Содержание к диссертации
Введение
1. Сенсорные и актюаторные элементы МОЭМС 10
1.1. Анализ принципов построения сенсорных и актюаторных элементов МОЭМС 10
1.1.1. Технология объемной микрообработки 11
1.1.2. LIGA-технология .::...:...::.. 15
1.1.3. Технология поверхностной микрообработки 19
1.1.4. MUMPs-технология 20
1.2. Обзор сенсорных элементов МОЭМС 24
1.2.1. Сенсоры температуры 25
1.2.2. Сенсоры механических величин 25
1.2.3. Сенсоры магнитного поля 26
1.2.4. Сенсоры излучений 27
1.2.5. Сенсоры химического состава 27
1.3. Обзор актюаторных элементов МОЭМС 30
1.3.1. Механические микронасосы и микросмесители...35
1.3.2. Микрозеркала с электростатической активацией 40
1.3.3. Микромеханические ключи 42
1.4. Выводы 44
1.5. Постановка задач диссертационной работы 44
2. Разработка и исследование интегрального сенсора магнитного поля 46
2.1. Разработка интегральной конструкции сенсора магнитного поля 46
2.2. Моделирование сенсора магнитного по ля... 53
2.3. Методика проектирования сенсора магнитного поля 88
2.4. Выводы 89
Разработка и исследование актюаторных элементов МОЭМС 92
3.1. Разработка и исследование интегрального микрозеркала с электростатической активацией 92
3.1.1. Разработка конструкции интегрального микрозеркала с электростатической активацией 92
3.1.2.Моделирование интегрального микрозеркала с электростатической активацией .96
3.1.3. Мето дика проектирования интегрального микрозеркала с электростатической активацией 127
3.2. Разработка и исследование интегрального поршневого механического микронасоса 132
3.2.1. Разработка конструкции интегрального поршневого механического микронасоса 132
3.2.2. Моделирование интегрального поршневого механического микронасоса 135
3.2.3. Методика проектирования интегрального поршневого механического микронасоса 148
3.2.4. Методика проектирования интегрального поршневого механического микросмесителя 153
3.3. Выводы 158
Проектирование цифровых устройств на основе интегральных микромеханичесих ключей 160
4.1. Разработка и исследование интегрального микромеханического ключа 160
4.1.1. Разработка конструкции интегрального микромеханического ключа 160
4.1.2. Моделирование интегрального микромеханического ключа 165
4.1.3. Мето дика проектирования интегрального микромеханического ключа .211
4.2. Разработка и исследование логических элементов на основе интегральных микромеханических ключей 217
4.3. Методика проектирования цифровых устройств на основе интегральных микромеханических ключей 236
4.4. Выводы 240
Заключение 242
Список использованных источников 244
- Обзор сенсорных элементов МОЭМС
- Методика проектирования сенсора магнитного поля
- Моделирование интегрального поршневого механического микронасоса
- Моделирование интегрального микромеханического ключа
Обзор сенсорных элементов МОЭМС
Достоинством LIGA-технологии является возможность создания элементов МОЭМС большой толщины с вертикальными сторонами. А также возможность создания сенсорных и актюаторных элементов из различных материалов - металла, пластика и керамики.
Основными недостатками данной технологии является необходимость использования уникальных источников синхротронного излучения и нетрадиционность технологии, связанная с гальванопластикой на микроуровне. Кроме того, наличие в процессе изготовления элементов МОЭМС операции микросборки, не позволяет использовать LIGA-технологию для группового изготовления.
Технология поверхностной микрообработки. Поверхностная микрообработка позволяет изготавливать элементы МОЭМС меньшей толщины, чем аналогичные структуры изготовленные с использованием объемной микрообработки /9,14-18,20-25/.
Поверхностная микрообработка основана на осаждении тонких слоев на поверхности подложки и удалении (травлении) одного или нескольких слоев для освобождения структуры. Удаляемые слои называются жертвенными. Освобождение подвижных частей (структурных слоев) сенсорных и актюаторных элементов (удаление жертвенных слоев) производится на последнем этапе процесса изготовления /21-24,36/.
В качестве жертвенных слоев могут быть использованы следующие материалы: Si02, Si3N4, GaAs, AlGaAs, Al, фосфоросиликатное стекло (ФСС, PSG), боросиликатное стекло (БСС, BSG), A1N и т.д. /9,14-18,20-25/.
На рис. 1.6 приведена структура интегрального сенсора давления емкостного типа, изготовленного по технологии поверхностной микрообработки.
К достоинствам поверхностной микрообработки можно отнести, возможность создания большого количества различных сенсорных и актюаторных элементов, в одном и том же процесс изготовления, при незначительных изменениях, и совместимость с технологией ИС.
К недостаткам технологии поверхностной микрообработки следует отнести прилипание тонких подвешенных частей элементов МОЭМС к подложке, возникающее в процессе промывания продуктов травления Интегральный сенсор давления емкостного типа, изготовленный по технологии поверхностной микрообработки
MUMPs-технология. MUMPs-технология (Multi User MEMS Process) представляет собой трехслойный поликремневый процесс стандартной технологии поверхностной микрообработки, разработанный в начале 1990-х годов в Berkeley Sensor & Actuator Center, University of California (USA) /9,22,24,37,38/.
MUMPs-технология является коммерческой программой, поддерживаемая большинством предприятий полупроводниковой промышленности, университетов и лабораторий специализирующихся на микрооптикоэлек-тромеханических системах.
Процесс MUMPs-технологии состоит из создания слоя изоляции Si3N4, осажденного слоя поликремния (polyO), двух структурных слоев поликремния (polyl и poly2), двух жертвенных слоев (oxl И 0X2) и одного слоя металла (metal). В качестве жертвенных слоев могут быть использованы те же материалы, что и в технологии поверхностной микрообработ 21 ки. Первый слой (polyO) поликремния представляет собой жесткую плату, на которой располагаются подвижные части элементов МОЭМС, построенные на основе остальных двух поликремниевых слоях (polyl и poly2) /37,38/.
Проблема прилипания подвешенных частей элементов МОЭМС, изготовленных по MUMPs-технологии, была решена с помощью предохранителей (dimple), которые размещались под первым структурным слоем поликремния.
На рис. 1.7 показаны основные этапы изготовления структуры элемента МОЭМС на основе MUMPs-технологии /37,38/.
Процесс начинается с создания диффузионного слоя нитрида кремния и осаждения слоя поликремния (polyO) (рис. 1.7а). Далее производится осаждение первого жертвенного слоя (oxl) и формирования в нем предохранителей (dimple), и контактов (якорей) первого структурного слоя (anchor 1) к подложке и/или polyO (рис. 1.76). После нанесения первого структурного слоя (poly2), производится формирование механических частей элементов МОЭМС и нанесение второго жертвенного слоя (ох2). С помощью травления во втором жертвенном слое формируются контакт второго структурного слоя (anchor2) к подложке и/или polyO, и контакты второго структурного слоя к первому (Pl_P2_Via) (рис.1.7в.). Далее производится осаждение второго структурного слоя и формирования в нем различных частей элементов МОЭМС (рис.1.7г). На последнем этапе процесса производится металлизация и освобождение структуры элементов МОЭМС с помощью удаления первого и второго жертвенных слоев (рис.1.7д).
Методика проектирования сенсора магнитного поля
Работает сенсор магнитного поля следующим образом. При подаче положительного напряжения на две металлические входные шины 14 относительно металлической шины нулевого потенциала 13, подвижные носители заряда, инжектированные из полупроводниковой области эмиттера n-типа проводимости 12, проходят полупроводниковую область базы р-типа проводимости 11, в которой часть подвижных носителей рекомбинирует, а остальные подвижные носители захватываются полем пространственного заряда p-n-перехода между полупроводниковой областью базы р-типа проводимости 11 и слаболегированной полупроводниковой областью коллектора n-типа проводимости 6, и составляют токи коллекторов.
При воздействии магнитного поля с вектором магнитной индукции, направленным параллельно плоскости полупроводниковой подложки 1, перпендикулярно к структуре интегрального сенсора, вдоль оси ОХ (см. рис.2.1), часть подвижных носителей заряда, инжектированных из полупроводниковой области эмиттера 12 в слаболегированную полупроводниковую область коллектора 6, под действием силы Лоренца отклоняется в сторону одной из двух полупроводниковых областей двух коллекторов пар 2, 5 и 3, 4, увеличивая ток одной из двух выходных металлических шин пар 12,15 и 13, 14, соединенных с двумя скрытыми полупроводниковыми областями двух коллекторов второго типа проводимости пар 2, 5 и 3,4. Разница токов между двумя металлическими выходными шинами пар 15, 18 и 16, 17, соединенными с двумя полупроводниковыми областями двух коллекторов пар 2, 5 и 3, 4, характеризует величину приложенного магнитного поля.
При воздействии магнитного поля с вектором магнитной индукции, направленным параллельно плоскости полупроводниковой подложки 1, параллельно структуре интегрального сенсора, вдоль оси 0Y (см. рис.2.1), часть подвижных носителей заряда, инжектированных из полупроводниковой области эмиттера 12 в слаболегированную полупроводниковую область коллектора 6, под действием силы Лоренца отклоняется в сторону одной из двух полупроводниковых областей двух коллекторов пар 2,3 и 4, 5, увеличивая ток одной из двух выходных металлических шин пар 15, 16 и 17, 18, соединенных с двумя скрытыми полупроводниковыми областями двух коллекторов пар 2, 3 и 4, 5. Разница токов между двумя металлическими выходными шинами пар 15, 16 и 17, 18, соединенными с двумя скрытыми полупроводниковыми областями двух коллекторов пар 2, 3 и 4, 5, характеризует величину приложенного магнитного поля.
При воздействии магнитного поля с вектором магнитной индукции, направленным перпендикулярно плоскости полупроводниковой подложки 1, вдоль оси 0Z (см. рис.2.1), часть подвижных носителей заряда, инжек тированных из полупроводниковой области эмиттера 12 в слаболегированную полупроводниковую область коллектора 6, под действием силы Лоренца отклоняется в сторону одной из двух скрытых полупроводниковых областей двух коллекторов пар 7, 8 и 9, 10, увеличивая ток одной из двух выходных металлических шин пар 19, 20 и 21, 22, соединенных с двумя полупроводниковыми областями двух коллекторов пар 7, 8 и 9, 10. Разница токов между металлическими выходными шинами пар 19, 20 и 21, 22, соединенными с двумя полупроводниковыми областями двух коллекторов пар 7, 8 и 9, 10, характеризует величину приложенного магнитного поля,
При воздействии магнитного поля с вектором магнитной индукции, направленного под углом к плоскости полупроводниковой подложки первого типа проводимости 1, часть подвижных носителей заряда, инжектированных из полупроводниковой области эмиттера 12 в слаболегированную полупроводниковую область коллектора 6, под действием силы Лоренца отклоняется в сторону одного из двух полупроводниковых областей двух коллекторов пар 2, 5 и 3, 4, и 2, 3 и 4, 5, и 7, 8 и 9, 10, увеличивая ток одной из двух выходных металлических шин пар 15,18 и 16,17, и 15, 16 и 17, 18, и 19,20 и 21, 22, соединенных с двумя скрытыми полупроводниковыми областями двух коллекторов пар 2, 5 и 3, 4, и 2, 3 и 4, 5, и 7, 8 и 9, 10. Разница токов между металлическими выходными шинами пар 15, 18 и 16, 17, и 15, 16 и 17, 18, и 19, 20 и 21, 22, соединенными со скрытыми полупроводниковыми областями коллекторов пар 2, 5 и 3, 4, и 2, 3 и 4, 5, и 7, 8 и 9, 10, характеризует величину приложенного магнитного поля, а отношение токов между металлическими выходными шинами 15,18 и 16,17, и 15,16 и 17,18, и 19, 20 и 21, 22, соединенных со скрытыми полупроводниковыми областями коллекторов 2, 5 и 3, 4, и 2, 3 и 4, 5, и 7, 8 и 9,10, характеризует угол к плоскости полупроводниковой подложки первого типа проводимости 1, под которым направлен вектор магнитной индукции приложенного магнитного поля.
Таким образом, разработанный интегральный сенсор магнитного поля позволяет определить не только величину индукции магнитного поля, но и направление его воздействия, что позволяет использовать предлагаемый сенсор не только в качестве интегрального измерительного элемента индукции магнитного поля, но и в качестве интегрального элемента определения положения.
Моделирование интегрального поршневого механического микронасоса
На рис.3.20 приведена зависимость отклонения структуры микрозеркала /99/, выполненного из алюминия, от приложенного напряжения, рассчитанная с помощью численных методов (в пакете программ ANSYS) и предложенной моделью.
Как видно из приведенного графика (рис.3.20), наибольшее расхождение наблюдается при /=40-59В. Относительная погрешность отклонения структуры микрозеркала д; для этого диапазона не превышает 10%.
Согласно закону Гука, вызванная деформацией сила пропорциональна величине деформации. Поэтому упругие колебания являются гармоническими /127Д28/. Частота гармонических колебаний структуры интегрального микрозеркала с электростатической активацией определяется следующим выражением/127,128/: На рис.3.21 приведена зависимость частоты гармонических колебаний / от длины Las и ширины W fi части структуры микрозеркала, расположенной над отклоняющим электродом. На рис.3.22 приведена зависимость частоты гармонических колебаний / от расстояния между структурой микрозеркала и отклоняющим электродом d.
Методика проектирования интегрального микрозеркала с электростатической активацией. Разработанная методика проектирования предложенного интегрального микрозеркала с электростатической активацией, содержит следующие этапы:
Задается толщина структурных слоев hr и h , углы травления жертвенных в и структурных ф слоев, и максимальный угол поворота структуры интегрального микрозеркала тах и напряжение замыкания структуры интегрального микрозеркала и отклоняющего электрода U .
По выражению (3.55) определяется отношение длины части структуры интегрального микрозеркала, расположенной над отклоняющим электродом, и расстояния между структурой микрозеркала и отклоняющим электродом су, (рис.3.19). На основе найденного отношения
Зависимость частоты гармонических колебаний структуры микрозеркала / от длины La и ширины W fi части структуры микрозеркала, расположенной над отклоняющим электродом а?=10 мкм; h =\ мкм; /?=33871 с-1
Зависимость частоты гармонических колебаний структуры микрозеркала / от расстояния между структурой микрозеркала и отклоняющим электродом d 4. По выражению (3.27) определяется длина пластин крепления структуры интегрального микрозеркала / (рис.3.10). 5. На основе известного расстояния между структурой интегрального микрозеркала d и длины части структуры микрозеркала, расположенной над отклоняющим электродом Ьа. определяется поправочный коэффициент А (рис.3.9). 6. По выражению (3.51) определяется ширина основания первого структурного слоя интегрального микрозеркала W 6 (рис.3.16). 7. По выражению (3.10) определяется расстояние между краем заземляющего электрода и креплением интегрального микрозеркала L. 8. Если выполняется условие (3.11), то длина поверхности крепления структуры интегрального микрозеркала Lvo определяется по выраже Ко нию (3.9). Если условие не выполняется, то параметр Z, определяется по выражению (3.12).
По выражению (3.8) определяется расстояние между краями заземляющего и отклоняющих электродов интегрального микрозеркала /,. По выражению (3.7) определяется длина основания первого структурного слоя интегрального микрозеркала L ,.
Моделирование интегрального микромеханического ключа
Поршневые механические микронасосы находят широкое применение в аналитико-технологических микросистемах, микроинструментах и миниатюрных робототехнических системах в качестве основных актюа-торных компонентов микролабораторных систем химического анализа различных жидкостей, крови, ДНК, систем дозирования лекарственных средств и т.д. /79,81,83/.
Как отмечалось в главе 1, в настоящее время не существует интегральной конструкции механических микронасосов и микросмесителей. Отдельные части микронасосов (входной и выходной клапана, подвижная мембрана) изготовляются в разных подложках с помощью технологий объемной микрообработки или LIGA. Затем, изготовленные части собираются с помощью операции микросборки /74,75,92-94/. Для повышения степени интеграции поршневых механических микронасосов и элементов ИС, необходимо, чтобы входной и выходной клапана, а также подвижная мембрана изготавливались по технологии поверхностной микрообработки.
Разработка конструкции интегрального поршневого механического микронасоса. Разработанный интегральный поршневой механический микронасос содержит полупроводниковую подложку, входной и выходной клапаны, управляемые потоком жидкости, подвижную мембрану, управляемую лктюатором /133,134/.
На рис.3.23 приведена структура разработанного интегрального поршневого механического микронасоса с термопневматической (рис.3.23а) и пьезоэлектрической (рис.3.236) активацией.
При включении актюатора 7, происходит деформация подвижной мембраны 6, что приводит к изменению объема рабочей области микронасоса 3. В результате возникает разность давлений жидкостей, находящихся в рабочей области 3, на входе и на выходе микронасоса. Под воздействием жидкости, находящейся в рабочей области 3, входной клапан 4 закрывается, а выходной 5 - открывается. При этом избыточная жидкость удаляется из рабочей области 3 микронасоса через выходной клапан 5.
При выключении актюатора 7, подвижная мембрана 6 возвращается в первоначальное положение и объем рабочей области микронасоса 3 восстанавливается. В результате возникает разность давлений жидкостей находящихся в рабочей области 3, на входе и на выходе микронасоса. Под воздействием жидкости, находящейся на входе микронасоса, входной клапан 4 открывается, а под воздействием жидкости находящейся на выходе микронасоса, выходной клапан 5 закрывается. Рабочая область 3 заполняется жидкостью через входной клапан. Когда давления в рабочей области 3, на входе и выходе микронасоса уравновешиваются, входной 4 и выходной 5 клапаны возвращаются в первоначальное положение.
Далее цикл повторяется. Моделирование интегрального поршневого механического микронасоса. Рассмотрим работу интегрального поршневого механического микронасоса с пьезоэлектрическим актюатором (см. рис.3.236). Для удобства описания работы интегрального поршневого механического микронасоса с пьезоэлектрическим актюатором, рассмотрим работу входного клапана 4. На рис.3.24 приведена структура входного клапана интегрального микронасоса.
