Введение к работе
Актуальность работы
Микроэлектромеханические системы (МЭМС) определяют одно из перспективных направлений развития микроэлектроники XXI века. Рынок МЭМС в 2006 году составил ~6,3 млрд долл., в 2010г. он составил ~12,5 млрд долл. при среднегодовых темпах прироста 20 %.
Микроэлектромеханические системы – это устройства с интегрированными на поверхности или в объеме твердого тела электрическими и микромеханическими структурами. Статическая или динамическая совокупность этих структур обеспечивает реализацию процессов генерации, преобразования, передачи энергии и механического движения в интеграции с процессами восприятия, обработки, передачи и хранения информации.
В настоящее время наиболее динамично развивающимися микромеханическими компонентами являются сенсоры угловой скорости и линейного ускорения. Данные компоненты находят применения от микросистем стабилизации изображения в фотоаппаратах, видеокамерах и сотовых телефонах до инерциальных навигационных систем, используемых, как для ориентации и навигации подвижных объектов, так и для мониторинга параметров движения тела человека.
Сейчас на рынке МЭМС пользуются спросом одноосевые сенсоры угловых скоростей и сенсоры линейных ускорений. Однако, для уменьшения массы и габаритных размеров микросистем в целом, целесообразно применение двух- и трехосевых сенсоров угловых скоростей, функционально интегрированных с сенсорами линейных ускорений.
Диссертационная работа посвящена решению актуальной проблемы – функциональной интеграции многоосевых сенсоров угловой скорости и сенсоров линейного ускорения в одном устройстве, что позволяет улучшить массогабаритные характеристики данных микросистем, а также уменьшить их себестоимость, проработке технологических маршрутов изготовления, а также методов и методик проектирования данных сенсоров.
Состояние вопроса
Анализ литературы показывает, что использование технологии поверхностной микрообработки повышает степень интеграции элементов МЭМС и интегральных схем (ИС) и позволяет создавать большое число различных по функциональному назначению элементов микроэлектромеханических систем в одном технологическом процессе.
В данной работе разработаны сенсоры угловых скоростей и линейных ускорений, изготавливаемые по технологии поверхностной микрообработки.
Развитие МЭМС, в том числе микромеханических сенсоров угловых скоростей и линейных ускорений, тесно связано с областями их использования. Основными направлениями областей применения микроэлектромеханических систем, в том числе микромеханических сенсоров угловых скоростей и линейных ускорений являются системы ориентации, навигации и управления, медицина, энергетика, нефтяная и газовая промышленность, автомобилестроение, оборона.
Основу сенсоров МЭМС составляют электромеханические преобразователи, состоящие из чувствительного инерциального элемента, который связан через входной и выходной электрический контур, соответственно с актюатором и емкостным преобразователем перемещений. Основными параметрами электромеханических преобразователей являются чувствительность, разрешающая способность и надежность микросистем в целом. Свойства элементов преобразователей и протекающие в них процессы зависят от типа материала, технологии производства и внешних условий. Технология производства основана на планарной или объемной кремниевой микротехнологии с формированием электронных схем на одном чипе. Сложность и многообразие физических процессов, протекающих при работе таких преобразователей, затрудняют расчет и прогнозирование поведения таких элементов и достижение воспроизводимости, как их параметров, так и микромеханических компонентов в целом.
Таким образом, актуальна разработка конструкций, моделей, методов и методик проектирования, а также технологических маршрутов изготовления сенсоров угловых скоростей и линейных ускорений, ориентированных на современный уровень развития технологий микросистемной техники.
Цель работы
Целью данной диссертационной работы является разработка конструкций многоосевых интегральных сенсоров угловых скоростей и линейных ускорений, изготавливаемых по технологии поверхностной микрообработки, методов и методик их проектирования.
Для достижения поставленной цели в работе решались следующие основные задачи:
разработка конструкций интегральных сенсоров угловых скоростей и линейных ускорений с двумя осями чувствительности, изготавливаемых по технологии поверхностной микрообработки;
разработка конструкции интегрального сенсора угловых скоростей и линейных ускорений с тремя осями чувствительности, изготавливаемого по технологии поверхностной микрообработки;
разработка и исследование электромеханических моделей интегральных двухосевых сенсоров угловых скоростей и линейных ускорений;
разработка и исследование электромеханических моделей интегральных трехосевых сенсоров угловых скоростей и линейных ускорений;
разработка методов и методик проектирования интегральных двухосевых сенсоров угловых скоростей и линейных ускорений;
разработка методов и методик проектирования интегральных трехосевых сенсоров угловых скоростей и линейных ускорений.
Научная новизна
предложен метод построения сенсоров угловых скоростей и линейных ускорений на основе принципов функциональной интеграции;
разработаны и исследованы электромеханические модели одномассовых сенсоров угловых скоростей и линейных ускорений с двумя осями чувствительности, выполненных по технологии поверхностной микрообработки;
разработаны и исследованы электромеханические модели двухмассовых сенсоров угловых скоростей и линейных ускорений с тремя осями чувствительности, выполненных по технологии поверхностной микрообработки.
Внедрение и практическое использование результатов работы
Предложенные интегральные конструкции и технологические маршруты изготовления, методы и методики проектирования двух- и трехосевых сенсоров угловых скоростей и линейных ускорений использованы в научно- исследовательских работах и разработках Научно-образовательного центра «Нанотехнологии» Южного федерального университета (г. Таганрог), использованы в НИР, выполненных по заданиям ФГУ РНЦ «Курчатовский институт», Министерства образования и науки РФ, а также внедрены в учебный процесс Технологического института ФГАОУ ВПО «Южный федеральный университет» в г. Таганроге, что подтверждается документами, приведенными в приложении.
Апробация работы
Основные результаты работы докладывались на: I, III Ежегодных научных конференциях студентов и аспирантов базовых кафедр Южного научного центра РАН (г. Ростов-на-Дону, 2005г., 2007г.); VIII-IX Всероссийских научных конференциях студентов и аспирантов «Техническая кибернетика, радиоэлектроника и системы управления» (г. Таганрог, 2006, 2008гг.); Международной научно-технической конференции «Фундаментальные проблемы радиоэлектронного приборостроения» (г. Москва, 2006-2010 гг.); XIX Всероссийской научно-технической конференции студентов, молодых ученых и специалистов «Биотехнические, медицинские и экологические системы и комплексы» (г. Рязань, 2006 г.); 14-ой Всероссийской межвузовской научно-практической конференции студентов и аспирантов «Микроэлектроника и информатика – 2007» (г. Москва, 2007 г.); IX-X Международных конференциях «Опто-, наноэлектроника, нанотехнологии и микросистемы» (г. Ульяновск, 2007-2010 гг.); VII Международной конференции «Химия твердого тела и современные микро- и нанотехнологии» (г. Кисловодск-г.Ставрополь, 2007 г.); XI Научной молодёжной школе по твердотельной электронике «Нанотехнологии, наноматериалы, нанодиагностика» (г. Санкт-Петербург, 2008 г.); X Конференции молодых ученых «Навигация и управление движением» (г. Санкт-Петербург, 2008-2009 гг.); Международной научно-технической школе-конференции «Молодые ученые - науке, технологиям и профессиональному образованию» (г. Москва, 2008 г.); Международной научно-технической конференции «Микроэлектроника и наноинженерия – 2008» (г. Москва, 2008 г.); Молодёжной школе по твердотельной электронике «Физика и технология микро- и наносистем» (г. Санкт-Петербург, 2009 г.); Всероссийской молодежной школе-семинаре «НАнотехнологии и инНОвации» (г. Таганрог, 2009 г.); Международной научно-технической конференции и молодежной школе-семинаре «Нанотехнологии – 2010» (г. Таганрог, 2010 г.); Ежегодных конференциях профессорско-преподавательского состава ТТИ ЮФУ (г. Таганрог, 2006-2009 гг.).
Основные положения и результаты, выносимые на защиту:
-
Интегральные конструкции двухосевых и трехосевого сенсоров угловых скоростей и линейных ускорений.
-
Электромеханические модели двухосевых и трехосевого сенсоров угловых скоростей и линейных ускорений.
-
Методы и методики проектирования интегральных сенсоров угловых скоростей и линейных ускорений.
Публикации
По теме исследований опубликовано 31 печатная работа, в том числе 2 статьи в изданиях, рекомендованных ВАК, получено 3 патента РФ на изобретения. В ВНИИТЦ зарегистрировано 10 отчетов по НИР, выполненных при участии автора.
Структура и объем диссертации
Диссертация состоит из введения, четырех глав с выводами и заключения, а также списка литературы и приложений. Работа изложена на 228 страницах машинописного текста, 144 рисунках, 1 таблице и содержит список литературы на 13 страницах.
