Содержание к диссертации
Введение
1. Актюаторные и сенсорные термоэлементы: современное состояние разработок 10
1.1. Актюаторные термоэлементы 10
1.2. Моделирование актюаторных термоэлементов 15
1.2.1. Тепловые актюаторы на основе линейного расширения 15
1.2.2. Тепловые актюаторы на основе биморфных балок 17
1.3. Сенсорные термоэлементы 18
1.3.1. Интегральные инерционные датчики 19
1.3.2. Интегральные термоакселерометры 23
1.4. Моделирование свободной конвекции 31
1.4.1. Анализ размерных эффектов при свободной конвекции в микрокамере 31
1.4.2. Приближение Буссинеска для конвективного движения газа..34
1.5. Выводы 37
1.6. Постановка задач диссертационной работы 37
2. Разработка и исследование интегрального термоактюатора 39
2.1. Разработка конструкции интегрального актюатора поворота на основе биморфной балки 39
2.2. Моделирование биморфного термоактюатора 47
2.3. Оценка погрешности модели 53
2.4. Расчет количества витков биморфной балки 56
2.5. Оценка быстродействия термоактюатора 57
2.6. Анализ результатов моделирования 59
2.7. Выводы 68
3. Разработка и исследование интегрального термоакселерометра 69
3.1. Разработка модели термоакселерометра 69
3.1.1. Расчет перепада давления в герметичной микрокамере при внешнем ускорении 69
3.1.2. Разработка модели распределения температуры в герметичной микрокамере 71
3.1.3. Расчет температуры нагревателя 81
3.1.4. Оценка быстродействия микроакселерометра 83
3.2. Анализ результатов моделирования и выработка рекомендаций по проектированию 87
3.3. Экспериментальный образец интегрального термоакселерометра 104
3.4. Разработка конструкции интегрального термоакселерометра 111
3.5. Выводы 117
4. Разработка методик проектирования микросистем с интегральными термоэлементами 118
4.1. Методика проектирования биморфного термоактюатора 118
4.2. Методика проектирования конвективного акселерометра 120
4.3. Пакет прикладных программ CONVECTION для моделирования свободной конвекции в герметичной микрокамере 123
4.4. Выводы
Заключение 125
Список использованных источников 127
- Анализ размерных эффектов при свободной конвекции в микрокамере
- Разработка конструкции интегрального актюатора поворота на основе биморфной балки
- Разработка модели распределения температуры в герметичной микрокамере
- Пакет прикладных программ CONVECTION для моделирования свободной конвекции в герметичной микрокамере
Введение к работе
Микросистемная техника (МСТ) является в настоящее время одним из наиболее развивающихся междисциплинарных научно-технических направлений. Стремительное развитие МСТ-технологий за последние годы показало огромный потенциал этой области и позволило реализовать множество элементов, которые невозможно изготовить с использованием макротехнологий [1]. Многие страны объявили микросистемную технологию одним из важных пунктов своей национальной программы развития [2, 3]. Темпы роста мирового рынка составляют порядка 20% в год и, согласно прогнозам [4-6], в 2005 году объем продаж составит 65 млрд. долл. В приоритетные направления развития науки и техники Российской Федерации в состав критических технологий Федерального уровня включена микросистемная техника [2].
Микросистемы изготавливаются по технологии интегральных схем (ИС). Именно интегральная технология позволила в сотни раз снизить стоимость микросистем [1, 7, 8]. Первыми элементами МСТ, появившимися в 80-х годах, были датчики давления и акселерометры. В последние 5 лет в МСТ-индустрии наблюдается бурный рост благодаря разработке новых продуктов, таких как оптические ключи, дисплеи с плоским экраном и различные датчики. Прогнозируемый большой рынок сбыта для МСТ продуктов является причиной высокого интереса к исследованиям в области МСТ [1, 3, 7-10].
Технологии изготовления МСТ делятся на 2 типа: технологии поверхностной и объемной обработки. Поверхностную обработку используют для создания 2Б-структур на кремниевых подложках [9]. Объемные технологии, такие как DIRE (Deep Reactive Iron Etch) и LIGA (акроним из немецких слов - lithography, electroplating, and
molding), позволяют создавать структуры с большим аспектным соотношением [11-16].
Характеристические размеры элементов МС обычно составляют порядка 100 мкм. В макромире процессы теплопередачи являются достаточно инерционными [17], однако, благодаря малым характеристическим размерам, рабочая частота для микросистем с термоэлементами достигает сотни герц [18, 19]. Основным достоинством термоэлементов является их конструктивная и технологическая простота, большая вырабатываемая актюаторами сила по сравнению с другими типами активации элементов МСТ [20-27] и отсутствие подвижных частей для большинства сенсорных МСТ с термоэлементами [28-34], что позволяет значительно повышать их предельные нагрузки.
Важнейшей особенностью микросистем является то, что их разработка связана с различными областями физики, такими как механика, электромагнетизм, гидродинамика, теория упругости и другие. Однако теории, пригодные для макрообъектов, не всегда корректны для описания поведения объектов в микромире [18,19, 35-40].
Поэтому разработка моделей интегральных элементов, позволяющих учитывать их размеры, является одним из основных направлений развития МСТ. Моделирование позволяет определять механические и физические параметры элементов, находить оптимальные конструктивные соотношения, не прибегая к экспериментальным исследованиям. Также не всегда возможно измерить такие физические величины, как температурное поле или распределение скорости в потоке газа в микромасштабе, не внося в них изменений. Однако данные величины играют важную роль в термосенсорах, которые построены на конвективной теплопередаче.
Поэтому разработка и исследование микросистем с интегральными актюаторными и сенсорными термоэлементами и методик их моделирования и проектирования является актуальной задачей.
Целью данной диссертационной работы является разработка и исследование микросистем с интегральными актюаторными и сенсорными термоэлементами, разработка методик моделирования и проектирования микросистем с термоэлементами.
Поставленная цель определяет следующие задачи:
разработка и исследование конструкций и технологических маршрутов изготовления микросистем с интегральными актюаторными и сенсорными термоэлементами;
разработка и исследование физико-топологических и механических моделей микросистем с интегральными актюаторными и сенсорными термоэлементами;
разработка методик моделирования микросистем с интегральными термоэлементами;
разработка методик проектирования микросистем с интегральными термоэлементами.
Научная новизна диссертационной работы заключается в следующем:
разработана механическая модель интегрального термоактюатора на основе биморфной балки, учитывающая физические и геометрические параметры балки;
разработана двумерная физико-топологическая модель интегрального акселерометра на основе конвекции для двух режимов работы (акселерометра и инклинометра), позволяющая определять распределение температуры внутри герметичной
микрокамеры с учетом внешнего ускорения и наклона относительно горизонта;
- выполнен теоретический анализ результатов моделирования
термоакселерометра, который позволил выработать рекомендации
по проектированию рабочей микрокамеры и топологических
параметров термоэлементов.
Предложенные интегральные сенсорные и актюаторные термоэлементы МСТ, методики моделирования и проектирования могут быть использованы при проектировании высоконадежных микросистем с интегральными термоэлементами.
Основные результаты работы докладывались: на VI-VIII Международных научно-технических конференциях «Актуальные проблемы твердотельной электроники и микроэлектроники» (с. Дивноморское, 1999-2002 гг.); VIII Международной научно-технической конференции студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электроника и энергетика» (г. Москва, 2002 г.); на 48 научно-технической конференции ТРТУ (г. Таганрог, 2003 г.); на второй Всероссийской дистанционной научно-технической конференции «Электроника» (г. Москва, 2003 г.).
По теме исследований опубликовано 10 печатных работ, в ВНИИТЦ зарегистрировано 9 отчетов о НИР, выполненных при участии автора.
Основные положения, выносимые на защиту:
интегральная конструкция актюатора на основе биморфной балки;
механические модели интегрального актюатора на основе биморфной балки;
интегральная конструкция акселерометра на основе конвекции;
двумерная физико-топологическая модель интегрального акселерометра на основе конвекции для двух режимов работы (акселерометра и инклинометра), учитывающая угол наклона и внешнее ускорение;
модели, позволяющие оценить быстродействие термоактюатора и акселерометра на основе конвекции;
методики проектирования интегрального актюаторного термоэлемента (термоактюатор на основе биморфной балки);
методики проектирования сенсорной микросистемы на основе термоэлементов (акселерометр на основе конвекции).
Анализ размерных эффектов при свободной конвекции в микрокамере
Микроакселерометры относятся к одному из важнейших классов кремниевых сенсоров - интегральным инерционным сенсорам. На сегодняшний день микроакселерометры занимают второе место по объему продаж после сенсоров давления. Это обусловлено их применением в автомобилях, бытовой технике и промышленности.
Тем не менее, область применения микроакселерометров может быть значительно расширена за счет уменьшения массогабаритных показателей, потребляемой мощности, возможности интеграции с микроэлектронными устройствами, и, самое главное, стоимости. Последнее является важным критерием при использовании микроакселерометров в новых областях, таких как персональная навигация [81, 82].
Почти все акселерометры содержат элемент, выполняющий роль инерционной массы, подвешенный на гибкую балку, прикрепленную к корпусу.
Под действием внешнего ускорения корпус перемещается. Благодаря инерции масса остается в покое, что приводит к изменению внутреннего напряжения в гибкой балке, посредством которой инерционная масса крепится к корпусу. Перемещение инерционной массы относительно корпуса и напряжение в гибкой балке используют для измерения внешнего ускорения.
Основными характеристиками акселерометров являются: - чувствительность, - рабочий диапазон, - частотный диапазон, - нелинейность, - надежность (ударная стойкость, температуростойкость) [81]. Поскольку микроакселерометры используются в различных областях, технические требования, предъявляемые к ним, зависят от области применения, которая довольно обширна. Например, для датчиков, измеряющих микрогравитацию в диапазоне 0,1 g, желательно разрешение менее чем 1 MKg с частотой до 1 Гц, в то время как для измерения ускорений объектов, летящих по баллистической траектории, желателен диапазон около 100 g с разрешением 1 g и частотой до 50 КГц [82]. Перемещение эталонной массы относительно корпуса и напряжение в гибкой балке используются для измерения внешнего ускорения. Для преобразования отклонения и напряжения в гибкой балке могут быть использованы различные механизмы. Большинство используемых физических эффектов можно разделить на: - пьезорезистивные, - емкостные, - туннельные, - резонансные, - тепловые. В гибких балках пьезорезистивных акселерометров находятся кремниевые пьезорезисторы. При движении корпуса гибкая балка растягивается или сжимается, что приводит к изменению механического напряжения и, следовательно, к разности потенциалов на контактах пьезорезистора. Пьезорезисторы в основном располагаются по краю корпуса и инерционной массы, где изменение механического напряжения максимально. В акселерометрах данного типа применяют два или четыре пьезоэлектрика. Основное преимущество пьезорезистивных акселерометров в простоте их структуры, технологии изготовления. Однако у пьезорезистивного акселерометра большая температурная погрешность и маленькая чувствительность по сравнению с емкостными датчиками. Из-за этого необходимы большая инерционная масса, а также схемы термокомпенсации. Чувствительность датчиков этого типа лежит в области (1-2) мВ/gnpn ускорении (20-50) g [81-83]. В емкостных акселерометрах измерение ускорения осуществляется посредством регистрации емкости между инерционной массой и корпусом. Кремниевые емкостные акселерометры имеют ряд преимуществ: низкая стоимость, высокая чувствительность, точность, низкая температурная чувствительность, малая мощность рассеивания и простота структуры. Однако емкостные акселерометры чувствительны к внешнему электромагнитному полю. Для устранения этого используют специальные корпуса, экранирующие акселерометры.
В микроакселерометрах используется два типа конструкций -боковая и вертикальная. При использовании вертикальной структуры инерционная масса перемещается в направлении, перпендикулярном к плоскости подложки, и, следовательно, измеряется проекция ускорения на нормаль к подложке. В боковых акселерометрах к инерционной массе прикреплены гребенки из множества зубцов, поэтому данный тип конструкции используют для измерения проекции ускорения параллельной подложке [81, 82, 84].
Туннельные сенсоры относятся к высокочувствительным микроакселерометрам, предназначенным для измерения ускорения в диапазоне MKg. Для контроля перемещения в них используется постоянный туннельный ток между штекером, прикрепленным к подвижной инерционной массе, и электродом. Туннельный акселерометр может достигать высокой чувствительности при малых размерах, поскольку туннельный ток чувствителен к перемещению. Однако этим акселерометрам необходимо высокое напряжение (десятки - сотни вольт), что ограничивает область их применения [81, 82, 85]. Кроме того, используют многие другие принципы, включая оптические и электромагнитные [81, 82].
В электромагнитных акселерометрах используются две катушки индуктивности, одна из которых расположена на поверхности инерционной массы, а вторая — на поверхности подложки. Эталонная масса, перемещаясь, изменяет взаимную индуктивность двух катушек.
Разработка конструкции интегрального актюатора поворота на основе биморфной балки
При увеличении высоты камеры и сохранении постоянным отношения высоты к ширине (1:2) также возрастает разность температур, регистрируемая датчиками температуры, и увеличивается нелинейность зависимости разности температур от ускорения (рис. 3.28). Зависимость разности температур от ускорения становится нелинейной также при увеличении температуры нагревателя (рис.3.29). Из приведенного выше следует, что возрастание числа Грассгофа соответствует увеличению нелинейности характеристик акселерометра (рис. 3.28,3.29). Особенно сильно на Ф линейность характеристик влияют ширина и высота камеры (рис. 3.28), поскольку число Грассгофа имеет кубическую зависимость от размеров камеры. Увеличение температуры нагревателя также будет приводить к нелинейности (рис. 3.28). Однако уменьшение температуры нагревателя приведет к уменьшению разности температур под действием ускорения и, следовательно, к снижению чувствительности акселерометра. На разность температур между датчиками влияет не только температура нагревателя, но и габариты камеры (рис. 3.28). Увеличение габаритов камеры при постоянной температуре нагревателя приводит к увеличению разности температур и, следовательно, чувствительности акселерометра. На разность температур между датчиками также влияет их расположение относительно нагревателя. Расстояние от нагревателя до датчиков, соответствующее максимальной чувствительности акселерометра, находится в пределах (300 600) мкм (рис. 3.18-3.25). С целью исследования разработанного конвективного микроакселерометра в НИИ MB С был изготовлен экспериментальный образец. В качестве герметичной микрокамеры был использован корпус микросхемы, высота которого от кристалла до крышки составляет 1 мм, ширина — 4 мм. Это позволило не использовать микросборку для формирования микрокамеры, как в [30-32]. На рис 3.30 представлена конструкция экспериментального образца интегрального акселерометра, который был изготовлен в НИИ MB С ТРТУ. На рис. 3.31, рис. 3.32 и рис. 3.33 представлены фотографии изготовленного образца. Сенсорами температуры в данной конструкции являются диффузионные терморезисторы Ri и R2 (рис. 3.32), находящиеся на консольных балках, выполненные в виде меандра. Они предназначены для измерения распределения температуры при различном угле наклона и внешнем ускорении. Диффузионный терморезистор R3 (рис. 3.32), расположенный на мосту, предназначен для оценки температуры нагревателя. Резисторы Ru и R (рис. 3.32), расположенные на мосту с двух сторон от терморезистора R3, являются нагревателями. Два резистора необходимы для создания симметричного температурного поля при отсутствии внешнего ускорения. Толщина моста и консольных балок составляет 50 мкм (см рис. 3.30). Две подковообразные протравленные области необходимы для уменьшения кондукционной составляющей при теплообмене между нагревателем и сенсорами температуры. Используемые в конструкции микрорезисторы имеют следующее сопротивления. В качестве герметичной камеры использовался металлостеклянный корпус. Исследование конвективного акселерометра проводилось при его работе в режим инклинометра. Терморезисторы Ri и R2 были включены в мостовую схему. По разбалансировке моста можно судить об угле наклона. На рис. 3.34 и рис. 3.35 представлены графики экспериментальных и расчетных (сплошная линия) зависимостей разностей потенциалов от угла наклона (кружочки) при различных напряжениях питания (ипит = 5 В, ипИт = 9 В). При напряжении питания 5 В перегрев нагревателя относительно корпуса составляет примерно 10 С, а при 9 В - примерно 15 С. Чувствительность акселерометра для напряжения питания 5 В составляет 1 мкВ/С (рис. 3.35). Постоянная времени экспериментального образца составляет 1-2 минуты. Расчеты, проведенные при данных, соответствующих экспериментальному образцу, подтверждают адекватность разработанной модели (3.45) (см. рис. 3.9, кривая 4). Для того чтобы увеличить чувствительность акселерометра необходимо увеличивать температуру нагревателя. В соответствии с выражением (3.41) температура нагревателя зависит от мощности, физических и топологических параметров моста, на котором находится нагреватель. Уменьшение толщины кантилеверов, на которых находятся сенсоры температуры, приведет к увеличению быстродействия (рис. 3.9).
Разработка модели распределения температуры в герметичной микрокамере
Разработан пакет прикладных программ (111 Ш) CONVECION, позволяющий моделировать распределение температуры в герметичной микрокамере. В основу ППП положен итерационный алгоритм, позволяющий численно решить систему дифференциальных уравнений, которая состоит из уравнения теплопроводности и уравнения Навье -Стокса в приближении Буссинеска.
Входными данными являются: - физические свойства газа, такие, как плотность, теплопроводность, удельная теплоемкость, коэффициент объемного расширения; - параметры микрокамеры: высота и ширина микрокамеры, температура ее стенок, координаты расположения и ширина нагревателя, а также его температура; - внешние воздействия: ускорение и угол наклона относительно земли. Программа рассчитывает влияние угла наклона и внешнего ускорения на распределение температуры в микрокамере, что позволяет определять основные параметры микроакселерометра, такие, как координаты датчиков температуры, габариты микрокамеры и температуру нагревателя. Интерфейс программы CONVECTION описан в приложении 2. 1. Предложена методика проектирования биморфного актюатора, позволяющая рассчитать требуемые геометрические размеры биморфной балки в зависимости от угла поворота актюатора, и максимальной занимаемой площади 2. Предложена методика проектирования интегрального конвективного акселерометра, позволяющая рассчитать требуемые параметры микрокамеры, нагревательного элемента и сенсоров температуры. 3. Разработан 111111 CONVECTION, позволяющий рассчитывать зависимость разности температур, регистрируемой сенсорами, от ускорения или угла наклона, при различных габаритах микрокамеры и температуре нагревателя. В результате выполнения теоретических и экспериментальных исследований в рамках диссертационной работы решены следующие задачи и получены следующие результаты: 1. Разработана конструкция интегрального термоактюатора на основе биморфной балки, изготавливаемого на основе планарной MUMPs технологии. 2. Разработаны аналитические модели интегрального термоактюатора на основе биморфной балки, позволяющие ощенить угол поворота, вырабатываемую силу и быстродействие. 3. Разработана численная двумерная модель для стационарного случая, позволяющая рассчитывать распределение температуры в микрокамере термоакселерометра, на основе уравнения Навье - Стокса в приближении Буссинеска и уравнения теплопроводности. 5. Получена аналитическая модель, позволяющая оценить температуру нагревателя при задании габаритов, теплопроводности моста и сопротивления нагревающего резистора в зависимости от подаваемого напряжения. 6. Разработана методика и пакет программ моделирования распределения температуры в микрокамере, заполненной газом. 7. На основе анализа полученных результатов моделирования усовершенствована конструкция интегрального акселерометра на основе конвекции. 8. Разработана методика проектирования предложенного интегрального термоактюатора на основе биморфной балки. 9. Разработана методика проектирования интегрального акселерометра на основе конвекции. В ходе выполнения диссертационной работы полученные результаты нашли практическое применение в научно-исследовательских работах №№ 13056/4, 13460, 13461, 13462, 13463, 13056, выполняемых в период с 2001 по 2003 г. в учебно-научно-техническом центре факультета электроники и приборостроения (УНТЦ ФЭП) и кафедре конструирования электронных средств (КЭС), в учебном процессе ТРТУ в курсах «Компоненты микросистемной техники», «Специальные разделы физики». По результатам диссертационной работы в НИИ MB С изготовлены экспериментальные образцы интегральных микроакселерометров на основе конвекции.
Пакет прикладных программ CONVECTION для моделирования свободной конвекции в герметичной микрокамере
Разработана конструкция интегрального акселерометра с учетом результатов моделирования и для технологии изготовления, применяемой в НИИ МВС ТРТУ. В основе разработанной конструкции был использован экспериментальный образец, представленный в главе 3.3. Для увеличения чувствительности акселерометра была уменьшена ширина моста, на котором находится нагреватель.
Сенсорами температуры в данной конструкции являются терморезисторы. В качестве герметичной микрокамеры используется корпус микросхемы. Высота и ширина микрокамеры 1 мм и 4 мм, соответственно. Расстояние между сенсорами температуры и нагревателя составляет 500 мкм, длина моста, на котором находится нагреватель, ПООмкм, толщина мембраны 50 мкм (рис. 3.35). Данные параметры моста позволяют обеспечить максимальную разность температуры между корпусом и нагревателем 100 С при напряжении питания 5 В. На рис. 3.36 приведен график зависимости разности потенциалов от угла наклона. При этом чувствительность составляет не менее 43 мкВ/ С . На рис. 3.37 приведена зависимость разности потенциалов от приложенного ускорения. При этом чувствительность составляет не менее 350 MKB/(M/CZ).
На рис. 3.38 - рис. 3.42 представлен технологический маршрут изготовления интегрального микроакселерометра на основе конвекции. В табл. 3.1 приведены обозначения, принятые нарис. 3.38 -рис. 3.42.
Разработана модель, позволяющая рассчитывать распределение температуры в герметичной микрокамере, заполненной газом, с учетом внешнего ускорения и угла наклона относительно земли. На основе полученной модели разработана программа, позволяющая моделировать распределение температуры в герметичной микрокамере с учетом конвекции, ускорения и угла наклона относительно горизонта.
На основе результатов моделирования был проведен анализ влияния размеров камеры и температуры нагревателя на распределение температуры в микрокамере, а также на разность температур, регистрируемой датчиками, при внешнем ускорении. Проведенный анализ позволил выработать рекомендации по проектированию микроакселерометра.
Разработана аналитическая модель, позволяющая оценить температуру нагревателя в зависимости от размеров моста, на котором он находится, а также напряжения питания и сопротивления нагревателя.
Полученная модель позволяет оценить влияние габаритов моста и параметров резистора на максимальную температуру резистора.
Разработана конструкция интегрального акселерометра с учетом результатов моделирования и особенностей технологии изготовления, применяемой в НИИ МВС ТРТУ.
Основным достоинством данной конструкции является ее технологичность, поскольку в разработанной конструкции роль микрокамеры выполняет герметичный корпус микросхемы. Это позволило увеличить объем микрокамеры, что привело к увеличению чувствительности акселерометра. По приведенным в главе 3.4 расчетам, чувствительность акселерометра на порядок выше, чем у аналогов приведенных в [31, 32].
