения порядка 150 тысяч оборотов в минуту. Диаметр ротора не превышает 140 микрон, статора с шестью лучами - 2.5 мм. Скорость вращения ротора постоянно сверяется тремя фотодиодами, размещенными на статоре. Минимальный ток, необходимый для стабильной работы двигателя равен всего 150 мА.

5.2.3 Генераторы. Созданный лабораторией Bell Labs миниатюрный электромагнитный вибратор имеет поистине пылеподобные размеры: его длина равна толщине человеческого волоса, а ширина - вдвое меньше. Осциллятор под действием внешнего электромагнитного поля может генерировать колебания с частотой 50 кГц. Компания Lucent Technologies, владелец Bell Labs, планирует применять такого рода вибраторы в MEMS переключающих устройствах - оптических коммутаторах телекоммуникационных сетей нового поколения.

5.2.4 Зеркала. Миниатюрное гексагональное зеркальце, состоящее из 127 более мелких подвижных зеркалец, интегрировано на управляющую плату. Такой вариант MEMS-зеркал был разработан авиационным институтом - Air Force Institute of Technology (AFIT) для военных нужд.

микроактюаторы микроэлектромеханический технология

5.2.5 Конверторы. Гибридная CMOS-MEMS система термического RMS-конвертера на диодах с двумя термоэлементами и контролирующей электроникой имеет размер всего в 600 на 600 микрон. Работает она довольно хитро. Входной сигнал, проходя через поликремниевый резистор, попадает на один из термоэлементов. За этим следит диод, определяя изменения в температурах во время теплового рассеивания на этом резисторе. Дальше миниатюрный сервоусилитель сравнивает температуры на двух термоэлементах, измеряя напряжения на входных диодах. Если температура разная, то он подусиливает сигнал до уровня эквивалентному разнице температур. Таким образом, происходит, как бы, балансировка напряжений на двух термоэлементах при разной температуре на них.

Выводы

MEMS-технологии могут стать уникальным, простым решением для многих прежде сложных системных задач мониторинга и управления - и это объясняется не только их вышеперечисленными преимуществами, включая простоту интегрирования миниатюрного интегрального компонента в клиентскую систему. Сегодня клиенту предлагается возможность создания собственных, уникальных комплексных решений, что стало возможным как благодаря развитию технологий производства и тестирования, так и доступности оборудования для локального создания MEMS - устройств и решений на их основе в рамках собственной технологической линии заказчика.

Концепция MEMS построена на интеграции микромеханических структур датчиков (сенсорной, измерительной части) и актюаторов (исполнительной, управляющей части) с электроникой, выполняющей функции сбора, анализа, контроля, формирования управляющих сигналов на общей подложке посредством технологий микропроизводства. Эти технологии во многом сходны с теми, что используются для производства ИС. Поэтому интегральные MEMS устройства обеспечивают высокий уровень функциональности, надёжности, низкую цену, что и предполагает столь же широкое использование MEMS- компонентов

Список литературы

1. Досовицкий Г. А.// МикроЭлектроМеханические системы//02.10.2010

2. Лацапнёв Е., Яшин К.Д.// www.micromachine.narod.ru

3. Журнал "Микросистемная техника«// www.microsystems.ru

4. Акульшин Ю.Д.//Микросистемная техника « Введение в MЭMС »

5. Дрожжин А.//MEMS: микроэлектромеханические системы//18.10.2010

6. www.russianelectronics.ru

7. www.microbot.ru

8. www.nanonewsnet.com

9. Lyshevski S.E., “NANO- AND MICROELECTROMECHANICAL SYSTEMS - Fundamentals of Nano- and Microengineering”, CRC Press

10. Вопилкин Е.А.//Туннельные и эмиссионные акселерометры на основе микроэлектромеханических систем//2012

11. Олег Сеньков//MEMS системы (или вездесущие микромашины)

Размещено на Allbest.ru

...