Cенсорные микросистемы А В Афанасьев зам директора НОЦ

Cенсорные микросистемы А. В. Афанасьев, зам. директора НОЦ «Нанотехнологии» СПб. ГЭТУ «ЛЭТИ» 25 мая 2010 года

Классификация компонентов микросистемной техники Сенсор (датчик) – это устройство, преобразующее входное воздействие различной физической природы в электрический сигнал. Сенсорика – направление, которое рассматривает технику конструирования, изготовления и применения сенсоров (датчиков). Сенсорные элементы микросистемной техники составляют один из классов твердотельных датчиков, чья основная особенность – конструктивно технологическая и функциональная интеграция схем.

Классификация сенсоров по природе физического эффекта

Микромеханические сенсоры. Критерии выбора материалов Конструкционные (пассивные) • Термомеханическая совместимость • Механическая (усталостная) прочность • Химическая, тепловая стойкость Функционально-активные (сенсорные) • Чувствительность (коэффициент преобразования) • Температурная и временная стабильность • Химическая, тепловая стойкость • Механическая, радиационная стойкость

Кремний, карбид кремния и композиции «карбид кремния - нитрид алюминия» , «кремний-карбид кремния» - как базис микроэлектромеханических систем

Датчики давления Базовый элемент – кремниевая мембрана прямоугольной или круглой формы. Тензорезисторы создаются на поверхности мембраны . Расположение тензорезисторов определяется распределением деформаций мембраны под действием давления . Выходной сигнал тензорезиcтивного датчика давления: ΔR/R = πl σl + πt σt где πl и πt - пьзорезистивные коэффициенты в продольном и поперечном направлениях, а σl и σt – напряжения в продольном и поперечном направлениях

πl = - πt = 0. 5 π44 Резисторы располагают на диафрагме так, чтобы их продольные и поперечные коэффициенты тензочувствительности имели противоположные знаки, тогда изменения значений резисторов также будут иметь разные знаки ΔR 1/R 1 = ΔR 2/R 2 = 0. 5 π44 ( σ1 y - σ1 x) Полумостовая схема включения (Е – напряжение питания) U вых. = 0. 25 Е π44 ( σ1 y - σ1 x) Чувствительность датчика к давлению: Чувствительность датчика к температуре:

Емкостные датчики давления Традиционная конструкция емкостного датчика давления Емкость при нулевом давлении определяется по формуле плоского конденсатора: Относительное изменение емкости рассчитывается по формуле: где: Е – модуль Юнга, ν – коэффициент Пуассона и t – толщина мембраны.

Преобразователь давления тензорезистивного типа на основе Si. C Кристалл Чувствительный элемент Uвых. 0 = U 0 + S 0 P

Датчик давления на карбиде кремния • Рабочие давления 250 к. Па ÷ 10 МПа • Номинальный выходной сигнал 25 м. В • Рабочие температуры -45 ÷ 450 °С • Погрешность измерения 0. 25 % • Радиационная стойкость 2*1015 нейтрон/см 2

Оптоэлектронный датчик давления, использующего принцип интерференции света

Мембраны - виды, конструкции

Использование гетероструктур 3 С-Si. C/Si для создания мембран МЭМС Преимущества структур 3 C-Si. C/Si при использовании в качестве мембран: • Химическая стойкость. Возможность вытравливания мембран без использования стоп слоев и защитных маскирующих покрытий. • Существует возможность локально изменять проводимость материала мембраны, следовательно, можно формировать в мембране активные приборы. • В Si. C наблюдается тензоэффект. Это дает возможность использовать мембрану как активный элемент. • Теплопроводность Si. C близка к теплопроводности меди. Высокая однородность теплового поля в мембране. • Малые коэффициенты поглощения, и как следствие возможность создания рентгеновских окон на основе мембран из 3 С-Si. C.

Использование гетероструктур 3 С-Si. C/Si для создания мембран МЭМС деформированная мембрана гофрированная мембрана плоская мембрана материал тип мембраны размер, мм толщина, мкм механические напряжения σ, МПа чувствительность, нм/Па 3 C-Si. C деформированная 1, 5 0, 58± 0, 03 28± 5 14, 0± 1, 2 3 C-Si. C плоская 1, 5 -1, 8 0, 64± 0, 03 532 -30± 5 0, 8 -14, 0± 1, 2 3 C-Si. C гофрированная 1, 5 0, 83± 0, 03 - 17, 0± 2, 0 Si 3 N 4 плоская 1, 5 0, 60± 0, 03 - 0, 5± 0, 1 Наиболее качественная из полученных плоских мембран характеризуется высокой чувствительностью=14 нм/Па и высоким значением предела прочности (выдержала давление 90 к. Па). Значение внутренних напряжений σ=30 МПа. Для сравнения у нитридной 14 мембраны сходной толщины чувствительность порядка 0, 5 нм/Па, т. е. в 30 раз хуже.

Акселерометры. Эквивалентная механическая схема акселерометра Сумма всех сил, действующих на массу в первичном преобразователе, включая силу инерции, и с учетом демпфирования, должна быть равна нулю: x – смещение массы в инерциальной системе координат, y – в относительной системе (связанной с корпусом датчика), с – коэффициент демпфирования, k –коэффициент упругости. - измеряемое ускорение

Для анализа удобнее от уравнения сил перейти к уравнению ускорений: коэффициент затухания собственная частота системы Статическая чувствительность из уравнения движения инерционной массы при Основным первичным видом сигнала всех датчиков ускорений является относительное перемещение инерционной массы. Поэтому задача измерения ускорений сводится к измерению перемещения инерционной массы, т. е. измерения механической величины.

Физические явления, используемые при создании акселерометров • • • тензорезистивный эффект, заключающийся в изменении активного сопротивления проводника под действием механических напряжений; для металлов и сплавов активное сопротивление меняется в основном за счет изменения геометрических размеров, для полупроводников — за счет изменения удельного электрического сопротивления; пьезоэлектрический эффект, заключающийся в электризации материала под действием механических напряжений; эффект изменения электрической емкости при изменении геометрических размеров промежутка между электродами или диэлектрической проницаемости вещества, заполняющего этот промежуток; эффекты, основанные на электромагнитных явлениях — изменение магнитного сопротивления цепи вследствие изменения геометрических параметров или магнитной проницаемости ее элементов под действием механических величин и явление электромагнитной индукции при движении проводника в постоянном магнитном поле; эффект изменения частоты, заключающийся в изменении собственных колебаний механического резонатора под действием механических напряжений; эффект наведения электрического заряда на электроде, перемещающемся вблизи диэлектрика, обладающего постоянной поляризацией (электрета).

Основные виды микромеханических акселерометров 1) По наличию обратной связи по какому-либо параметру: • разомкнутые (без обратной связи); • компенсационные (с обратной связью). 2) По числу измеряемых проекций ускорения и, соответственно, степеней свободы чувствительного элемента акселерометра различают однокомпонентные, двухкомпонентные и трёхкомпонентные. 3) По характеру перемещения инерционной массы: • осевые акселерометры с поступательным перемещением инерционной массы; • маятниковые акселерометры с вращательным перемещением инерционной массы. 4) По виду деформации упругого элемента механического подвеса инерционной массы различают консольные, торсионные и подвесные микроакселерометры

Осевые микроакселерометры а, б - ЧЭ с крестообразным подвесом; в, г - ЧЭ с Z-образным кососимметричным подвесом ; д - ЧЭ с Z-образным симметричным подвесом; е - ЧЭ с параллельным подвесом; 1 - ИМ; 2 - упругие элементы; 3 - опорная рамка Маятниковые микроакселерометры а и б - одинарный и двойной маятник с упругими элементами - балками соответственно; в - одинарный маятник с упругими элементами - торсионами; ЦМ - центр масс; 1 - ИМ; 2 - упругие элементы; 3 - опорная рамка.

Акселерометры емкостного типа (осевые) где: А – площадь обкладок, ε 0 – диэлектрическая проницаемость вакуума, εr – диэлектрическая проницаемость материала, находящегося между обкладками конденсатора, d – расстояние между обкладками 1 - ИМ; 2 - неподвижные электроды; 3 - анкер; 4 - подвижные электроды; 5 - рамка; 6 - упругий элемент подвеса; 7 - основание (корпус)

Акселерометры емкостного типа (маятниковые) Принципиальная схема элемента акселерометра В-290 «Triad» (LITEF Cmb. H (Германия) : 1 - ИМ-маятник; 2 - упругие элементы подвеса; 3 - обкладки-крышки; 4 - изолятор; 5 – основание Принципиальная схема акселерометра фирмы Hitachi, Ltd. : 1 - ИМ; 2 - упругие элементы подвеса; 3 - опорная рамка; 4, 5 - неподвижные электроды; 6, 7 - диэлектрические пластины

Макеты первичных преобразователей

Испытательный вибростенд

Терморезистивный анемометр • • • Принцип работы Ток I нагревает этот элемент до температуры Т 1 > Т 2. В этих условиях теплоотвод осуществляется несколькими путями: PL 1 - теплопроводность через среду потока к стенкам трубы (PL 1 зависит от Т 1); PL 2 - теплопроводность через механический держатель и провода (PL 2 зависит от Т 1); Pstr - теплопередача путём излучения (по закону Стефана - Больцмана) (Pstr зависит от Т 14); Pk 1 - теплопередача путём свободной конвекции (Pk 1 зависит от Т 1); Pk 2 - теплопередача путём вынужденной конвекции (поток) (Pk 2 зависит от Т 1). I о U 0 о Т 2 Pk 1 Q PL 2 R 0(T 1) PL 1 P str Pk 2

Баланс электрической мощности резистора, помещенного в поток газа или жидкости, определяется следующими компонентами: PJ = PL 1, L 2 + Pstr + PK 2 + PK 1 где I – ток, протекающий через резистор R; – постоянная Стефана-Больцмана ( = 5, 67 10– 8 Вт/(м 2 K 4)); T = 0. . . 1 – излучательная способность поверхности (зависит от материала и температуры); S – излучающая поверхность, м 2; T – температура поверхности резистора, K; T 0 – температура среды или стенок, K; k – теплопроводность среды (для воздуха k = 0, 024 Вт/(м K), для воды k = 0, 59 Вт/(м K)); L – расстояние между источником и приемником тепла, м; q – постоянная свободной конвекции для заданной среды и известных свойств поверхности излучателя (приближенные значения: для воздуха q 4. . . 8 Вт/(м 2 K), для воды q 150. . . 300 Вт/(м 2 K)); b – постоянная вынужденной конвекции для заданной среды и известных свойств поверхности, Вт ∙ с1/2/(м 5/2 K)), (очень приблизительно можно принять b = (2. . . 3) q); v – скорость жидкости или газа, м/с. Если температура нагретого резистора не превышает 100. . . 200 °C, то оказывается возможным без потери точности пренебречь компонентом Pstr где A – постоянная, образованная из k. S и q. S; B = b. S

Возможности использования нагретого резистора для измерения скорости потока: • стабилизировать ток резистора R и измерять падение напряжения на нем, которое будет зависеть от температуры через компоненты PL 1, L 2, PK 1 и PK 2; • стабилизировать температуру R и измерять напряжение, прикладываемое к R для поддержания постоянства температуры при изменениях потока.

Микрорасходомеры n – плотность газа, cp- теплоемкость молекул газа, kg- теплопроводность газа. При условии, что градиент температуры вдали от поверхности датчика принимает нулевое значение можно записать в виде выражение для напряжения ΔU: B – константа, L – длина контакта датчика с газом, μ = Lνncp /(2π kg)

Микротермоанемометр с саморазогревающимися титановыми резисторами: А – конструкция датчика, Б – эквивалентная схема датчика с интерфейсом Ru и Rd – сопротивления нагревателей, расположенных выше и ниже по течению потока