Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Обзор литературных источников 16
1.1 Существующие виды МОЭМС 16
1.2 Электростатические актюаторы 18
1.3 Тепловые актюаторы 27
1.4 Применение тепловых микроактюаторов 32
1.5 Моделирование тепловых микроактюаторов на основе линейного расширения 36
1.6 Моделирование тепловых актюаторов на основе многослойных балок 39
1.7 Выводы по главе 41
1.8 Постановка задач диссертационной работы 41
ГЛАВА 2. Моделирование теплового микроактюатора 43
2.1 Разработка общей конструкции теплового микроактюатора на основе биморфной структуры 43
2.2 Модель расчета стрелы прогиба биморфной балки в зависимости от температуры 46
2.3 Модель распределения перегрева по длине балки микроактюатора 53
2.4 Расчет динамических характеристик теплового микроактюатора 60
2.6 Выводы по главе 2 65
ГЛАВА 3. Разработка конструкции и технологии изготовления опытных образцов тепловых микроактюаторов и микрозеркальных элементов на их основе 67
3.1 Разработка базовой конструкции теплового микроактюатора 67
3.2 Разработка конструкции микрозеркального элемента на основе предложенного теплового микроактюатора 71
3.3 Разработка технологического маршрута изготовления теплового микроактюатора и микрозеркального элемента 76
3.4 Выводы по главе 3 88
ГЛАВА 4. Экспериментальное исследование опытных образцов тепловых микрозеркальных элементов 89
4.1 Исследование исходной стрелы прогиба ТМА в условиях отсутствия внешнего воздействия 89
4.2 Исследование распределения температуры по длине тепловыделяющей балки ТМА
4.2.1 Исследование зависимости электрического сопротивления ТМА от температуры в условиях отсутствия внешнего воздействия 95
4.2.2 Исследование изменения электрического сопротивления ТМА в зависимости от управляющего воздействия 100
4.3 Расчет и исследование времени нагрева и охлаждения активных элементов ТМА 112
Выводы по Главе 4 118
ГЛАВА 5. Анализ погрешностей и разработка алгоритма проектирования ТМА 120
5.1 Анализ и оценка погрешностей проведенных измерений 120
5.2 Алгоритм проектирования ТМА 125
Выводы по Главе 5 128
Основные результаты и выводы 130
Список используемых источников 132
- Моделирование тепловых микроактюаторов на основе линейного расширения
- Модель распределения перегрева по длине балки микроактюатора
- Разработка технологического маршрута изготовления теплового микроактюатора и микрозеркального элемента
- Исследование зависимости электрического сопротивления ТМА от температуры в условиях отсутствия внешнего воздействия
Моделирование тепловых микроактюаторов на основе линейного расширения
Электростатический принцип актюации позволяет получить высокую скорость срабатывания при относительно небольшом перемещении и вырабатываемом усилии. В соответствии с законом Кулона, электростатическая сила притяжения между двумя зарядами обратно пропорциональна расстоянию между зарядами. Для макрообъектов в обычном случае этой силой можно пренебречь. Однако в микромире у устройств обычно крайне малые зазоры, что позволяет электростатической силе притяжения стать одной из главных сил для приведения в движение объектов. Одним из преимуществ такого типа актюации является крайне низкая потребляемая мощность устройств. С другой стороны, необходимо создавать большие напряжения между движущимися частями, что осложняет задачу их проектирования.
В своей простейшей форме электростатический актюатор состоит из движущейся пластины или балки, притягиваемой к параллельному электроду, расположенному под движущейся частью при приложении напряжения. Схема данного актюатора представлена на Рисунке 1.1. Движущийся электрод подвешен на механическом подвесе, который обычно представляет собой микромеханическую балку. Когда прикладывается напряжение к электродам, различные заряды на электродах начинают притягиваться. Однако, пока не произошло соединение, электроды расходуют энергию только на накопление заряда, что приводит к крайне низкому потреблению энергии. Сила притяжения тем больше, чем ближе находятся электроды друг к другу (обратно пропорциональна квадрату расстояния между электродами) [47]. Рисунок 1.1 – Принцип действия электростатического актюатора
Однако эта зависимость приводит к тому, что такие актюаторы страдают от нестабильности при напряжениях выше критического. В этом случае сила притяжения значительно возрастает, и превышает механическую возвратную силу, что приводит к схлопыванию электродов. В случае если электроды специально не защищены от такого схлопывания слоями диэлектрика или защитными механизмами, то это приводит к негативным последствиям вроде расплавления электродов из-за внезапного протекания тока между ними. Для систем с линейным подвесом, критическое напряжение устанавливается как напряжение, при котором подвижный электрод проходит треть расстояния зазора между электродами. Такие актюаторы не могут стабильно работать с напряжениями выше критического. Однако для исправления этого недостатка используются различные конструкции подвесов, вроде закрепленных балок, имеющих нелинейные характеристики [48].
В качестве устройства, использующего электростатический принцип актюации, рассмотрим DLP-микрозеркальную матрицу Texas Instruments [49]. Общий вид микрозеркальной матрицы DLP представлен на Рисунке 1.2. Рисунок 1.2 – Микрозеркальная матрица DLP разработки Texas Instruments [50] Микрозеркальная матрица представляет собой массив микрозеркальных элементов разрешением от 608x684 до 1920х1080 отдельных элементов (Рисунок 1.3). Размеры элементов варьируются от 16 до 11мкм в зависимости от модели устройства. Угол поворота зеркал ±12 [50-51]. а) поверхность микрозеркальной матрицы; б) внешний вид микропривода под зеркальным элементом; в) элементы микроприводов зеркал; г) крупный план единичного привода микрозеркала;
Зеркало установлено на сравнительно массивной площадке, которая прикреплена к более тонкой и более гибкой, чем прочие детали системы, полоске – подвесу – натянутой между опорами. В двух других углах основания, не занятых опорами, расположены электроды, которые за счет кулоновской силы могут притягивать один из краев зеркала. Таким образом, зеркало может наклоняться в одну и в другую сторонку на 12 градусов. Конструкция микрозеркала не подразумевает удержание определенного угла наклона, только одно из трех заданных положений: крайнее левое, крайнее правое и центральное (сброс) (Рисунок 1.5).
Достоинствами конструкции микрозеркал DLP является их надежность, высокая скорость работы. Среди недостатков нужно отметить относительно небольшой угол поворота (12 градусов), отсутствие возможности плавно устанавливать угол поворота (зеркало работает по принципу «включено-включено»), высокую технологическую сложность процесса изготовления, который требует проведения ряда операций субмикронной точности, а также использования полимерных материалов и повышенные требования против брака.
Модель распределения перегрева по длине балки микроактюатора
Как было установлено в ходе первой главы, максимальный угол отклонения микрозеркала может обеспечить только тепловой микроактюатор (ТМА). Известна конструкция полиимид-кремниевых микроактюаторов с V-образными канавками, состоящая из плоских параллельных кремниевых элементов, адгезионно связанных между собой слоем полиимида, и функционирующая на термомеханическом биморфном и шарнирном эффектах [66]. Данная конструкция обеспечивает высокую мощность, однако имеет существенные ограничения по габаритным размерам, а также сложный технологический процесс изготовления, включающий в себя вытравливание в кремниевой подложке канавок, заполнение их полиимидом и последующее освобождение структуры. В связи с этим предлагается разработать конструкцию ТМА, лишенную данных недостатков, простую в изготовлении и с хорошими эксплуатационными характеристиками.
Также одной из наиболее распространенных конструкций таких микроактюаторов является биморфная структура [55], [85-86]. Биморфная структура состоит из двух соединенных между собой слоев отличных друг от друга материалов, имеющих разные ТКЛР. В исходном положении балка неактивна (Рисунок 2.1,а). При нагреве балки происходит линейное тепловое расширение составляющих е материалов, что, благодаря жесткому их закреплению друг с другом, вызывает изгиб структуры (Рисунок 2.1,б) с радиусом искривления /3. Этот изгиб может быть использован для совершения полезной работы [87-89]. а) балка в исходном положении без нагрева; б) балка в искривленном положении при нагреве; – радиус искривления, – стрела прогиба.
В настоящее время широко распространено компьютерное моделирование средствами программ конечно-элементного моделирования, типа ANSYS или SOLIDWORKS [90-95]. Конечно элементное моделирование является мощным инструментом, позволяющим численно подтверждать или же опровергать теоретические выкладки практически во всех областях науки: от физики до биологии. Безусловно, важной составляющей является и математическое моделирование процессов, но язык формул и предикатов довольно сложно сделать наглядным и простым для восприятия широкого круга исследователей, поэтому использование метода конечных элементов в этом смысле является более предпочтительным. Множество программных комплексов, разработанных для конечно-элементного моделирования всевозможных процессов можно условно разделить на два класса: это узкоспециализированные программные пакеты, предназначенные для решения задач в определенной области, и комплексы с возможностью подключения различных модулей, способные справиться с широким кругом проблем в совершенно разных областях. Выбирая тот или иной продукт, следует помнить, что математическое моделирование исследуемого объекта или явления во многом определяет и конкретизирует основные задачи, которые будут ставиться перед программным комплексом, поэтому, имея на руках законченную математическую модель, подобрать программу для работы будет гораздо проще. Конечно-элементное моделирование способно дать как качественную, так и количественную картину процессов и явлений, причем сделать это наглядно и, что самое главное, быстро. Но при работе с конечными элементами не стоит забывать, что такой подход оправдывает себя лишь в комплексе с математическим моделированием и практическими экспериментами, в противном случае полностью полагаться только на результаты конечно-элементного моделирования нельзя.
Для разработки топологии и определения геометрических размеров элементов, а также оптимальных технологических параметров при изготовлении микроактюатора необходима разработка математических моделей, по которым будет возможно определять выходные параметры разрабатываемых устройств. Такие модели должны включать в себя: - модель для определения исходной стрелы прогиба, образующейся при изготовлении микроактюатора; - модель статических характеристик, определяющая зависимость стрелы прогиба актюатора от количества подводимого тепла; - модель динамических характеристик, позволяющую определить временные характеристики, такие как время нагрева и время охлаждения, а также максимальную частоту работы; - электрофизическую модель, определяющую зависимость изменения внутреннего сопротивления микрозеркала от количества подводимого тепла.
С помощью данных моделей будет возможно создавать МЭМС и МОЭМС-устройства на основе тепловых микроактюаторов с заданными техническими характеристиками без необходимости создания экспериментальных образцов.
Первоочередной задачей при проектировании теплового микроактюатора является определение исходной стрелы прогиба, образующейся при высвобождении балки актюатора. Стрела прогиба определяет максимально возможный ход актюатора и напрямую влияет на его технические характеристики.
Искривление микроактюатора происходит благодаря различным коэффициентам теплового линейного расширения составляющих актюатор материалов. Процесс формирования балки актюатора завершается операцией вжигания [96-98], предназначенной для оптимизации свойств контактов «алюминий-кремний» и повышения их линейности. Данная операция приводилась при температуре Тотжига = 440С. Таким образом, при температуре окружающей среды t0=20С разница температур At составит 420С, которая и будет определять изгиб балки. В отсутствии внешнего нагрева, благодаря изменению температуры окружающей среды происходит изменение температуры структуры, которое, в свою очередь, вызывает деформацию биморфной балки актюатора с радиусом искривления /?. В результате точки поверхности актюатора, перемещаясь в пространстве, приводят к повороту структуры (см Рисунок 2.1,б). Проведем анализ значения стрелы прогиба теплового микроактюатора в предположении независимости величины перегрева At от места локализации точки актюатора [99-100]. Перегревом в данном случае будем считать разницу между температурой актюатора Тотжига и исходной температурой окружающей среды t0, равной 20 С.
Известно [101], что основным фактором, вызывающим перемещение рабочего конца актюатора, является величина перегрева точек биморфной балки. Следовательно, необходимо определить распределение температуры по объему балки и связь между этим распределением и деформацией (искривлением) биморфной структуры балки. Определение величины деформации построим на предположении линейной зависимости изгибающих напряжений от толщины слоя поперечного сечения балки. Предполагаем также, что температурный коэффициент линейного расширения второго слоя у2 больше ТКЛР первого слоя ь т.е. имеет место соотношение у2 У\
Разработка технологического маршрута изготовления теплового микроактюатора и микрозеркального элемента
Как было установлено в ходе предыдущих исследований, тепловой микроактюатор позволяет обеспечить максимальный угол поворота и прилагаемое усилие. В связи с этим за основу для конструкции предлагаемого микрозеркального элемента предложено взять именно тепловой микроактюатор [55], [85-86]. Необходимо отметить, что существует также конструкция полиимид-кремниевых микроактюаторов с V-образными канавками, состоящая из плоских параллельных кремниевых элементов, адгезионно связанных между собой слоем полиимида, и функционирующая на термомеханическом биморфном и шарнирном эффектах [66-67]. Данная конструкция обеспечивает высокую мощность, однако имеет существенные ограничения по габаритным размерам, а также сложный технологический процесс изготовления, включающий в себя вытравливание в кремниевой подложке канавок, заполнение их полиимидом и последующее освобождение структуры. В связи с этим предлагается разработать конструкцию теплового микроактюатора, лишенную данных ограничений, простую в изготовлении и с хорошими эксплуатационными характеристиками, моделирование которой проведено во второй главе диссертационной работы.
Из (2.9) следует, что для обеспечения большой стрелы прогиба теплового микроактюатора необходима большая разница между ТКЛР составляющих его материалов. Также материалы должны обеспечивать хорошую адгезию для соединения между собой, обеспечивать хорошую упругость и гибкость без ощутимой деградации свойств после большого количества изгибов. Также, ввиду того что термоактюатор будет изготавливаться с применением технологий МЭМС, его нанесение или формирование должно обеспечиваться с помощью операций, применяемых в микроэлектронике. Это позволит упростить технологию его производства и снизить конечную стоимость изделий.
В таблице 3.1 представлены характеристики наиболее часто используемых в микроэлектронике материалов [106], [110-111]. Таблица 3.1 – Характеристики материалов, применяемых в микроэлектронике Материал ТКЛР, у, К"1 Модуль Юнга, Е, ГПа Температура формирования, C Si При 10-50C: 4,15-10"b При 25С: 2,410-6; При 150С: 3,610-6 109 400 - 1200 Ge 6,110"b 83 400 - 1200 Si02 7-Ю"6 70 800 - 1200 Al 24,58-10"6 70 150 - 180 A1203 5,4 10 b 370-380 Si3N4 3,4-10"6 298 1200 - 1500 Cu 16,6-10"6 110 150 Au 15,9-10"b 79 150 Полиимид ПОЮ"6 9 До 350 (включая сушку) Исходя из приведенных в таблице 3.1 характеристик, наиболее подходящими материалами для использования в создании биморфной структуры микроактюатора представляются SiO2 и Al. Среди преимуществ SiO2 можно выделить: -сравнительно низкий ТКЛР; -высокая технологичность и простота получения; -сравнительно низкий модуль Юнга; -возможность использования в качестве изоляции для создания полупроводниковых схем управления работой микроактюатора и для изоляции при многоуровневой металлизации. Среди преимуществ Al можно выделить: -сравнительно высокий ТКЛР; -высокая технологичность и простота нанесения; -сравнительно низкий модуль Юнга; -формирование в одном технологическом процессе как второй половины структуры актюатора, так и, например, зеркальной поверхности пластины, контактных площадок актюатора и металлизированной электрической разводки.
В случае использования Al и SiO2 для создания биморфной структуры микроактюатора возможно добиться оптимизации технологического процесса изготовления и использования стандартного технологического оборудования для изготовления и контроля параметров. Si3N4 по сравнению с SiO2 имеет меньшую гибкость, что может привести к снижению подвижности актюатора, а также к возможным дефектам и деформациям. Использование полиимида позволяет добиться большего изгиба аткюатора по сравнению с использованием SiO2, однако полиимид обладает рядом недостатков: -полиимид имеет сравнительно низкую температуру плавления по сравнению с SiO2 (порядка 250С) [112]; -для нанесения полиимида требуется специальное технологическое оборудование; -у полиимидов существует усадка геометрических размеров, что приводит к технологическим проблемам при формировании тонких структур микронных размеров; -полиимид гигроскопичен, что повышает требования к защищенности конечного устройства от внешних воздействий. В качестве нагревательного элемента целесообразным представляется использование высокоомных резисторов. Их формирование может быть осуществлено с помощью поликристаллического кремния. Нелегированные пленки поликристаллического кремния могут давать удельное сопротивление 10 Ом/квадрат, но номиналы сформированных на их основе резисторов обычно невоспроизводимы. Удельное сопротивление таких пленок можно уменьшить легированием, однако оно в сильной степени зависит от уровня их легирования и размера зерна. Таким образом, резисторы из поликремния пригодны только для схем, где допустим высокий разброс сопротивлений.
Температурный коэффициент поликристаллических резисторов довольно высок, и в отличие от ионно-легированных резисторов и может быть отрицательным. Резисторы на основе пленок поликристаллического кремния позволяют получать высокоомные нагрузки на очень малой площади (по сравнению с резисторами, получаемыми ионной имплантацией). Эти резисторы технологически очень удобны для схем с поликремниевыми электродами транзисторов.
Исследование зависимости электрического сопротивления ТМА от температуры в условиях отсутствия внешнего воздействия
Зная распределение температуры по длине микрозеркального элемента можно рассчитать эффективную температуру TЭФФ нагревательного элемента ТМА и его электрическое сопротивление, которое может быть измерено экспериментально. Совпадение между рассчитанным таким образом значением сопротивления и его экспериментальным значением будет служить доказательством адекватности проведенных расчетов. На Рисунке 4.12 приведено сопоставление результатов расчета и экспериментального исследования [107].
Из рисунка 4.12 следует, что значения сопротивления, полученные из расчета, не совпадают с экспериментальными значениями. Можно предположить, что это связано с наличием у изготовленного микрозеркального элемента ребер жесткости, обеспечивающих поперечную устойчивость (Рисунки 3.2 – 3.4). Данные ребра не содержат встроенного нагревательного элемента и отводят выделяемое ТМА тепло в окружающую среду при помощи конвекции. Это должно быть учтено в модели распределения температуры по длине тепловыделяющей балки ТМА.
Результаты расчета температуры по длине микрозеркальных элементов с учетом охлаждения через ребра в сравнении с результатами расчета без ребер, также соответствующие им значения электрического сопротивления приведены в Таблице 4.4. Температура окружающей среды принималась равной 20 С.
Графики на Рисунках 4.16 – 4.18 позволяют сравнить результаты теоретических расчетов, выполненных по предложенным моделям без учета поперечных ребер, с учетом ребер и с экспериментальными исследованиями.
Зависимости на Рисунках 4.16 - 4.18 показывают, что характер роста сопротивления от температуры для расчета по модели с учетом охлаждения через ребра ближе к экспериментальному исследованию, чем расчет без учета влияния ребер. Для подтверждения этого на Рисунках 4.19 - 4.21 приведены графики относительного роста сопротивления R/R0 для обоих расчетов и их сравнение с экспериментом.
Проверка адекватности расчетов с помощью значений R/R0 показывает хорошую адекватность предложенной модели распределения температуры по длине тепловыделяющей балки ТМА при условии учета влияния геометрии структуры. Различие около 8% между экспериментальными данными и результатами расчета может быть объяснено использованием табличных, а не реальных значений физических констант в расчете, погрешностью средств измерений и использовавшегося при изготовлении опытных образцов технологического оборудования.
Однако для экспериментальной проверки адекватности полученных значений быстродействия ТМА необходим метод прямого измерения времени нагрева и охлаждения, что трудноосуществимо без соответствующего материально-технического обеспечения. В связи с этим предлагается воспользоваться особенностью структуры ТМА и измерить время нагрева и охлаждения косвенным путем, заключающемся в измерении падения напряжения на ТМА при его нагреве и охлаждении. Экспериментальное измерение быстродействия ТМА осуществляется с помощью схемы, представленной на рисунке Рисунок 4.22.
В схеме ТМА включается последовательно с резистором R1. В цепь включается генератор напряжения U и осциллограф V, измеряющий напряжение на ТМА. Генератор выдает прямоугольный импульс с уровнями U1 и U2 (Рисунок 4.23).
Рост и уменьшение сопротивления ТМА приведет к тому, что напряжение на ТМА будет возрастать и падать одновременно с этим. Этот процесс можно зафиксировать с помощью осциллографа, подключенного параллельно ТМА в схеме (Рисунок 4.22). В момент, когда значение напряжения U возрастает до U2, напряжение на ТМА становится равным Uз 1. Одновременно с тем, как происходит нагрев ТМА, его сопротивление возрастает и становится равным Uз2, после чего рост прекращается. Время, которое для этого требуется, и будет искомым временем нагрева тн . Аналогично происходит измерение времени охлаждения: в момент, когда на источнике напряжение становится равным U2, ТМА начинает остывать
Изготовленные образцы микрозеркальных элементов на ТМА были протестированы вышеуказанным способом с помощью генератора Tektronix AFG 3021 и осциллографа Tektronix TPS 2014. Результаты измерений времени нагрева и охлаждения ТМА микрозеркальных элементов трех типономиналов, а также их сравнение с результатами теоретического расчета, выполненные в относительных единицах, приведены на Рисунках 4.24 и 4.25. В ходе измерения максимальное напряжение составляло 5В, минимальное – 0,25В.