Введение к работе
Актуальность работы
В настоящее время компоненты микро системной техники широко применяются во многих отраслях народного хозяйства. Из всего многообразия микросистем следует выделить устройства предназначенные для решения задачи анализа траектории, параметров движения и динамических характеристик подвижного объекта. Данный класс представлен микромеханическими компонентами инерциальных навигационных систем — микромеханическими гироскопами и акселерометрами.
Тенденция к миниатюризации технических устройств, реализуемых методами групповой обработки, приводит к необходимости учитывать особенности протекания физических процессов, проявляющиеся при переходе к линейным масштабам порядка единиц нанометров. Таким образом, представляется возможным говорить о микро электромеханических системах (МЭМС), содержащих наноразмерные функциональные элементы, как об элементах наносистемной техники в первом приближении.
Разработка конструкций, а также методов моделирования и проектирования микро - и наномеханических компонентов измерительных систем требует, помимо поиска новых конструктивных решений, глубокого изучения особенностей физических процессов, протекающих в наносистемах, а также технологических аспектов изготовления микро - и наноструктур, поскольку именно междисциплинарный характер исследований, выполняемых в процессе разработки наносистем, открывает перспективы развития как самой наносистемной техники, так и смежных областей научного знания.
Таким образом, разработка и исследование принципов построения, конструкций, методов моделирования и проектирования компонентов микро- и наносистемной техники в целом и разработка интегральных МЭМС, обеспечивающих решение задачи анализа траектории, параметров движения и динамических характеристик подвижных объектов является актуальной проблемой.
Состояние вопроса
Для решения задачи анализа траектории, параметров движения и динамических характеристик подвижных объектов возникает потребность в регистрации линейных ускорений по трем взаимно перпендикулярным осям. В настоящее время известны два различных подхода к решению этой задачи с использованием МЭМС регистрации линейных ускорений или микромеханических акселерометров (ММА).
Существует возможность восстановления полной информации о параметрах движения объекта путем обработки результатов измерения, поступающих от нескольких дискретных сенсорных устройств, каждое из которых обладает лишь одной осью чувствительности. Технология формирования с использованием операций микросборки позволяет улучшить массо-габаритные показатели посредством размещения необходимого числа одноосевых микросенсоров на общей основе. Вместе с тем, указанный метод требует прецизионных операций позиционирования и инсталляции микросистем, что снижает процент выхода
годных изделий и увеличивает их стоимость.
Другая возможность заключается в формировании необходимого числа многоосевых сенсоров, а также систем обработки информации в едином технологическом процессе с использованием групповых методов обработки. Таким образом, измерительный комплекс, оснащенный, при необходимости, цифровым интерфейсом, может быть выполнен в виде интегральной микросхемы, поэтому в целом указанная возможность решения рассматриваемой задачи представляется более перспективной.
Особенности интегральных ММА на основе туннельного эффекта, обусловливающие преимущества перед другими типами преобразователей:
принцип функционирования преобразователя предоставляет возможность эксплуатации интегральной МЭМС регистрации линейных ускорений в экстремальных условиях;
экспоненциальная зависимость туннельного тока от ширины потенциального барьера определяет характерно высокую чувствительность устройств рассматриваемого класса;
возможность интеграции микромеханических сенсорных устройств в комплексные системы сбора и анализа данных, а также преобразования и передачи информации, повышают как функциональную, так и экономическую эффективность конечных продуктов.
Для изготовления МЭМС в настоящее время применяются различные материалы микроэлектроники. В частности, широко используется моно- и поликристаллический кремний, его оксиды и нитриды, иные соединения и модификации, а также различные металлы, керамики, полимеры и их комбинации (биморфные, композиционные и гибридные структуры). Для обеспечения необходимых механических и электрофизических свойств применяется легирование.
Особенностью технологической реализации туннельных преобразователей перемещения следует считать необходимость формирования наноразмерных пространственных зазоров. Отсутствие отлаженных технологий групповой обработки, решающих данную задачу, сдерживает широкое применение интегральных ММА, содержащих туннельные контакты.
Из известных технологий наиболее подходящей для реализации интегральных ММА на основе туннельного эффекта можно считать технологию обработки фокусированными ионными пучками, позволяющую формировать латеральные преобразователи перемещения. К сожалению, данная технология не является групповой, что в совокупности с высокой стоимостью делает ее неприемлемой для производства МЭМС в промышленных масштабах.
Один из наиболее перспективных путей создания туннельных контактов, повышения их надежности, снижения рабочих напряжений предполагает разработку нелитографических технологий формирования туннельных наноструктур на основе процессов самоорганизации.
В качестве примера можно привести процесс пористого анодирования алюминия, который естественным образом за счет самоорганизации структуры создает диэлектрический слой с регулярной матрицей цилиндрических наноканалов, плотность упаковки которых может варьироваться от 108 до 1012 см"2.
Полученные поры представляют собой маску для формирования эмиттеров, которые могут быть использованы в автоэмиссионном преобразователе перемещения с вертикальным расположением электродов. Вместе с тем, применение матриц, полученных таким образом катодов для обеспечения туннельного режима работы ММА представляется затруднительным.
Уникальная технология управляемой самоорганизации механически напряженных полупроводниковых слоев гетеропереходов типа InAs/GaAs, разработанная в Институте физики полупроводников СО РАН, в перспективе позволяет формировать как латеральные, так и вертикальные туннельные контакты в едином технологическом процессе, используя управляемую самоорганизацию структурных слоев GaAs/InAs и групповые методы обработки, такие как анизотропное плазмо-химическое травление жертвенных слоев.
Цель работы
Целью диссертационной работы является разработка принципов построения, конструкций, методов моделирования и проектирования интегральных сенсоров ускорения на основе туннельных наноструктур, способствующих решению проблем повышения эффективности анализа траектории, параметров движения и динамических характеристик подвижных объектов.
Для достижения поставленной цели в работе решались следующие основные задачи:
разработка принципов построения интегральных МЭМС регистрации линейных ускорений на основе туннельных наноструктур;
разработка моделей, методов и программных средств моделирования преобразователей перемещения на основе туннельных наноструктур;
разработка аналитических моделей элементов передачи движения в МЭМС регистрации линейных ускорений на основе туннельных наноструктур;
разработка аналитической модели управляемой самоорганизации функциональных элементов МЭМС на основе механически напряженных слоев GaAs/InAs;
разработка методики анализа динамических характеристик МЭМС регистрации линейных ускорений на основе туннельных наноструктур, содержащих элементы сложной формы для передачи движения;
разработка методов проектирования интегральных сенсоров ускорения на основе туннельных наноструктур.
Научная новизна:
разработаны принципы построения интегральных микромеханических сенсоров линейных ускорений, содержащих наноразмерные преобразователи перемещения на основе туннельного эффекта, с горизонтальным и вертикальным расположением электродов преобразователя, а также принципы построения многоосевых МЭМС регистрации линейных ускорений с произвольной ориентацией осей чувствительности;
разработаны модели и методы моделирования преобразователей перемещения на основе туннельных наноструктур, отличающиеся тем, что форма потенциального барьера может быть задана параметрически с учетом кон-
фигурации электродов, а также корреляционного взаимодействия между электронами, а коэффициент прозрачности рассчитан численно для потенциального барьера произвольной формы;
разработаны аналитические модели элементов передачи движения в МЭМС регистрации линейных ускорений на основе туннельных наноструктур, отличающиеся тем, что позволяют рассчитать конфигурацию электродов наноразмерных преобразователей перемещения на основе туннельного эффекта в зависимости от приложенной внешней силы;
разработана аналитическая модель управляемой самоорганизации функциональных элементов МЭМС на основе наноразмерных механически напряженных слоев GaAs/InAs.
Практическая значимость полученных результатов состоит в том, что на основе предложенных принципов построения и анализа результатов моделирования разработаны:
методика проектирования многоосевых микроэлектромеханических систем регистрации линейных ускорений, содержащих наноразмерные преобразователи перемещения на основе туннельного эффекта и обеспечивающих одинаковую чувствительность по трем осям;
конструкции интегральных одно- и многоосевых микромеханических акселерометров на основе туннельного эффекта (защищены патентами Российской Федерации);
программные средства численного моделирования наноразмерных преобразователей перемещения, основанные на численном решении стационарного уравнения Шредингера;
технологические маршруты изготовления интегральных МЭМС регистрации линейных ускорений на основе туннельных наноструктур.
Внедрение и практическое использование результатов работы
Результаты диссертационной работы использованы в научных исследованиях и разработках КЦСИиНТ ФГУ РНЦ «Курчатовский институт» (г. Москва), НОЦ «Нанотехнологии» ФГОУ ВПО «Южный федеральный университет», кафедры конструирования электронных средств Технологического института ФГОУ ВПО «Южный федеральный университет» в г. Таганроге, а также внедрены в учебный процесс подготовки студентов Технологического института ФГОУ ВПО «Южный федеральный университет» в г. Таганроге.
Апробаиия результатов работы
Основные результаты работы обсуждались и были одобрены на следующих научных конференциях:
The Second International Competition of Scientific Papers in Nanotechnology for Young Researchers (Moscow, 2009);
Всероссийской молодежной школе-семинаре "Нанотехнологии и инновации" (НАНО-2009) (г. Таганрог, 2009);
X конференции молодых ученых «Навигация и управление движением» (Санкт-Петербург, 2008);
Международной научно-технической конференции «Микроэлектроника и наноинженерия - 2008» (Москва, 2008);
I, II и III ежегодных научных конференциях студентов и аспирантов базовых кафедр Южного научного центра РАН (г. Ростов-на-Дону, 2005, 2006, 2007);
LI научно-технической конференции профессорско-преподавательского состава, аспирантов и сотрудников ТРТУ (г. Таганрог, 2005);
XIII, XIV Всероссийская межвузовская научно-техническая конференция студентов и аспирантов "Микроэлектроника и информатика" (Москва, 2006, 2007);
Международной научно-технической конференции "Фундаментальные проблемы радиоэлектронного приборостроения" (INTERMATIC - 2008) (Москва, 2008);
VIII и IX всероссийской научной конференции студентов и аспирантов техническая кибернетика, радиоэлектроника и системы управления (г. Таганрог, 2006, 2008);
X и XI Международной конференции "Опто-, наноэлектроника, нанотехно-логии и микросистемы" (Ульяновск, 2008);
XI научной молодёжной школе по твердотельной электронике "Нанотехно-логии, наноматериалы, нанодиагностика" (Санкт-Петербург, 2008);
X международной научно-технической конференции "Актуальные проблемы твердотельной электроники и микроэлектроники" (ПЭМ - 2006) (Дивноморское, 2006).
Основные положения и результаты, выносимые на зашиту:
принципы построения и конструкции интегральных сенсоров ускорения на основе туннельных наноструктур;
модели и методика моделирования наноразмерных преобразователей перемещения на основе туннельного эффекта;
модели и методика моделирования динамических характеристик элементов передачи движения интегральных сенсоров ускорения на основе туннельных наноструктур;
методика проектирования интегральных сенсоров ускорения на основе туннельных наноструктур.
Публикаиии
По теме исследований опубликовано 26 печатных работ, в том числе 2 статьи в изданиях, рекомендованных ВАК РФ, получены 2 патента РФ.
Структура и объем работы
Диссертация состоит из введения, четырех глав с выводами и заключения, а также списка литературы и приложений. Работа изложена на 169 страницах машинописного текста и содержит список литературы на 6 страницах, 68 рисунков, 3 таблицы.
