Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Анализ методов расчета и проектирования пьезорезистивных микроакселерометров 10
1.1. Области применения и особенности эксплуатации пьезорезистивных микроакселерометров 10
1.2. Конструктивно-технологические особенности пьезорезистивных микроакселерометров 16
1.3. Основные метрологические и механические параметры пьезорезистивных микроакселерометров 24
1.4. Методы расчета и проектирования микроакселерометров 32
1.5. Постановка цели и задач исследований 37
1.6. Выводы 38
ГЛАВА 2. Исследование механических и метрологических характеристик пьезорезистивных микроакселерометров 41
2.1. Моделирование механической системы и динамический анализ микроакселерометра 41
2.2. Расчет перемещений и деформаций чувствительного элемента консольного типа 48
2.3. Расчет основных метрологических характеристик пьезорезистивного микроакселерометра 54
2.4. Расчет ударной прочности микроакселерометра 58
2.5. Численное моделирование и оптимизация характеристик микроакселерометра 61
2.6. Выводы 69
ГЛАВА 3. Разработка и экспериментальное исследование пьезорезистивных микро акселерометров 71
3.1. Разработка конструкций пьезорезистивных микроакселерометров 71
3.2. Экспериментальные исследования механических и метрологических характеристик микроакселерометров балочного типа 77
3.3. Исследование демпфирующих характеристик микроакселерометров 81
3.4. Исследование температурных характеристик микроакселерометров 91
3.5. Исследования метрологических характеристик микроакселерометров рамочного типа 97
3.6. Выводы 101
ГЛАВА 4. Методики проектного расчета и разработка опытных образцов микроакселерометров 103
4.1. Методика расчета механических и метрологических характеристик пьезорезистивных микроакселерометров 103
4.2. Методика оптимизации параметров инерционной массы пьезорезистивных микроакселерометров 105
4.3. Методика выбора параметров жидкостного демпфера 107
4.4. Разработка опытных образцов пьезорезистивных микроакселерометров 109
4.5. Выводы 116
Заключение 117
Список литературы 119
Приложение. Акты использования результатов
Диссертационной работы 131
- Конструктивно-технологические особенности пьезорезистивных микроакселерометров
- Расчет основных метрологических характеристик пьезорезистивного микроакселерометра
- Экспериментальные исследования механических и метрологических характеристик микроакселерометров балочного типа
- Разработка опытных образцов пьезорезистивных микроакселерометров
Конструктивно-технологические особенности пьезорезистивных микроакселерометров
Наиболее полно требованиям надежности, точности измерения параметров ускорений и вибраций при сравнительно невысокой стоимости отвечают пьезорезистивные микроакселерометры. Их основными достоинствами являются применение групповых технологических процессов и прецизионных методов обработки монокристаллического кремния, возможность миниатюризации изделия, высокая чувствительность, стабильность измерений и помехоустойчивость, низкий уровень собственных шумов и низкий выходной импеданс [1, 15, 16, 18].
Пьезорезистивные микроакселерометры имеют рабочий частотный диапазон с нижней частотой от 0 Гц, что дает возможность достаточно простой градуировки. Такое свойство очень важно также при измерениях импульсов большой продолжительности, встречающихся в транспортной "вибрации, при исследовании вибраций промышленных объектов, при испытаниях автомобилей на столкновение или при исследованиях пироударных воздействий. Кроме того, они технологически совместимы с элементами интегральных микросхем (ИМС).
Пьезорезистивный микроакселерометр является комбинированным датчиком двойного преобразования инерционного принципа действия. Его основой является чувствительный элемент - первичный преобразователь. Измеряемое ускорение обусловливает появление инерционной силы, которая деформирует упругий элемент первичного преобразователя акселерометра. На упругих элементах (балках) формируются твердотельные кремниевые пьезорезисторы, соединенные в мостовую или полумостовую электрическую схему и преобразующие деформацию в изменение сопротивления. Изменение сопротивления приводит к разбалансировке мостовой схемы, и на выходе появляется электрический сигнал, пропорциональный ускорению. Таким образом, пьезорезистивные акселерометры являются параметрическими датчиками прямого преобразования ускорения в параметр электрической цепи - сопротивление. Как пассивные устройства, они требуют электрического возбуждения от внешнего источника. Питание, как правило, подается от источника постоянного напряжения.
Структура и функциональная сложность микроакселерометров может варьироваться от уровня первичного преобразователя до сложной системы с кодовым выходом. Практически все промышленные микроакселерометры включают в себя набор тензорезисторов и простейшие схемы термокомпенсации или нормирования сигнала [14]. Микроэлектронные технологии позволяют включать в состав датчика схемы аналого-цифрового преобразования, запоминания и предварительной обработки цифровой иинформации на базе специализированного или с программным управлением микропроцессора, а также, в случае необходимости, преобразователи параллельного кода в стандартный последовательный (типа RS-232).
В последние годы наблюдается тенденция по созданию функционально завершенных микросистем, состоящих из сенсоров, микроактюаторов и электронных схем, сформированных на одной подложке [11,18-23]. В США это научно-техническое направление известно как «микроэлектромеханические системы» (МЭМС), в Европе их называют «микроситемы», а в Японии «микромеханотроника».
Механическая система пьезорезистивного микроакселерометра, как правило, состоит из основания, к которому при помощи упругих балок прямоугольного поперечного сечения крепится инерционная масса. Основные конструктивные схемы подвеса инерционной массы акселерометров с одной координатой измерения представлены на рис. 1.1. Сопротивление и податливость механической системы акселерометра различным видам деформации зависит от размеров и количества балок подвеса, очертания их оси, формы поперечного сечения и расположения относительно направления нагрузок. Именно эти параметры определяют чувствительность и динамические характеристики акселерометра.
Анализ лучших мировых образцов и разработок показывает, что развитие акселерометров идет по пути миниатюризации, повышения чувствительности и надежности [4-6, 10, 16, 18, 24-29].
Для обеспечения повышенной чувствительности при измерении малых величин ускорений используют консольную схему подвеса инерционной массы при помощи одной упругой балки (рис. 1.1, а) [8, 10, 24, 25]. Недостатком этой схемы является существенная поперечная чувствительность относительно оси у.
Подвес инерционной массы на двух консольных балках (рис. 1.1, б) позволяет увеличить поперечную жесткость и уменьшить поперечную чувствительность. Причем балки необходимо формировать как можно ближе к углам инерционной массы [4,25-27]. Интересно, что вторая мода колебаний такой конструкции крутильная, при этом балки попеременно перемещаются вдоль оси х в противоположные стороны и работают на изгиб.
Общим недостатком консольного подвеса является нарушение соосности основания и инерционной массы при больших перемещениях последней.
При мостовой схеме подвеса (рис.1.1, в, г, д, е) инерционная масса перемещается строго в направлении активной оси х. Наибольшей чувствительностью обладает акселерометр с двумя балками, выполненный по схеме (рис. 1.1, в) [4,5,25]. Для повышения жесткости подвески инерционной массы в направлении пассивных осей v, z и снижения поперечной чувствительности применяют мостовые схемы симметричного (рис. 1.1, г, д) [4-6,28] и кососимметричного (рис.1.1,е) [5] подвеса инерционной массы при помощи четырех и более балок.
Необходимо учитывать, что с увеличением числа балок подвеса инерционной массы увеличивается жесткость по измерительной оси х и соответственно снижается чувствительность акселерометра. Проведенный нами сравнительный анализ конструкций акселерометров показывает (табл. 1.1), что наименьшей поперечной чувствительностью характеризуется акселерометр по схеме рис.1.1,е: его поперечная чувствительность в 1,2 раза ниже чем по схеме рис.] .1, див 1,75 раз ниже чем по схеме рис.1.1, г. Дальнейшее увеличение числа балок до восьми к существенному уменьшению поперечной чувствительности не приводит.
Расчет основных метрологических характеристик пьезорезистивного микроакселерометра
Известны упрощенные модели конструкции пластмассового корпуса для герметизации ИС, соединений поликоровых пластин микросборок с металлическим основанием, которые позволяют оценить остаточные термомеханические напряжения растяжения и сжатия элементов конструкций [61]. Прочность электромонтажа проволочных проводников при действии сил инерции определяют при помощи метода сил [62, 63].
Анализ особенностей НДС элементов паяных соединений ИС и МП при действии динамических нагрузок представлен в работах [64-67]. Динамику процесса учитывают при помощи квазистатического подхода, используя соответствующие коэффициенты динамичности.
При решении динамических задач определяют собственные частоты и формы колебаний конструкций, при вынужденных колебаниях определяют амплитуды перемещений, скоростей, ускорения и знакопеременных механических напряжений. Для динамического анализа используют модели с ограниченным числом степеней свободы и со ере доточенными массами. При расчете динамических характеристик МП и ИМС используют модели в виде пластин с жесткозакрепленными краями. Масса приборов считается равномерно распределенной по всей площади пластины [43, 53].
Необходимо отметить, что конструкции МП и ИМС представляют собой сложные механические системы со множеством жестких и упругих связей, неоднородностью свойств материалов, наличием макродефектов в соединениях. Для таких механических систем сложно построить аналитические модели, позволяющие учесть все конструктивные, технологические и физические свойства конструкций. Даже при существенных упрощениях, полученные аналитические решения часто оказываются сложными для использования в инженерной практике, а их результаты - весьма приближенными. Поэтому применение аналитических моделей для создания высоконадежных конструкций оказывается ограниченным. Учесть особенности конструкций, неоднородность свойств материалов и получить решения с заданной точностью позволяют вариационные и разностные методы (конечных разностей и конечного элемента).
Примеры моделирования тепловых и механических процессов в конструкциях МП с использованием метода конечных разностей представлены в работах [68,69]. При разработке модели элементы конструкции заменяют набором сосредоточенных масс, которые располагаются в узлах и соединяются друг с другом упругими связями. Возможности метода ограничены конструкциями несложной геометрической формы с элементами постоянной жесткости и однородными свойствами.
Эффективным для исследования НДС и динамических свойств конструкции МП всех уровней является метод конечного элемента (МКЭ). Суть метода заключается в аппроксимации сплошной среды с бесконечным числом степеней свободы совокупностью простых элементов, имеющих конечное число степеней свободы и связанных между собой в узловых точках. Метод позволяет учесть путем дискретизации конструкции на конечные элементы малых размеров неоднородность материала, наличие макродефектов, резкие переходы в поперечном сечении, а также воздействие на конструкцию возмущающих, инерционных, упругих и диссипативных сил [70-74].
Анализ конструкций микроэлектронных приборов и микросенсоров с использованием МКЭ является универсальным методом для прочностных, динамических и других расчетов, поскольку позволяет единым способом рассчитывать различные конструкции с разными свойствами материалов. Различные фирмы разработали пакеты прикладных программ конечно-элементного анализа, которые достаточно универсальны, надежны, быстры и удобны для пользователя. К таким пакетам относятся известные программные продукты ANSYS, Cosmos/M, система MSC/Nastran компании MSC Corporation и другие. Возможность эффективного применения этих программных продуктов при проектировании современных кремниевых микроакселерометров с консольной и мостовой схемой подвеса показана, например, в работах [30, 75-78].
В [30] рассмотрены конечно-элементные модели микроакселерометра балочной и симметричной конструкций. Балочный микроакселерометр имеет кремниевую инерционную массу размером 3,5x3,5x0,4 мм, закрепленную на двух упругих балках длиной 200 мкм и толщиной 10 мкм. Инерционная масса симметричного акселерометра 1,9 мг имеет размеры 1,6x1,6x0,4 мм и расположена внутри корпуса, к которому крепится при помощи четырех упругих балок толщиной Юмкм. Проведена оценка остаточных термомеханических напряжений после оксидирования при 1000С и 600С при формировании слоев SiC 2 толщиной 1 мкм. Наибольшие нормальные напряжения по толщине упругой балки (до 160 МПа) возникают на границе кремния и диэлектрика в зоне, где расположены пьезорезистивные элементы.
Проведена также оценка напряжений, возникающих в упругой балке под действием линейных ускорений. Так при ускорении 50 g в балочном микроакселерометре эпюра напряжений имеет небольшой градиент в сторону увеличения напряжений к основанию, где а = 16 МПа и максимальное перемещение инерционной массы 10 мкм. В симметричном микроакселерометре эпюра синусоидального типа с двумя экстремумами а = 2 МПа и а - -2 МПа, а максимальное перемещение инерционной массы 1 мкм. Конечно-элементные модели позволяют оценить динамические характеристики акселерометров. Для исследуемой конструкции балочного микроакселерометра установлены первые три собственных частоты колебаний: fi = 930 Гц, f2 = 32,5 кГц, f3 = 226 кГц. Аналогично для симметричного - fі = 11,6 кГц, ґ2 = 740кГц, f3 = 1,15 МГц. Проведена оценка чувствительности: для балочного акселерометра S = 0,6 мВ/g, для симметричного акселерометра = 0,12 мВ/g на каждый вольт питания.
Для экспериментального исследования НДС кристаллов МП и ИМС применяют следующие методы: тензорезистивный с использованием резисторов, сформированных в приповерхностном слое кремния ионным легированием или диффузией [59,79-81]; профилометрирование исследуемой поверхности [82]; метод рентгеноупругости [83,84]; оптические методы [41, 85, 86].
Экспериментальные исследования механических и метрологических характеристик микроакселерометров балочного типа
Для численного моделирования механической системы акселерометра нами использован программный комплекс МКЭ, мощные инструментальные средства системы конечно-элементного анализа которого позволяют быстро и с высокой точностью моделировать сложные пространственные конструкции на персональном компьютере в среде Windows. Область применения системы - расчет напряженно-деформированного состояния; линейный и нелинейный прочностные анализы при статическом нагружении; исследование собственных, вынужденных колебаний и сложной динамики конструкций; оптимизация параметров конструкции при заданной системе ограничений.
Уравнение движения элемента при наличии в системе сил вязкого сопротивления, пропорциональных скоростям точек, в матричной форме имеет вид где: {м} - матрица масс элементов, Мч = \рФі Ф У; Ф,. - функции формы элемента, выражающие связь между узловыми смещениями и перемещением любой точки тела ; р - плотность материала тела; V - объем тела; [в] - матрица, связывающая деформации с узловыми смещениями; {к} - матрица жесткости элемента, {к} = {в} {D}{B} ; {D} - матрица упругих постоянных тела; {л} - матрица узловых смещений элемента; {/} - матрица узловых сил элемента.
Форму, аналогичную выражению (2.5), имеет и система уравнений движения для всего тела, используемая для расчета динамики конструкции. При отсутствии внешних сил система уравнений, подобная (2.5) описывает собственные колебания тела. В этом случае, отыскивая узловые смещения в виде {л}е , где со - частота и t - время, приходим к уравнению:
Из условия наличия нетривиального решения уравнения (2.6), т.е. равенства нулю ее определителя, находят собственные частоты со1,со2,...,соп колебаний и далее соответствующие им собственные векторы узловых смещений {/і},, i = l,2,...,n называемые также собственными формами колебаний конструкции.
Основными этапами анализа конструкции МКЭ являются: - разработка геометрии конструкции - геометрическое моделирование; - задание характеристик материалов элементов конструкции; - выбор типов конечных элементов и ввод их параметров; - разбиение конструкции на конечные элементы; - задание граничных условий - связей, налагаемых на конструкцию; - формирование системы нагрузок, задание их значений или функциональных зависимостей от параметров модели; - проверка корректности разработанной модели и, при необходимости, редактирование ее характеристик; - расчет конструкции - конечно-элементный анализ; - вывод результатов. С использованием программы MSC/NASTRAN for Windows нами проведены исследования конструкции микроакселерометра балочного типа. На рис.2.11 представлена расчетная схема микроакселерометра. При исследованиях использовали изопараметрический 8-ми узловой элемент. Принципиальным является максимальное приближение расчетной модели к реальной конструкции и единый подход к разработке конечно-элементной модели, базирующийся на следующих основных принципах: учет реальной геометрии и конструктивно-технологических особенностей исследуемого объекта; использование достоверных данных о физико-механических и динамических свойствах материалов и конструкции; использование неравномерной сетки конечных элементов для областей с высоким градиентом напряжений. Исследовалось влияние толщины рабочего участка консольной упругой балки на статические и динамические характеристики микроакселерометра. Для расчетов были использованы следующие исходные данные: длина перемычки 1 = 1,0 мкм, инерционная масса m = 0,120 г, напряжение питания мостовой схемы Unm = 5 В, номинальный выходной сигнал ивых. = Ю0мВ, коэффициент тензочувствительности Кп=80. Значение толщины перемычки h варьировалось от 20 до 130 мкм. Физико-механические свойства материалов элементов конструкции задавались на основе данных исследований, приведенных в [31, 32, 36]. Результаты оценки влияния толщины перемычки на основные характеристики микроакселерометра представлены в таблице 2.2 и на рис.2.10 и рис.2.11. В таблице и на рисунках приняты обозначения: а максимальные напряжения на рабочем участке в направлении оси х при ускорении в 1 g; 5 - податливость при ускорении в 1 g; z виброперемещение инерционной массы; So - статическая чувствительность; а-диапазон измеряемых ускорений; Af-частотный диапазон, определенный как Af = fo/З, где fo - собственная частота. Сопоставление результатов аналитического расчета и численного моделирования показывает, что они имеют хорошую сходимость (расхождение не превышает 25%). С целью эмпирического описания конструкций акселерометра с позиций демпфирования, резонансных частот и форм вибрационных мод проведен модальный анализ конструкции. На рис.2.12 показаны первые три формы вибрационных мод микроакселерометра с консольным подвесом массы.
Разработка опытных образцов пьезорезистивных микроакселерометров
На основе проведенного анализа и расчетов разработан ряд конструкций кремниевых чувствительных элементов (ЧЭ) и микроакселерометров на их основе [112-116].
В НІЖ "Технологический центр" разработана технология формирования кремниевых ЧЭ, совмещающая в себе групповые методы полупроводниковой микроэлектроники и ряд специализированных технологических процессов объемной микромеханики. Технология позволяет создавать чувствительные элементы, характеризующиеся высокой воспроизводимостью и стабильностью параметров [112, 114]. Применение ряда оригинальных технологических решений позволило совместить стандартные технологические операции микроэлектроники и специальные операции, необходимые для реализации требуемой конструкции ЧЭ. Благодаря этому обеспечивается высокая точность двухсторонней обработки пластин, получение стандартными методами комбинированной металлизации контактных площадок.
Чувствительный элемент ТКБ-5 (тензопреобразователь кремниевый балочный), представляет собой микроконструкцию из монокристалла кремния размером 7,5 х 2,0 х 0,44 мм (рис.3.1). Кристалл ТКБ-5 (рис.3.1, а) состоит из трех основных участков: участка, служащего для крепления тензопреобразователя во внешнем устройстве; участка, воспринимающего внешнюю нагрузку и перемещающегося в результате воздействия относительно первого; рабочего участка - концентратора механических напряжений, имеющего меньшую толщину. На поверхности рабочего участка сформирована мостовая схема из диффузионных резисторов р-типа. Вне рабочей поверхности концентратора механических напряжений расположена транзисторная схема температурной компенсации чувствительности. Электрическая схема ТКБ-5 показана на рис.3.1, б.
Благодаря тому, что центры тензорезисторов расположены на одной линии посредине между основаниями преобразователя и, следовательно, симметрично относительно эпюры напряжений в концентраторе, обеспечивается высокая линейность выходного сигнала мостовой схемы. При этом обеспечивается выполнение условия одинаковой температуры на всех тензорезисторах благодаря симметричному теплоотводу выделяемой на них мощности к более массивным основаниям.
Каждая контактная площадка кристалла состоит из двух участков: участка с алюминиевой металлизацией и участка, облуженного поверх алюминия припоем. Это дает возможность применения промышленных зондовых установок для разбраковки кристаллов на пластине путем контактирования к стандартным алюминиевым частям площадок, и использования пайки медных проводников к облуженным участкам площадок при формировании внешних выводов кристалла. Наличие омического контакта к основанию позволяет проводить автоматизированный контроль и отбраковку кристаллов в составе пластин по утечкам р-п-переходов тензорезисторов.
Кристаллы ТКБ-5 изготавливаются на пластинах КЭФ-4,5 с ориентацией (100) диаметром 100 мм и толщиной 430 мкм (рис.3.2). Нами отработана комбинированная технология разделения пластин на кристаллы с использованием процессов дисковой резки и жидкостного травления, позволившая значительно повысить прочность ТКБ-5. Исследования экспериментальных образцов ТКБ-5 с толщиной рабочего участка 0,110 мм методом нагружения по схеме "трехточечного изгиба" показали, что прочность кристаллов, полученных при комбинированном способе разделения пластин на кристаллы, возрастает в 3-4 раза (си = 600±150 МПа) по сравнению с обычным разделением методом сквозной дисковой резки (с„= 170+50 МПа) [113]. Конструкция кристалла (а), электрическая схема (б) и схема включения термокомпенсации (в) тензопреобразователя кремниевого балочного ТКБ-5 (размеры даны в мкм) Для снижения температурного гистерезиса выходного сигнала измерительного моста разработана модификация ТКБ-5, в которой алюминиевые токоведущие дорожки межсоединений на рабочем участке заменены высоколегированными р+ областями (рис.3.3). Эффективность такого приема рассмотрена ниже (см. п.3.5).
Основные технические характеристики ТКБ-5 приведены в табл.3.1.
На основе ЧЭ ТКБ-5 разработаны конструкции малогабаритных пьезорезистивных акселерометров, выполненных по консольной схеме подвеса инерционной массы (рис 3.4) [114, 115].
Как механическая система акселерометр проектируется таким образом, чтобы обеспечить повышенный уровень деформаций в рабочей зоне чувствительного элемента, где сформирована мостовая тензорезистивная схема. На основании консольно закрепляется кристалл ТКБ-5, на свободном конце которого устанавливается дополнительная инерционная масса. Сила инерции, возникающая при воздействии ускорения на инерционную массу, приводит к деформации упругого элемента и, соответственно, к изменению сопротивления тензорезисторов и появлению на выходе мостовой схемы электрического сигнала, пропорционального воздействующему ускорению.
Выбор необходимого сочетания чувствительности и диапазона рабочих частот микроакселерометров обеспечивается за счет изменения инерционной массы и толщины рабочего участка ТКБ-5. На основе проведенных расчетов были изготовлены партии кристаллов с толщиной Н рабочего участка (0,040 ±0,005) и (0,110 ±0,005) мм.
Размеры поперечного сечения инерционной массы выбирали таким образом, чтобы центр тяжести инерционной массы совпадал с центром поперечного сечения рабочего участка ЧЭ. В этом случае обеспечивается минимальная поперечная чувствительность микроакселерометра. Методика расчета параметров инерционной массы приведена в главе 4.
