eng
Содержание
Введение 9
ЧАСТЬ 1 12
Глава 1. Конструкторско-технологические вопросы разработки
микросистемных датчиков 12
1.1.
Краткий исторический очерк развития микросистемой техники 12
1.2.
Кремний — универсальный материал для микросистемой техники 14
1.3.
Сухое травление кремния 23
1.4.
Методы глубокого вертикального травления кремния 30
1.5.
Пористый кремний в микросистемотехнике 36
1.6.
Обобщенный закон Гука для анизотропных сред 41
1.7.
Чувствительные элементы интегральных датчиков 43
1.8.
Корпусирование интегральных датчиков 49
Вопросы для самопроверки 56
Глава 2. Элементы и узлы микросистемных датчиков 57
2.1.
Емкостный преобразователь перемещений 57
2.2.
Метод трех генераторов для измерения микроперемещений 60
2.3.
Исключение влияний друг на друга осевого и углового движений
микромаятника 61
2.4.
Преобразователь перемещений на полевом эффекте 62
2.5.
Магниторезистивный преобразователь перемещений 71
2.6.
Магниторезистивный датчик перемещений на гигантском
магниторезистивном эффекте 72
2.7.
Оптоэлектронный преобразователь перемещений 75
2.8.
Датчик перемещений на принципе автоэлектронной эмиссии 76
2.9.
Диффузионные и эпитаксиальные тензопреобразователи 78
2.10.
Преобразователи на поверхностных акустических волнах 84
2.11.
Струнные тензопреобразователи 86
Вопросы для самопроверки 88
Глава 3. Параметры и характеристики микросистемных датчиков 90
3.1.
Расчет жесткостей однослойных упругих подвесов
с криволинейными обводами 90
3.2.
Расчет жесткостей многослойных упругих подвесов
микросистемных датчиков 95
3.3.
Оценка продольной устойчивости упругих подвесов интегральных
маятников акселерометров 99
3.4.
Противоударный демпфер для микросистемных акселерометров 102
3.5.
Газодинамическое демпфирование интегральных подвижных узлов 103
3.6.
Демпфирование перфорированных чувствительных элементов 110
3.7.
Оптимизация газодинамического демпфирования подвижного узла 112
3.8.
Магнитоэлектрическое демпфирование в микросистемных
акселерометрах и гироскопах 113
3.9.
Гистерезисное демпфирование в интегральных датчиках 115
3.10.
Демпфирование с помощью электрического контура 118
3.11.
Демпфирование с помощью механических поглотителей
виброэнергии 122
Вопросы для самопроверки 128
Глава 4. Микросистемные обратные преобразователи 129
4.1.
Электростатический преобразователь силы 129
4.2.
Диамагнитный преобразователь силы 131
4.3.
Магнитоэлектрический преобразователь силы 134
4.4.
Электромагнитный преобразователь силы 144
Вопросы для самопроверки 147
Глава 5. Интегральные термопреобразователи 148
5.1.
Линеаризация R-T-характеристики полупроводниковых
терморезисторов 148
5.2.
Интегральные датчики температуры 150
5.3.
Интегральный термоанемометр постоянной температуры 154
5.4.
Интегральный термоанемометр с переносом тепловых меток 159
Вопросы для самопроверки 164
Глава 6. Передаточные функции микросистемных датчиков 165
6.1.
Применение вариационного принципа Гамильтона для
определения передаточных функций микромеханически
чувствительных узлов 165
6.2.
Построение передаточных функций электрических схем 169
6.3.
Электрические схемы типовых динамических звеньев 171
Глава 7. Схемотехника микросистемных датчиков 174
7.1.
Линейные электрические схемы интегральных датчиков 174
7.2.
Нелинейные электрические схемы интегральных датчиков 183
7.3.
Источник опорного напряжения 189
7.4.
Релаксационный преобразователь сопротивления тензодатчиков
в частоту 194
7.5.
Преобразователь напряжения в частоту 197
7.6.
Интегральные датчики с цифровым выходом 199
7.9.
Микроконтроллеры в интегральных датчиках 205
Вопросы для самопроверки 208
Глава 8. Интегральные акселерометры 210
8.1.
Акселерометр с электростатической обратной связью 210
8.2.
Акселерометр с магнитоэлектрической отрицательной обратной
связью 226
8.3.
Акселерометр с электромагнитной обратной связью 237
8.4.
Акселерометр с импульсной обратной связью 241
8.5.
Осевой микросистемный акселерометр 245
8.6.
Угловой микросистемный акселерометр 247
8.7.
Емкостный акселерометр прямого измерения с гребенчатой
конструкцией чувствительного элемента 252
8.8.
Оценка погрешности интегральных акселерометров от воздействия
вибровозмущений 255
8.9.
Аппаратные методы снижения погрешностей акселерометров 257
Вопросы для самопроверки 262
Глава 9. Микрогироскопы 263
9.1.
Гироскопический принцип измерения угловой скорости 263
9.2.
Математическая модель чувствительного элемента
микросистемного ДУС с двухкоординатным подвесом 269
9.3.
Математическая модель чувствительного элемента
микросистемного ДУС типа «угловой вибратор» 278
9.4.
Математическая модель чувствительного элемента
микросистемного ДУС типа «линейный вибратор» 286
9.5.
Камертонный микрогироскоп 290
9.6.
Микрогироскоп с резонирующим кольцом 294
9.7.
Влияние анизотропии свойств кремния на параметры кольцевого
резонатора 305
9.8.
Математическая модель микросистемного гироскопа
с обращенным кардановым подвесом ротора 312
Вопросы для самопроверки 318
Библиографический список для первой части 319
ЧАСТЬ II 322
Глава 10. Микросистемные пьезорезонансные датчики 322
10.1.
Физические и информационные свойства кварца 322
10.2.
Общая математическая модель для пьезоэлектрических сред 328
10.3.
Пьезорезонансный датчик времени 331
10.4.
Кварцевые микровесы 333
6
Содержание
10.5.
Пьезорезонансный датчик температуры 337
10.6.
Пьезоэлектрический виброакселерометр 338
10.7.
Пьезорезонансный датчик перемещения 339
10.8.
Конструктивные схемы пьезоэлектрических гироскопов 341
10.9.
Цилиндрический пьезогироскоп 344
10.10.
Пьезогироскоп типа «гантель» 347
10.11.
Дисковый пьезогироскоп 350
Вопросы для самопроверки 357
Глава 11. Микромагнитометры 359
11.1.
Датчик магнитной индукции 359
11.2.
Микроэлектромеханический датчик магнитного поля 362
11.3.
Устройство для измерения индукции переменного магнитного
поля 365
11.4.
Импульсный магнитометр 366
11.5.
Магнитометр на основе анизотропного магниторезистивного
эффекта 368
11.6.
Магнитометр на основе p-n-перехода 373
11.7.
Магнитометр на ПАВ-структуре 375
Вопросы для самопроверки 376
Глава 12. Интегральные датчики давлений и влажности 378
12.1.
Расчет прогибов и деформаций интегральных чувствительных
элементов датчиков давлений 378
12.2.
Динамическая модель интегральной мембраны с жестким
центром 381
12.3.
Определение параметров передаточной функции интегральной
мембраны 385
12.4.
Условия проявления мембранного эффекта 388
12.5.
Датчик давлений с емкостным преобразователем 390
12.6.
Датчик давлений с электростатической обратной связью 397
12.7.
Датчик давлений с магнитоэлектрической обратной связью 400
12.8.
Датчики давления с полным тензорезисторным мостом 404
12.9.
Сверхминиатюрный датчик акустических давлений 409
12.10.
Интегральный высотомер 411
12.11.
Резонаторный датчик давлений 412
12.12.
Датчик влажности на полевом эффекте 416
12.13.
Гигрометр на основе оксида алюминия 419
12.14.
Интегральный СВЧ-влагомер 420
Вопросы для самопроверки 421
Глава 13. Интегральные расходомеры жидкостей и газов 423
13.1.
Термоанемометрический расходомер 423
13.2.
Вихревой расходомер 426
13.3.
Доплеровский расходомер 427
13.4.
Компенсационный расходомер жидкостей и газов 429
13.5.
Электромагнитный расходомер 433
Глава 14. Микроактюаторы. Тепловые микроактюаторы 440
14.1.
Классификация микроактюаторов 440
14.2.
Электростатические микроактюаторы 441
14.3.
Тепловые микроактюаторы 444
14.4.
Применение тепловых микроактюаторов 448
14.5.
Тепловые микроактюаторы на основе линейного расширения 451
14.6.
Тепловые актюаторы на основе многослойных балок 452
14.7.
Конструкции теплового микроактюатора на основе биморфной
структуры 453
14.8.
Расчет стрелы прогиба биморфной балки в зависимости
от температуры 455
14.9.
Распределения перегрева по длине балки микроактюатора 459
Глава 15. Оптимизация характеристик интегральных датчиков 466
15.1.
Оптимизация конструктивных параметров по динамическому
критерию 466
15.2.
Оптимизация по квадратичному критерию качества 469
15.3.
Оптимизация конструктивных параметров датчиков с помощью
метода неопределенных множителей Лагранжа 471
15.4.
Оптимизация отношения сигнал/шум 476
15.5.
Подавление тепловых шумов полупроводников 477
15.6.
Защита микросистемных чувствительных элементов
от вибрационной и ударной нагрузки 479
15.7.
Статистический подход к оптимизации передаточных функций
интегральных датчиков 483
15.7.
Применение фильтра Калмана для снижения случайных
погрешностей микродатчиков 488
Вопросы для самопроверки 492
Глава 16. Испытания и тарировка интегральных датчиков 493
16.1.
Многофакторные испытания статических характеристик
акселерометров 493
16.2.
Калибровка интегральных датчиков по экспериментальным
данным 496
16.3.
Идентификация передаточных функций интегральных датчиков
по экспериментальным АЧХ 497
16.4.
Испытания интегральных датчиков давлений 503
16.5.
Испытания интегральных датчиков перемещений 505
16.6.
Испытания интегральных термоанемометров 506
Вопросы для самопроверки 509
Глава 17. Надежность элементов и компонентов микроэлектромеханических
систем 510
17.1.
Виды и категории испытаний 510
17.2.
Оценка надежности микромеханических акселерометров 512
17.3.
Анализ механических напряжений 517
17.4.
Оценка надежности ММА с электронным преобразователем 521
17.5.
Оценка надежности чувствительного элемента
микромеханического гироскопа 526
Библиографический список для второй части 541
Приложения 545
Введение
В последнее десятилетие в технически развитых странах мира в авиационно-космическом
приборостроении наметилась устойчивая тенденция к разработке микросистемой техники
и технологии (МСТ). К МСТ относят интегральные датчики для измерений электрических
и неэлектрических величин, например параметров движения летательных аппаратов, ори-
ентации в пространстве и наведения, микромеханических роботов, медицинского микро-
инструмента, микросамолетов и т. д.
Современную научно-техническую революцию в приборостроении сделали цифровые
схемы, а именно микропроцессоры. Достигнуты значительные результаты в совершенство-
вании аппаратной части цифровых вычислителей, программного обеспечения, алгоритми-
зации численных методов вычислений, а также в применении микропроцессоров для обра-
ботки измерительной информации и в системах автоматического управления различными
процессами. Однако реальный физический мир в нашем восприятии является аналоговым.
Например, входные воздействия — температурные поля, давления в жидкостях и газах,
перемещения, скорости и ускорения различных объектов — это чаще всего непрерывные
функции координат и времени.
Посредниками между миром аналоговым и миром цифровым служат технические орга-
ны чувств — первичные датчики. В свою очередь, широкое применение микропроцессоров
ужесточило требования к характеристикам первичных датчиков. Для улучшения точности
первичных датчиков и снижения их себестоимости используют методы интегральной ми-
кротехнологии. Интегральные микродатчики совместили в себе чувствительные элемен-
ты со встроенными электронными схемами обработки и становятся все более похожими
на интегральные схемы.
С 30 марта 2002 года в России микросистемная техника официально объявлена кри-
тической технологией. В перечне критических технологий, утвержденном президентом
России, приведена следующая формулировка: «Сверхминиатюрные механизмы, прибо-
ры, машины с ранее не достижимыми массогабаритами, энергетическими показателями
и функциональными параметрами, создаваемые интегрально-групповыми экономически
эффективными процессами микро- и нанотехнологии».
Интегральная микротехнология является многообещающей в решении сложных во-
просов датчикостроения, однако, несмотря на значительные успехи в электронной ми-
кротехнологии, процесс создания и внедрения интегральных датчиков является весьма
специфичным, трудоемким и длительным. Во-первых, необходимо преодолеть инерцию
и психологический барьер при переходе от неинтегральных технологий в датчикостроении
к интегральным. Во-вторых, требуется время и средства на проведение исследований, раз-
работку типового ряда измерительных приборов и подготовку соответствующего произ-
водства и специалистов. При этом следует подчеркнуть, что перенос опыта микротехноло-
гии из производства чисто электронных приборов в область датчикостроения произошел
не один к одному, а с принципиальным развитием. Так, топологический расчет фотоша-
блонов для изготовления упругих чувствительных элементов в виде мембран, маятников,
струн и т. д. имеет свои специфические особенности, заключающиеся в следующем. Вы-
бор формы упругих подвесов, плоскостей и травителей тесно связан с получением опти-
мальных характеристик разрабатываемых микродатчиков. В готовых изделиях должны
быть максимально устранены влияния дефектов пластин, обусловленных предысторией
механической обработки, неоднородностями состава и дислокациями. Температурные на-
пряжения, связанные с локальными диффузиями примесей проводимости, выполняемы-
ми в силу конструктивной необходимости, например, при изготовлении тензорезисторов,
также должны быть максимально снижены.
Интегральные микродатчики, несмотря на кажущуюся простоту, в научно-техническом
плане представляют собой сложные приборы, поскольку их разработка и исследование
осуществляются на стыке многих наук: физики кристаллов, химии, теории электрического
поля в полупроводниках, теории упругости анизотропных сред, аэрогидродинамики и др.
Большие трудности при разработке интегральных микродатчиков связаны с их чувстви-
тельностью к побочным параметрам окружающей среды, не подлежащим измерению,
например к температуре. Ввиду многообразия применения и сложности, обусловленной
большим числом измеряемых физических величин, в основу работы интегральных микро-
датчиков положено множество принципов. Изложенное, а также высокая стоимость тео-
ретических исследований и необходимость проведения экспериментально-опытных работ
делают интегральные микродатчики пока еще довольно дорогим товаром.
При разработке интегральных датчиков нужно учитывать механические свойства
кремния, которые могут показаться удивительными тем, кто не знаком с этим материа-
лом. В своем кристаллическом состоянии кремний имеет предел разрушения 1 ГПа, что
выше, чем у большинства сталей. В сочетании с низкой плотностью 2330 кг/м3 это дает
очень прочный по отношению к собственному весу материал.
Наукоемкие инновации являются ключевым фактором технического прогресса. В настоящее время в науке и технике развитых стран одной из востребованных областей является микросистемная техника. В свою очередь, синергетический эффект в микросистемной технике находится в прямой зависимости от взаимодействия конструктивной структуры датчика, технологии производства и метода обработки сигналов.
Определение интегрального датчика. Современный датчик первичной информации
представляет собой микроэлектромеханическую систему, предназначенную для измере-
ния той или иной физической величины. В состав датчика в любом случае входят чувстви-
тельный элемент, реагирующий на измеряемую физическую сущность, и предварительный
электронный преобразователь. Например, упругую мембрану для датчика давлений или
маятник на упругих подвесах для акселерометра. В минимальном случае электронный пре-
образователь состоит из тензорезисторного или емкостного моста или какого-либо другого
устройства, разбалансирующегося под влиянием измеряемой величины. Выходные сигна-
лы датчиков стандартизируются по диапазонам напряжения, тока, частоты или кода, соот-
ветствующих пределам изменения контролируемых величин.
Датчики как технические органы чувств являются единственными устройствами, по-
зволяющими получать информацию о состоянии объектов и протекании различных про-
цессов. После обработки информации датчиков она становится руководством для сообраз-
ного выполнения действий машинами или живыми существами, например, в летательных
аппаратах для их ориентации в пространстве, в энергетических установках для оптимиза-
ции алгоритмов работы, в автомобилях в системах безопасности и экономичности рабо-
ты двигателей и многих других применениях. Современные датчики представляют собой
сложные системы и, как правило, имеют микроминиатюрные размеры при удовлетвори-
тельной точности [1].
Структура датчика. Первичный датчик информации может быть совмещен с интер-
фейсом связи и другими сервисными устройствами, выполняющими, например, функции
тестирования, самокалибровки или слияния информации от других датчиков, и с допол-
нительными датчиками адаптации к внешним условиям эксплуатации. В таком случае его
называют интеллектуальным. Примером интеллектуального датчика является турбинный
расходомер газа, в составе которого имеются дополнительные датчики температуры и дав-
ления, по сигналам которых осуществляется корректировка погрешностей, связанных
с изменениями температуры измеряемых сред. Еще одним примером интеллектуального
датчика может служить акселерометр со встроенными датчиками температуры и дополни-
тельными акселерометрами по поперечным осям, при обработке совместной информации
точность основного акселерометра возрастает.
На рис. 1.1 приведена обобщенная функциональная схема компенсационного датчи-
ка. Обратная связь может быть цифровой, аналоговой или той и другой одновременно.
Все узлы интеллектуального датчика, как правило, размещены в одном корпусе. Тем не
менее, для того чтобы обеспечить возможность использования датчиков предыдущих
поколений, в которых на аппаратном уровне осуществлено усиление, масштабирование
до стандартного уровня, линеаризация и т. д., интерфейс связи выполняют отдельно
и только ему придают интеллектуальные свойства. В этом случае речь идет об интеллекту-
альном интерфейсе. Он может содержать программируемый микроконтроллер, выполняю-
щий функции обработки, например корректирование температурных и инструментальных
погрешностей, линеаризацию и интегрирование. При этом точность интеллектуального
датчика определяется в цифровом варианте точностью ЦАП, а в аналоговом — точностью
звена обратной связи.
Минимальная структура первичного датчика может состоять только из чувствительно-
го элемента и предварительного электронного преобразователя. Такой датчик называют
датчиком прямого измерения. Его погрешность определяется суммой погрешностей чув-
ствительного элемента и электронного преобразователя.
Математические модели. Для описания свойств приборов первичной информации и их
узлов чаще всего применяют линейные модели. С одной стороны, это ограничивает полное
соответствие характеристик моделей и натуры, а с другой стороны, позволяет при проек-
тировании рассчитать полностью статические, динамические и точностные характеристи-
ки с приемлемой точностью. Дело в том, что, принимая динамические системы приборов
и датчиков как линейные системы, например описывая их с помощью передаточных функ-
ций, параметры передаточных функций в зависимости от конструктивных и физических
свойств все равно считают нелинейными, но на ограниченных пределах изменений [2].
Для существенно нелинейных процессов, например для зависимости сопротивления разо-
гретой нити или пленки от скорости ее обтекания внешним потоком, осуществляют ли-
неаризацию посредством сокращения пределов изменений, затем к линеаризированным
системам применяют преобразования Лапласа и теорию передаточных функций. В неко-
торых простых случаях удается составить нелинейные дифференциальные уравнения, на-
пример для источника опорного напряжения, и найти их решения, которые далее исполь-
зуются при расчетах для конкретных применений.
Для описаний механических чувствительных элементов применяют дифференци-
альные уравнения Лагранжа второго рода, порядок которых определяется числом степе-
ней свободы подвижных узлов (одной степени свободы соответствует два порядка). Далее
от дифференциальных уравнений переходят к операторным и уже из них определяют пере-
даточную функцию.
По оценкам западных технических экспертов, в датчикостроении в обозримом буду-
щем будут преобладать интегральные разработки на основе монокристаллического крем-
ния с использованием в составе конструкций и других материалов, например арсенида гал-
лия, кварца, полимеров с пьезоэлектрическими свойствами, стекла пирекс и др.
ЧАСТЬ 1
ГЛАВА 1
КОНСТРУКТОРСКО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ВОПРОСЫ РАЗРАБОТКИ МИКРОСИСТЕМНЫХ ДАТЧИКОВ
1.1. Развитие микросистемой техники
Нано и микроэлектромеханические системы (НЭМС и МЭМС) в настоящее время пере-
живают период бурного развития, который во многом будет определять вектор техниче-
ского прогресса в области нано- и микросистемной техники в ближайшем будущем.
Нанотехнологии являются фактором, непосредственно определяющим качественные сто-
роны электронных, механических, а также оптоэлектромеханических элементов сложно-
функциональных систем.
Технологии изготовления подобных микро- и наносистем очень разнообразны и на-
ходятся в стадии интенсивного развития. Наиболее значительные результаты по изготовле-
нию МЭМС, НЭМС и МОЭМС (НЭМС и МОЭМС — наноэлектромеханические системы
и микрооптоэлектромеханические системы) достигнуты благодаря различным нано- и ми-
кроэлектронным технологиям, технологиям интегральной оптики, а также успешно раз-
виваемым технологиям капсулирования, трехмерной сборки, высокоплотной интеграции
с использованием различных новых материалов и новых технологических процессов.
Микроэлектромеханические датчики и системы на их основе стали одними из наи-
более востребованных технических продуктов, используемых повсеместно. Современные
микроэлектронные системы развиваются стремительными темпами и могут состоять из
множества сложнофункциональных блоков, содержащих электронные, оптические, ми-
кромеханические приборы и подсистемы, которые обеспечивают выделение и преобразо-
вание необходимой информации, что дает в итоге расширенные интеллектуальные воз-
можности системы в сочетании с ее малыми массогабаритными показателями. Это, в свою
очередь, позволяет расширить области применения таких систем.
Очевидно, что в области робототехники и мехатроники востребованы микрооптоэлек-
тромеханические приборы и компактные радиоэлектронные устройства, обеспечивающие
работоспособность сложных механических систем, функционирующих в различных условиях.
Известно, что самые популярные механические устройства — автомобили содержат огромное количество датчиков и преобразователей, а также различных сложнофункциональных электронных блоков. Соответственно, и любые перспективные робототехнические и мехатронные системы должны и будут содержать огромное количество распределенных сенсорных, управляющих и исполнительных устройств, обеспечивающих их корректное функционирование, в том числе и в автономном режиме. Наиболее востребованными в этих устройствах являются микромеханические системы, обеспечивающие выделение информации преобразователями физических величин (различными датчиками). С помощью микроэлектромеханических систем (МЭМС) возможно решение задач ориентации, стабилизации и даже автономной навигации. Использование подобных систем, комплексированных с другими системами (спутниковыми навигационными системами (СНС), системами радиокоррекции, геомагнитными
системами и т. п.), может существенно повысить точность определения координат объекта и решить многие задачи с определением параметров движения в сложных условиях эксплуатации. В МИЭТ ведутся перспективные разработки различных микромеханических систем, таких как микроакселерометры, микрогироскопы, инклиномеры, курсовертикали, гиротахометры, инерциально-измерительные модули, бесплатформенные инерциальные навигационные системы, микроповоротные зеркала (матрицы зеркал и сканирующие зеркала), датчики удара, микрореле, микроэлектронные и микрооптоэлектронные переключатели, микроанемометрические датчики потока (расхода) жидких и газообразных сред и т. д.
Одним из важнейших направлений развития микросистемной техники является раз-
работка инерциальных микромеханических датчиков и систем на их основе (МЭМС). Ис-
пользование при создании этих устройств материаловедческой и технологической базы со-
временной твердотельной микроэлектроники позволяет обеспечить малые габариты и вес,
высокую надежность и низкую стоимость микромеханических датчиков.
Приборы, выполненные по МЭМС-технологии, имеют встроенные элементы управле-
ния и обработки информации, малое потребление энергии, большую устойчивость к внеш-
ним воздействиям. При производстве чувствительных элементов инерциальных микроме-
ханических датчиков применяют различные материалы, такие как монокристаллический
и поликристаллический кремний, плавленый кварц, различные стекла, пьезокристаллы,
многослойные структуры и т. д. Одним из наиболее перспективных материалов для изготовле-
ния чувствительных элементов микромеханических датчиков является монокристаллический
кремний. Благодаря его использованию возможна более глубокая интеграция электронных
и механических элементов и их совместимость с широко применяемой микроэлектронной
технологией. Интегрированные и объединенные в единый кристалл микроэлектромеханиче-
ские системы называют интеллектуальными iMEMS. Однако остается большое количество
хороших МЭМС, собранных на основе гибридных технологий, а также 2- и 3D-сборок.
Наиболее важным фактором совершенствования МЭМС, наряду с разработкой со-
вершенных конструкций микромеханических элементов и электронных схем управления
и обработки сигнала, является высокоплотная интеграция элементов (компонентов) раз-
личного функционального назначения и интеллектуализация систем и устройств, дости-
гаемая с использованием встроенных (интегрированных) сенсорных устройств, схем вы-
деления и обработки сигналов, логических вычислителей и приемопередающих устройств.
Подобные системы очень важны в медицине и микроробототехнике для проведения слож-
ных хирургических операций, а также в различных технических устройствах в области хи-
мии и биологии, например для разработки и изготовления микроаналитических систем,
микрофлюидных устройств, различных дозаторов, тактильных датчиков и специализиро-
ванных микромеханических устройств.
Перспективным является использование элементов МЭМС в биомедицинских целях.
В настоящее время широко используются МЭМС-датчики для определения параметров
сердцебиения. Актуальной задачей также является создание системы определения пара-
метров опорно-двигательного аппарата человека как при движении, так и в стационарных
условиях. Это необходимо для медицинских и спортивных тренажеров, для реабилитации
больных, для создания искусственных протезов. Немаловажной задачей является навига-
ция (ориентация) инструмента и крепежных деталей при проведении специальных хирур-
гических операций.
В последнее время актуальны исследования в области возобновляемых источни-
ков энергии. Наиболее широкие исследования в данной области посвящены созданию
устройств преобразования механической энергии на основе различных физических эф-
фектов и новых композитных материалов.
На рис. 1.2. представлены области применения интегральных датчиков.
1.2. Кремний — универсальный материал для микросистемой техники
Химический элемент кремний Si по распространенности на Земле занимает второе место
после кислорода. Его содержание в земной коре оценивается в 27,6 %. Важнейшее достоин-
ство кремния заключается в том, что во многих его разновидностях — монокристалличе-
ской, поликристаллической или аморфной — всегда проявляются его полупроводниковые
свойства. В настоящее время монокристаллический кремний (с-Si) (рис. 1.3) представляет
собой основной материал микроэлектронной технологии. На базе с-Si выпускаются раз-
нообразные полупроводниковые приборы от дискретных диодов и транзисторов до сверх-
сложных интегральных схем и контроллеров.
Мировое производство кремния для нужд полупроводникового приборостроения со-
ставляет около 5000 т/год поликристаллического кремния и около 3000 т/год монокристал-
лов (2000 гг.). Выбор в качестве конструкционного материала кремния позволил применять
для изготовления первичных датчиков известные из микроэлектроники групповые методы
обработки, такие как литография, локальное травление, диффузия, эпитаксия и окисле-
ние. Однако выбор этого материала определяется не технологией, а его физическими свой-
ствами. Известно, что монокристаллический кремний реагирует предсказуемым образом
на различные физические воздействия, имеет большой предел упругости, больший, чем
у нержавеющих сталей, но плотность его сравнима с плотностью алюминия. Кремний
может многократно подвергаться воздействию циклических механических напряжений,
не проявляя при этом эффекта усталости, имеет широкий рабочий диапазон температур
и высокую коррозионную стойкость. Низкий температурный коэффициент расширения,
отсутствие гистерезиса и возможность выражения большинства известных физических эф-
фектов обусловили выбор кремния в качестве конструкционного материала. Но главным
достоинством его является отличная воспроизводимость физических свойств.
Малая плотность при высоких упругих качествах кремния позволяет выполнять чув-
ствительные элементы с малой массой, имеющие рабочий диапазон частот до несколь-
ких мегагерц, способные выдерживать давления свыше 350 мПа и линейные ускорения
до 100000 g. Во многих микромеханических узлах полупроводниковые свойства кремния
не используются, например в акселерометрах и датчиках давлений с емкостными преоб-
разователями перемещений.
Кремниевая пластина (рис. 1.4) имеет скругленный край по периферии, который
при выполнении технологических операций предотвращает появление сколов и трещин,
а также позволяет избавиться от возникновения краевого утолщения при нанесении фото-
резиста.
Кремниевые пластины-заготовки обозначаются следующим образом:
1А2 КЭФ – 4,5 – 100,
где 1А2 — группа изготовления; КЭФ — состав (К — кремний, Э — электронная прово-
димость, Д — дырочная проводимость, Ф — легирование фосфором, Б — легирование
бором, С — легирование сурьмой); 4,5 — объемное сопротивление; 100 — ориентация;
диаметр обозначается в скобках: 76 – 100 – 150 – 200 – 250 – 300 мм … (толщина пластин
кремния для различных микромеханических датчиков может быть различной, чаще всего
от 100 мкм, 300 мкм до стандартизованных (или принятых на производстве в соответствии
с техническими условиями — обычно 380 20 мкм, 480 20 мкм и т. п.).
Ниже приведены некоторые параметры кремниевых пластин диаметром 100, 150,
200 мм, используемых для МЭМС.
( таблицу см. в книге)
На рис. 1.5 приведены обозначения кристаллографических осей и направлений для
монокремния. Как любой кристалл, кремний — материал анизотропный. Его кристалло-
графическая структура является кубической. Направление осей и плоскостей в кристаллах
определяют индексами Миллера. Например, для кремния начало координат располагают
в каком-либо узле решетки, а оси прямоугольной системы координат — параллельно гра-
ням элементарной ячейки. Называют такие оси x, y, z кристаллографическими. Если рас-
смотреть какую-либо плоскость AxByCz в кристаллографических осях, то видно, что она от-
секает отрезки 0Ax, 0By и 0Cz (рис. 1.5, а). Выберем одинаковые единицы измерения по всем осям: 0A1 = 0B1 = 0C1. Положение заданной плоскости AxByCz в кристаллографических осях можно определить, составив следующие соотношения:
( см. соотношения в книге)
Для нахождения индексов Миллера записывают обратные соотношения:
( см. соотношения в книге)
Далее дроби 1 m, 1 n, 1 p приводят к общему знаменателю, при этом получаются це-
лые числа, которые и называют индексами Миллера: h, k, l. На рис. 1.5, б–е показаны ха-
рактерные ориентации плоскостей. Причем если какая-либо плоскость не пересекает ту
или иную ось, то значение индекса Миллера на соответствующей позиции равно нулю.
При обозначении плоскостей индексы Миллера заключают в круглые скобки, осей —
в квадратные, семейства направлений — в угловые, а семейства плоскостей — в фигурные
(табл. 1.1).
Количественные соотношения для модуля упругости, модуля сдвига и коэффициента
Пуассона в произвольных направлениях определяются из обобщенного закона Гука для
анизотропных сред.
Чаще всего для получения чувствительных элементов микродатчиков кремниевые заго-
товки в виде пластин ориентируют в плоскостях (100), (110), (111). Срез у пластины-заготовки
(рис. 1.5) задает ориентацию по направлению <110>. Направления, ортогональные к этому
срезу, также соответствуют направлению <110>. Пластины кремния вначале подвергают
механической шлифовке, затем осуществляют технологическую подготовку поверхности.
На подготовленную и отмытую поверхность пластины наращивают защитную пленку в виде
двуокиси кремния SiO2. Пленку нужной толщины получают в процессе окисления.
В технологическом цикле изготовления кремниевых ЧЭ используется фотолитографи-
ческий процесс, обеспечивающий относительное смещение рисунка топологии на лице-
вой и обратной сторонах кристалла не более (2–3) мкм. В приборостроении в основном
используется метод двухстороннего совмещения по сквозным отверстиям (табл. 1.2). Точ-
ность совмещения достигается за счет сохранения при анизотропном травлении кремния
реперного знака квадратной формы, относительно которого обеспечивается взаимное рас-
положение электронных и механических компонентов. Для уменьшения общего времени
травления процесс формирования сквозных реперных меток делят на два этапа: 1) затрав-
ливание на величину, равную толщине мембраны; 2) одновременное травление мембран
и меток. Кремний в затравленных метках вытравливается на всю толщину пластины.
Для уменьшения дефектности на всех фотолитографических операциях на лицевой сторо-
не пластины формируется слой тугоплавкого металла высокой твердости Ti или TiW. После
операции плазмохимического травления нитрида кремния слой металла удаляется вместе
с фоторезистом в кислотно-аммиачном растворе.
На поверхность окисленной пластины наносят фоторезист и с помощью фотолитогра-
фического процесса образуют топологический рисунок датчика. В местах, где необходимо
произвести травление чувствительного элемента или диффузии электронных элементов,
фоторезист удаляют специальными растворами, а в защитной пленке из двуокиси кремния
вскрывают окна. Вскрытие окон осуществляется изотропными травителями.
В качестве защитной маски при изготовлении микромеханических деталей из кристалли-
ческого монокремния широко используется оксид кремния (SiO2). Из оксида кремния выполняют многослойные маски и путем многоступенчатого анизотропного травления получают необходимые профили. Распространение многослойных масок обусловлено простотой получения пленки SiO2 на поверхности исходных кремниевых пластин посредством термической обработки в среде, содержащей кислород и пары воды (t°1000 °C). При расчете необходимой исходной толщины пленки и величины ступенек между вытравленными в ней масками нужно учитывать, что при анизотропном травлении кремния слой окисла также травится, но с меньшей скоростью. Толщина термически выращенного окисла имеет разброс по площади пластины, а поверхность пленки имеет субмикронные дефекты, которые учитываются специальными припусками. Параметры многоступенчатого травления, такие как величины ступенек маски, время их травления и необходимая исходная толщина пленки, связаны между собой простым соотношением. Число ступенек маски эквивалентно числу фотошаблонов при традиционной технологии. Величина ступеньки маски Hi определяется по следующей формуле:
( см. формулу в книге)
Процесс травления основан на растворении исходных слоев, не защищенных маска-
ми. Травление может осуществляться как в жидких, так и в газообразных средах. Различают
следующие виды химического травления:
• изотропное травление полупроводника с одинаковой скоростью растворения
по всем направлениям, которое применяют для удаления нарушенного слоя или
полирования поверхности (рис. 1.6, а);
• анизотропное травление полупроводника с различной скоростью растворения
по разным кристаллографическим направлениям монокристалла (рис. 1.6, б);
• сухое ионно-плазменное травление с вертикальными боковыми стенками
(рис. 1.6, в).
Изотропное травление — это травление, скорость которого не зависит от направления.
Существуют два вида изотропного травления:
1) травление без перемешивания раствора, которое дает плоское дно лунки травле-
ния, и подтравливание под маску со скоростью, равной скорости травления в глубину
(рис. 1.7, а);
2) травление с перемешиванием раствора; в этом случае дно лунки близко к сфери-
ческому или эллиптическому за счет поступления свежих доз травителя в зону травления
(рис. 1.7, б).
Углы и выступы травятся быстрее, чем углубления, ввиду разности скоростей подачи
травителя. Изотропное травление, как правило, используют для выполнения отверстий
на мембранах и шлифовки.
Разновидностью рассмотренных выше травлений являются селективное и локальное
травления. Селективное травление — это растворение полупроводника с различной ско-
ростью на разных участках поверхности с различным химическим составом, а локальное —
это удаление материала со строго ограниченных и заданных участков полупроводника, ко-
торое обеспечивает получение заданного рельефа поверхности.
Размерное травление, например, сквозных щелей производят щелочными травителя-
ми. Для получения прецизионных фигурных областей со сложной формой микропрофиля
применяют анизотропные травители, чаще всего водные растворы едкого калия. Для боль-
шинства кристаллографических направлений скорость травления максимальна при 33 %-й
концентрации КОН и температуре 50–95 °C. Скорость травления в зависимости от кри-
сталлографического направления соответствует следующему ряду:
V[110] > V[100] > V[210] > V[211] > V[221] > V[111].
На рис. 1.8, а приведен пример чипа для травления канавок в плоскости (100). Внеш-
ние ребра чипа ориентированы в семействе направлений <110>. Достоинством пластины
рассматриваемой ориентации является то, что все внутренние и внешние грани канавок
травления ориентированы в семействе плоскостей (111). Это благоприятно сказывается
на живучести изделия, так как прочность в направлении [111] является максимальной.
Внутренние прямые углы при анизотропном травлении выдерживаются точно,
а у внешних углов имеет место подрезка в семействе плоскостей (211), поскольку скорость
травления V[211] меньше скорости V[100] в среднем лишь в два раза. Анизотропное травление
в плоскости (100) характеризуется тем, что полученные фигуры травления ограничиваются
следами плоскости (111), т. е. представляют собой лунки травления, имеющие квадратные
или прямоугольные формы, а в глубину — пирамидальное строение. При этом подтравли-
вания под маску практически не происходит. Внешние углы травятся быстрее (подрезают-
ся), так как они не принадлежат плоскости (111). Устранение подрезки внешних углов воз-
можно с помощью топологических маскирующих припусков-компенсаторов (рис. 1.8, б).
Размеры компенсаторов определяются глубиной травления кремния в плоскости (100)
и отношением скоростей травления в основном и дополнительных направлениях. Типич-
ное отношение скорости травления в направлении [100] к скорости в направлении [111]
составляет
V[100] : V[111] = 400 : 1. (1.1)
Общее правило травления канавок (или сквозных щелей) в плоскости (100) можно
сформулировать следующим образом. При достаточно длительном травлении анизотроп-
ным травителем через окно произвольной формы вытравливается пирамидальное углубле-
ние с боковыми гранями в семействе плоскостей (111), наклоненными к исходной плоско-
сти (100) под углом 54° 44.
Исходное произвольное окно в маске точно вписывается в прямоугольник, ориентиро-
ванный сторонами в семействе направлений [110] (рис. 1.8, г). В частном случае для круглой
маски результирующей фигурой травления является квадрат (рис. 1.8, в). Таким образом,
при неточной ориентации сторон прямоугольных масок с направлением [110] всегда имеет
место подтравливание под маску на величину этой неточности.
Выбор среза кремния в плоскости (100) для изготовления интегральных датчиков с глу-
бокими сквозными травлениями обусловлен тем, что именно здесь пересекаются плоско-
сти (100), (111) и (211) с регулярной симметрией. Для специальных применений известны
разнообразные методы травления канавок с вертикальными гранями, например, в плоско-
стях (110) и (111).
Скорость травления защитной пленки из двуокиси кремния при тех же режимах
в среднем на порядок ниже скорости травления самого монокремния и составляет доли
микрометров в минуту, в то время как скорость травления монокремния составляет едини-
цы микрометров в минуту. Известно также, что при травлении кислотными травителями
соотношение для ряда скоростей травления в зависимости от кристаллографического на-
правления является таким же, как и для щелочных. На скорость травления значительное
влияние оказывают концентрация примесей и их тип в кремнии. Поэтому при травлении
р- и n-кремния в составы анизотропных травителей вводят различные присадки. Разрабо-
таны также разнообразные самотормозящиеся виды травлений. Например, для травителя
из одной части 48 %-го раствора HF, восьми частей 99,5 %-го раствора CH3OOH и трех ча-
стей 70 %-го HNO3 для обоих типов проводимости скорость травления зависит от удельно-
го сопротивления. Так, при < 102 Oм⋅см скорость травления составляет 0,7–3 мкм/мин,
а при < 6,8 • 102 Oм⋅см она падает почти до нуля. Комбинируя предварительные диффу-
зии с анизотропными и изотропными травителями, можно получать с заданной размерной
точностью достаточно сложные объемные микроформы чувствительных элементов. Про-
цесс анизотропного травления чувствительного элемента представляет собой поэтапное
удаление атомных слоев (слой за слоем) с поверхности кристалла, т. е. в процессе травления
на поверхности кристалла образуются микроскопические ступеньки. Анизотропное трав-
ление не дает зеркальных поверхностей, тем не менее при нем точно выдерживаются боко-
вые поверхности в микропрофилях. Затем чувствительный элемент обрабатывают в тече-
ние 30 с в полирующем растворе изотропного травителя, состоящем из смеси плавиковой,
уксусной и азотной кислот, взятых в пропорции 1:1,2 : 6,2.
Обработка в полирующем растворе сглаживает микронеровности, остающиеся после
анизотропного травления, в результате чего предел прочности повышается в три-четыре
раза [20]. В прил. 2 приведены виды и характеристики травления кремния.
Для полупроводникового кремния из-за наличия на поверхности стабильного оксида
SiO2 выбор травителей ограничен, поэтому для кремния в основном используют травители
на щелочной основе или на основе растворов с содержанием фтористоводородной кислоты.
Механизм травления в щелочных травителях является химическим, а в растворах с содержа-
нием фтористоводородной кислоты имеет ярко выраженный электрохимический тип.
Контроль глубины травления, а также воспроизводимости размеров упругих элемен-
тов осуществляют различными методами (рис. 1.9), среди которых распространение по-
лучили следующие.
1. Контроль по времени травления: Vтр = h/t, где Vтр — скорость травления; h — глу-
бина травления; t — время травления. Его основное достоинство — простота, а не-
достаток — низкая воспроизводимость (1 мкм) из-за нестабильности процессов.
Применяется для небольших глубин и размеров (до 10 мкм).
2. Оптический метод (рис. 1.9, а) пригоден для упругих элементов толщиной до 25 мкм.
О толщине пластины судят по изменению ее цвета, определяемого цветоанализа-
тором.
3. Метод предварительного подтравливания осуществляется со стороны, противо-
положной глубокому травлению (рис. 1.9, а), и со стороны глубокого травления
(рис. 1.9, б). Этот метод эффективен для датчиков давлений с несимметричной
мембраной.
4. Применение самотормозящих видов травления (рис. 1.9, в). Когда травитель дохо-
дит до бора, скорость травления снижается в 50 раз. Точность травления определя-
ется точностью диффузии, ионной имплантации. Достоинства — высокая точность
и независимость от толщины пластины. Недостатки — годится только для тонких
мембран и односторонних упругих элементов, меняются свойства кремния из-за
внедрения бора (происходит щелчок при работе мембраны — релейный переход).
5. Метод контрольных окон. Практический метод. Окошечки травят с обеих сторон
пластины на глубину 0,5 h (при двухстороннем травлении) или h (при односторон-
нем травлении) (рис. 1.9, г). В каждом последующем слое эти четыре окошечка тра-
вятся в конечном итоге до тех пор, пока не протравятся насквозь.
В процессе размерного травления происходит подтравливание под защитную маску.
Глубина подтравливания зависит от времени травления и соотношения скоростей травле-
ния в основном и боковом направлениях:
(см. в книге)
где V[100] — скорость травления в направлении, перпендикулярном плоскости (100); t — время травления; А = V[100]/V[111]; V[111] — скорость травления в направлении, перпендикулярном плоскости (111).
Для жидкостного травления полупроводникового кремния разработаны составы трави-
телей с различными свойствами. Они обеспечивают разные скорости травления, обладают
различной степенью токсичности, требуют комнатной или повышенной температуры. На-
пример, при травлении полупроводникового кремния в плоскости (100) в 30 %-м растворе
этилендиамина в деионизованной воде при температуре травителя 100 °C V[100] = 100 мкм/ч,
V[111] = 0,5 мкм/ч, соответственно А = 200. Чтобы осуществить сквозное травление на пластине толщиной 0,38 мм с двух сторон, требуется время травления около двух часов.
Подставляя известные значения в формулу = V[100] t / Аsin, получим величину под-
травливания = 1,224 мкм. Следовательно, фактический размер а при травлении относи-
тельно рассматриваемого окна (рис. 1.10) будет уменьшен на 2.
Для чувствительной массы размерами Ам = 1 мм, Вм = 1 мм погрешность от под-
травливания составляет около 0,24 %, для Ам = 2 мм, Вм = 2 мм — около 0,122 %, для
Ам = 3 мм, Вм = 3 мм — 0,081 %. При размерном травлении кремния широко используются щелочные травители на основе КОН, NаОН. Эти травители менее токсичны, имеют неограниченный срок хранения, просты в обращении и обеспечивают более высокую воспроизводимость размеров при травлении, чем травители на основе этилендиамина.
Водный раствор КОН (350 г/л) при температуре 100 °C обеспечивает скорость растворения
кремния в плоскости (100) V(100) = 192 мкм/ч, в плоскости (111) V(111) = 6,6 мкм/ч. Скорость
травления защитной пленки VSiO2 = 0,48 мкм/ч. Отношение скоростей следующее:
А = V(100)/V(111) = 30, VSiO2/V(100) = 0,0025.
Процесс травления кремниевых пластин толщиной 0,38 мм с двух сторон с использо-
ванием водного раствора КОН для получения сквозных щелей занимает около 1 ч.
Ребра прямоугольных или квадратных несущих пластин ЧЭ ориентируют в направле-
нии [110], которое на исходных заготовках указывается в виде среза. При этом в протрав-
ленных сквозных отверстиях боковые поверхности оказываются ориентированными в на-
правлении [111] и, соответственно, на них имеет место наибольшая плотность упаковки
кристаллических центров. Для кремния в направлении [111] модуль упругости является максимальным, что придает элементам конструкций в этом направлении наибольшую прочность.
Альтернативой объемной микротехнологии является поверхностная. При ее использовании (рис. 1.11) заготовки для ЧЭ применяют трехслойные:
• слой поликремния, в котором выполняют ЧЭ;
• жертвенный слой из двуокиси кремния (стекла);
• слой монокремния, служащий основанием.
1.3. Сухое травление кремния
Рассмотрим особенности сухого травления как перспективного метода (рис. 1.12).
Для технологического процесса изготовления микросистемных элементов и устройств
наиболее подходящим является сухое травление. Этот процесс называется ионно-
плазменным. Он основан на использовании компонентов низкотемпературной газораз-
рядной плазмы — ионов, электронов и возбужденных атомов. Существует несколько типов
сухого травления: 1 — ионное травление (ИТ); 2 — ионно-плазменное травление (ИПТ);
3 — ионно-химическое травление (ИХТ); 4 — реактивное ионно-плазменное травление
(РИПТ); 5 — реактивное ионно-лазерное травление (РИЛТ); 6 — плазменное травление
(ПТ); 7 — реактивное травление (ПТ). Ионно-плазменное травление является базовым
и благодаря возможности анизотропного травления обуславливает высокое разрешение
при переносе рисунка.
Кремниевые пластины сначала очищают в водном растворе растворителей с ксилолом,
изопропилового спирта или других. Очищенные пластины высушиваются и загружаются
в кварцевый держатель, называемый лодочкой. Затем пластины помещают в кварцевую
трубу или ячейку диффузионной печи для окисления. Через входной конец трубы подается
поток «сухого» кислорода для выращивания на поверхности кремниевой пластины диок-
сида кремния.
Для каждой разновидности ионно-плазменного травления кремния, отмеченных
на рис. 1.12, разработаны специализированные установки. Наиболее простой установкой яв-
ляется диодная схема рис. 1.13, при которой между анодом и катодом прокачивается аргон.
Плазменное травление — метод травления кремния под действием компонентов га-
зоразрядной плазмы. Преимуществом всех видов сухого травления по сравнению с жид-
костным является высокая анизотропия процесса. А для плазменного травления положи-
тельным свойством является еще и отсутствие необходимости проведения дополнительных
операций для удаления с поверхности продуктов реакции и сторонних примесей, содержа-
щихся в исходных реагентах.
Катод по размерам выполнен значительно меньше анода, к тому же катод экраниро-
ван, а экран соединен со стенками камеры и одновременно заземлен. Плазма занимает
весь объем камеры. Поэтому для увеличения концентрации реагента около подложки вся
внутренняя поверхность рабочей камеры является анодом.
Наиболее эффективной для сухого травления является универсальная установка, пока-
занная на рис. 1.14. Установка состоит из вакуумной камеры 1 и газоразрядного реактора 4.
В методе ионно-лучевого травления источником ионов обычно является разряд постоянно-
го тока, ограничиваемый полем постоянных магнитов 5, причем область разряда физически
отделена от стравливаемой подложки 2 системой сеток (электродов) 3 и 9, на которые по-
даются потенциалы смещения, обеспечивающие экстрагирование ионного пучка (обыч-
но Аг+) из разряда. Для обеспечения используемых па практике плотностей тока пучка
(< = 1 мА/см2) требуется сообщать нонам энергию выше 500 В. Для нейтрализации ионного
пучка на его пути размещается разогреваемая нить накала 8, инжектирующая в анод 7 элек-
троны низких энергий. Стравливаемая подложка размещается на поворотном столике 10.
Активными частицами в травлении кремния являются атомы фтора и его радикалы SF5.
Вклад последних в скорость травления составляет около 30 %. Скорость травления подложки
при всех составах плазмы прямо пропорциональна концентрациям атомов фтора и разно-
сти потенциалов поверхности. При низких давлениях, когда потенциал смещения образца
относительно плазмы велик и энергия ионов составляет порядка 100 эВ, скорость травления
пропорциональна потоку ионов, а травление названо ионно-стимулированным. Скорость
травления легированного кремния зависит также от степени и типа его легирования.
Однако в плазме эффект ионного стимулирования вуалируется другими причинами:
переосаждением распыляемых материалов с электродов и стенок на поверхность образцов.
В результате возникает ее пассивация, которая снижает скорость травления. Такое же влия-
ние оказывает окисление поверхности кремния атомами, образующимися за счет диссоциа-
ции молекул кислорода из примесей в плазмообразующем газе, натекающем из атмосферы.
Основной продукт, испаряющийся с поверхности травления, — насыщенный фторид
SiF4. Вследствие высокой летучести SiF4 толщина фторированного слоя на поверхности
травления мала (~1 нм) и состоит из ненасыщенных фторидов SiFx (х = 1–3), что свиде-
тельствует о последовательном протекании реакций фторирования.
С помощью рассматриваемой установки сухое травление кремния может осущест-
вляться также посредством хлорсодержащей плазмы. При этом пассивация поверхности
проявляется за счет атомов хлора. А вследствие ионной бомбардировки обеспечивается
анизотропия травления, которая увеличивается по мере роста энергии ионов (низкое дав-
ление, низкая частота поля, наложение дополнительного смещения потенциалов от неза-
висимого источника или самосмещение). Однако по мере увеличения анизотропии уве-
личивается и опасность ухудшения качества поверхности после травления — нарушенная
структура, состав, встроенный поверхностный заряд и др.
Скорости травления увеличиваются по мере роста давления газа и мощности разряда.
При больших площадях поверхности экспонируемых образцов наблюдается изменение со-
става плазмы за счет больших потоков продуктов, а также обеднения плазмы активными
частицами. Это приводит к так называемому эффекту большой загрузки — снижению ско-
рости травления с увеличением площади образцов.
В хлорсодержащей плазме, как и при ионно-стимулированном травлении, травление
происходит только за счет ионной бомбардировки и наблюдается высокая анизотропия
при низких скоростях травления. При использовании фторхлорсодержащей плазмы анизо-
тропия за счет пассивации хлором сохраняется, а скорость травления увеличивается за счет
бомбардировки атомарным фтором.
Использование структур «кремний на изоляторе» (КНИ) для изготовления чувстви-
тельных элементов микроакселерометров и микрогироскопов (а также датчиков давления
и других МЭМС) дает существенные преимущества как в упрощении технологии изготов-
ления конечного изделия, так и при интеграции элементов микромеханики и электроники.
Благодаря полной диэлектрической изоляции всех элементов МЭМС на структурах КНИ
возможно создание интегрированных (интеллектуальных) систем в одном кристалле (на-
пример микроакселерометров) с несколькими осями чувствительности. На рис. 1.15 при-
ведена схема изготовления ЧЭ на структуре КНИ.
В дополнение к предыдущим двум технологическим методам развивается метод, ис-
пользующий 3D-технологии и послойное выращивание объекта на основе разработанной
3D-модели. Подобная 3D-технология может осуществляться разными способами, в том чис-
ле с использованием различных материалов, таких как пластики, жидкое стекло, порош-
ковый поликремний, металлы, керамика и др.
3D-принтеры развиваются не только в виде установок прототипирования, но и как пер-
спективные инструментальные установки для создания (сборки) трехмерных структур, включающих элементы датчиков, коммутационные провод ники, изолирующие слои, расстановку и сборку пассивных и активных электронных (оптических) элементов и компонентов.
В зависимости от технологии 3D-принтер может использовать один, два и более
материалов. В основе любого из методов лежит принцип послойного выращивания твер-
дого слоя (объекта) с помощью компьютерной программы. Процесс 3D-технологии яв-
ляется обратным по сравнению с объемным травлением. При травлении, например,
кремниевых структур слои кремния или иного материала (металла, диэлектрика и т. п.)
удаляются, а при 3D-технологии — наращиваются. Точность получаемых деталей при этих
двух методах неодинаковая. Если при травлении получаемая точность в основном зави-
сит от точности фотошаблона, то при наращивании — от точности позиционирования
и диаметра экструзионного жиклера. На рис. 1.16 приведена фотография 3D-принтера,
включающего следующие узлы: 1 — экструзионная головка с хромоникелевым жиклером;
2 — канал подачи расходного материала; 3 — остов принтера; 4 — акриловая печатная
платформа. Чаще всего применяют две экструзионные головки, одна из них — для подачи
основного формирующего материала, другая — для подачи легкоудаляемого материала,
например для поддержки висячих маятников в пустых камерах. При 3D-методе применя-
ются две принципиально различные технологии: лазерная и струйная. При лазерной тех-
нологии используется жидкий фотополимер (лазерная стереолитография) или порошки
(лазерное спекание).
Из специального жидкого фотополимера объект формируется посредством затверде-
вающего микрообъема под действием ультрафиолетового лазерного излучения. Луч лазе-
ра постепенно, пиксель за пикселем, засвечивает жидкий фотополимер. При этом он за-
твердевает и превращается в достаточно прочный пластик, после чего объект погружается
в фотополимер на толщину одного слоя, чтобы лазер мог приступить к формированию
следующего слоя.
При спекании лазер выжигает в порошке из легкоплавкого пластика слой за слоем
контур будущей детали. После этого лишний порошок стряхивается с готовой детали. Воз-
можно также использование ламинирования, при котором детали склеиваются из боль-
шого числа слоев расходного материала, при этом лазер вырезает в каждом слое контур
сечения будущей детали.
При струйном методе из раздаточного жиклера выдавливаются на охлаждаемую плат-
форму капли разогретого термопластика. Капли быстро застывают и слипаются друг с дру-
гом, формируя слои будущего объекта. Возможно применение нескольких струйных голо-
вок для осуществления окраски формируемых деталей.
Ответственной технологической операцией в конструкциях интегральных датчиков
является соединение кремниевых чувствительных элементов с металлическими корпус-
ными деталями. При этом должны быть обеспечены высокая механическая прочность
соединения и согласование соединяемых элементов по температурным коэффициентам
линейных расширений (ТКЛР). Известные из микроэлектроники методы соединения при
помощи стеклянных спаев, фритов, многослойных оксидных пленок, эвтектических спла-
вов в интегральных датчиках имеют ограниченное применение в связи с тем, что требуемая
температура соединения должна быть 700 °C и выше. Допустимая температура нагревания
элементов с запыленными алюминиевыми контактными площадками, а также электрода-
ми емкостных датчиков составляет порядка 450 °C. Применение в качестве напыляемого
металла золота расширяет допустимый диапазон температур до 800 °C.
Перспективным методом соединения кремниевых элементов (или металлических кор-
пусных деталей) с боросиликатными или другими ионосодержащими стеклами является
метод диффузионной сварки в электрическом поле (рис. 1.17).
Метод основан на том, что при нагревании до температуры свыше 300 °C боросиликат-
ные стекла становятся электрическими проводниками. Качество сварки зависит от подбо-
ра стекла (ЛК5, ЛК105) с ТКЛР, близким к кремнию. Необходимые условия для успешного
проведения сварки следующие:
1) качественная полировка кремния и стекла, желательно на оптический контакт
(по кольцам Ньютона);
2) рекомендуемая температура косвенного разогрева при сварке равна 450 °C, так как
происходит одновременная стабилизация алюминиевых проводников;
3) при малых воздушных зазорах в интегральных датчиках следует выбирать мини-
мальное напряжение из-за возможной деформации упругого элемента. В месте контакта
при максимальном токе разогрева температура повышается до 560 °C, что вполне достаточ-
но для надежного соединения.
Процесс диффузионной сварки состоит из следующих основных стадий:
образование физическ • ого контакта посредством сближения свариваемых поверхно-
стей, при этом удельное давление в местах сварки должно составлять 105–106 Па [19];
• активизация свариваемых поверхностей для протекания химических реакций, при
этом свариваемые поверхности нагревают до температуры порядка 400 °C;
• распространение эффектов взаимной диффузии. Необходимая величина адгезион-
ной силы создается электрическим полем за счет притяжения свариваемых поверх-
ностей как некоторых электродов в микроконденсаторе. Электрический потенци-
ал, подводимый к свариваемым поверхностям, составляет 50–5000 В. Полярность
подключения возбуждающего напряжения к свариваемым деталям большого зна-
чения не имеет, тем не менее в существующих приспособлениях групповой сварки
предусмотрена возможность смены полярности. Сварку осуществляют в течение
10–30 мин. Толщина свариваемого слоя составляет 10–500 нм и зависит от началь-
ного удельного давления, температуры и величины электрического потенциала.
Известно успешное применение диффузионной сварки в электрическом поле при се-
рийном производстве кремниевых акселерометров. Для соединения кремния с кремнием
на поверхности одной из свариваемых деталей предварительно выращивают слой борсо-
держащего диоксида кремния, а для соединения кремния с металлами и сплавами приме-
няют промежуточные слои (или пластины) из ионосодержащих стекол. Широкое распро-
странение в последнее время находит соединение кремниевых пластин с использованием
алюминиевого подслоя (рис. 1.18).
Основными преимуществами этого способа являются:
1) отсутствие изменений зазоров в соединяемых пластинах;
2) исключение как поверхностных, так и объемных токов утечки, так как места соеди-
нений являются локальными, т. е. электрически никак не связаны со всеми соеди-
няемыми пластинами;
3) отсутствие механических напряжений между соединенными пластинами.
При разработке интегральных датчиков часто приходится сталкиваться с различны-
ми противоречивыми требованиями. Например, не всегда может быть решена конструк-
тивным путем задача сведения к минимуму жесткости упругих элементов при достаточно
эффективном пределе прочности. Для снижения жесткости нельзя беспредельно умень-
шать толщину подвеса, так как микронеровности становятся соизмеримыми с рабочими
толщинами, а это приводит к резкому снижению предела прочности. Неприемлемо так-
же для снижения жесткости увеличение длины подвесов, поскольку при этом повышает-
ся вероятность на большой длине проявиться большему числу врожденных дислокаций,
а это, в свою очередь, снижает выход годных элементов. Компромиссное решение данно-
го вопроса — использование полирующих растворов для сглаживания микронеровностей
на тонких упругих перемычках.
Основное препятствие широкого внедрения интегральных датчиков до сих пор — тех-
нологические трудности получения заданной точности в групповых изделиях на одной
пластине, а также в изделиях от пластины к пластине, поскольку исходные заготовки крем-
ния в виде пластин не являются идеальными, а имеют локальные дефекты в виде неодно-
родностей структуры, неплоскопараллельности (выпуклости, вогнутости), остаточных
напряжений после механической обработки, температурных напряжений, возникающих
от разницы ТКЛР между исходными базовыми областями и диффузионными областями
(или слоями). Различные виды дефектов пластин-заготовок показаны на рис. 1.19.
Неоднородность исходных пластин по толщине приводит к разбросу расчетных ха-
рактеристик получаемых интегральных датчиков. Найдены частичные решения этой
проблемы в виде предварительного анализа исходных пластин и последующего управляе-
мого травления [33].
Для обеспечения большего процента выхода годных изделий пластины-заготовки
после механической обработки подвергают химико-технологической доводке. При этом
после контроля толщины пластины по всей поверхности применяют анизотропное вы-
равнивание, учитывая зависимость скорости травления от освещенности. В первом при-
ближении эта зависимость является линейной. По результатам измерения толщины под-
бирают светотеневые маски, что обеспечивает различную локальную скорость травления.
Одним из недостатков этого способа является необходимость многократного промежуточ-
ного контроля толщин пластины.
При производстве интегральных датчиков контролируют также глубину. Большой про-
блемой в начальный период разработок микродатчиков, особенно маятниковых чувстви-
тельных элементов с малой жесткостью упругих подвесов, стал эффект электростатического
«залипания». Силы электростатического притяжения подвижных узлов к неподвижным ока-
зались настолько значительными и неуправляемыми, что чувствительные элементы в непред-
сказуемые моменты времени становились практически полностью неработоспособными.
Был найден [14] простой и эффективный метод исключения «залипания» посредством
выполнения охранных заземленных контуров проводимости на неподвижных пластинах.
Расположение охранных контуров должно быть против острых ребер и кромок подвижных
узлов, т. е. в местах концентрации электрического поля, в целях отвода блуждающих за-
рядов на «землю».
1.4. Методы глубокого вертикального травления кремния
В основе плазменного травления лежит влияние ионной бомбардировки на поведение ней-
тральных частиц, особенно на стимуляцию их химического травления поверхности с обра-
зованием летучих продуктов. Так как направление электрического поля в катодной обла-
сти перпендикулярно поверхности пластины, то инжектируемые из плазмы ионы движутся
вдоль поля, что приводит к возрастанию скорости травления по вертикали относительно
скорости травления по горизонтали; этот эффект называют анизотропным травлением.
Электроны и фотоны также попадают на пластину, но не направленно, и их энергия на-
много меньше. Так как задачей травления в производстве микроструктур является точное
воспроизведение элементов изображения маски, то анизотропное травление обладает
большим преимуществом вследствие уменьшения подтравливания маски из-за бокового
травления. Вследствие значительных преимуществ в уменьшении размеров микросхем ани-
зотропия травления является наиболее важным фактором применения плазменного трав-
ления. Для объяснения механизма травления, стимулированного ионной бомбардировкой,
предложено много моделей. Наиболее вероятно, что с изменением химических условий
в системе изменяется и механизм ускоренного травления. На рис. 1.20 [8] показан профиль
структуры после анизотропного травления, иллюстрирующий один из предложенных ме-
ханизмов, при действии которого радикалы, образующиеся в плазме, осаждаются на плен-
ке, либо защищая ее от воздействия радикалов травителя, либо рекомбинируя с ними и тем
самым дезактивируя их. Эти центры пассивации-рекомбинации сохраняются на боковой
стенке структуры, но десорбируются с ее основания под действием ионной бомбардиров-
ки, что стимулирует травление. При определенных условиях в плазме наблюдают переход
от осаждения к травлению, если на пластину подано отрицательное смещение, чтобы энер-
гия ионов возрастала. В этом случае ионы очищают поверхность, что облегчает протекание
самопроизвольной химической реакции травления. Ионная бомбардировка может также
активировать реакцию травления, которая самопроизвольно не идет. Активация может
быть обусловлена удалением при бомбардировке плотно хемосорбированных продуктов
травления, что открывает доступ реагента к поверхности, или же возникновением на по-
верхности химически активных радиационных нарушений.
Следует заметить, что механизм анизотропного травления, изображенный на рис. 1.20,
имеет ограничения по глубине травимой канавки до нескольких мкм.
Для проведения процессов травления канавок в кремнии на глубину до 100 мкм и бо-
лее с вертикальными стенками был предложен так называемый Bosch-процесс. Его суть со-
стоит в многократном повторении двухстадийного цикла травления [60]. В первой стадии
цикла производится травление кремния через маску на сравнительно небольшую глубину в среде элегаза (SF6) (рис. 1.21, а). Во второй стадии цикла производится пассивация стенок протравленного профиля с помощью, например, разряда на основе хладона-318 (С4F8) (рис. 1.21, б). В следующем цикле травления ионная компонента разряда удаляет пассивирующий слой полимера со дна канавки и углубляет ее, в то время как боковые стенки канавки остаются защищенными маскирующим слоем полимера (рис. 1.21, в). Далее снова проводится пассивирующая стадия и т. д. В результате травление идет только в вертикальном направлении с небольшими периодическими подтравами в боковых направлениях.
В настоящее время существует ряд плазменных источников, которые могут быть ис-
пользованы для травления кремния. Основными из них являются реактивное ионное
травление (RIE — Reactive Ion Etching), реактивное ионное травление с концентрацией
магнитным полем (MERIE — Magnetically Enhanced Reactive Ion Etching), электронный
циклотронный резонанс (ECR — Electron Cyclotron Resonance), индуктивно связанная
плазма (ICP — Inductively Coupled Plasma) и т. п. Не все из них применимы для глубоко-
го травления кремния с высоким аспектным соотношением. Возможность использования
плазменного источника для этих целей можно наилучшим образом оценить с точки зрения
их критических действующих параметров. Одним из ключевых параметров является дав-
ление, от которого в значительной мере зависят физические свойства плазмы, химические
процессы, происходящие в объеме плазмы. Существует тенденция к понижению давления
с сохранением качества и воспроизводимости травления, особенно для травления узких
профилей и/или профилей с высоким аспектным соотношением. Уменьшение давления
приводит к уменьшению числа столкновений иона с нейтральными атомами и молекула-
ми, что увеличивает поступление ионов в зону реакции. Кроме того, появляются такие
преимущества, как, например, повышение энергозависимости побочных продуктов реак-
ции и уменьшение концентрации газовой фазы, а также отсутствие поверхностной поли-
меризации. Дополнительные преимущества — это уменьшение остатков продуктов реак-
ции, уменьшение вероятности повторного осаждения продуктов реакции.
Стандартная емкостная система разряда, состоящая из двух параллельно расположен-
ных электродов, не может быть применена при низком давлении из-за уменьшения плот-
ности ионов (ni < 109 см3) с уменьшением давления (p). Это возникает из возрастающе-
го преобладания деионизации плазмы по мере увеличения среднего свободного пробега
ионов, который определяет механизм генерации ионов и радикалов. Источники высокой
плотности, механизм которых основан на резонансной передачи энергии, и повышенная
степень плазменной концентрации могут преодолеть эти недостатки, обеспечивая при
низком давлении и высокую скорость травления. Отклонение траектории движения ионов
в результате столкновений ионов с нейтральными атомами в приповерхностном слое может
повлиять на профиль боковой стенки. Высокие ионные плотности уменьшают толщину
приповерхностного газового слоя, вследствие чего, в свою очередь, уменьшается рассеяние
ионов на нейтральных атомах, что потенциально улучшает формирование необходимого
профиля. Так, например, такое явление при использовании источника RIE, как уменьше-
ние глубины травления с уменьшением ширины канавки, зависит от многих параметров,
включая вероятность столкновений.
Для процесса RIE вертикальный характер боковой стенки канавки обусловлен иона-
ми, траектория пролета которых находится под углом менее чем 2° к поверхности. Такие
траектории ионов могут иметь место при низком давлении (10 мТорр) в источнике плазмы
высокой плотности. Таким образом, низкое давление (<10 мТорр) и высокая плотность ио-
нов (см. в книге) являются критическими параметрами для плазменных источников, применимых для изготовления МЭМС.
Возбуждение плазмы в различных источниках может быть обеспечено с использова-
нием как радиочастотного диапазона волн, так и микроволнового. При этом способ ин-
дуктивного возбуждения плазмы в настоящее время признан как, возможно, самый про-
стой и управляемый. ICP-процесс основан на простом принципе функционирования:
период изменения осевого магнитного поля (при подаче тока ВЧ на катушку) порождает
азимутальное электрическое поле, которое эффективно ограничивает плазменный поток.
При этом плазменный поток не пересекает стенки камеры, что обеспечивает минималь-
ное поступление загрязняющих веществ в реакционный объем. Область плазмы высокой
интенсивности расположена вплотную к боковым стенам камеры, и амбиполярная диф-
фузия обеспечивает очень однородную плазму внутри камеры. Энергия ионов, попадаю-
щих на поверхность подложки, может независимо управляться путем подачи ВЧ-смещения
на электрод с образцом. Этот простой принцип функционирования допускает изменение
режимов обработки в широком диапазоне и обеспечивает удобство в управлении техноло-
гическим процессом, что невозможно при использовании таких способов, как, например,
RIE и MERIE. Также нет необходимости в использовании сложных катушек магнитных
полей, микроволновых компонентов для возбуждения плазмы, что значительно снижает
стоимость оборудования, использующего источник ICP.
Как следует из вышеизложенного, ICP является наиболее оптимальным плазменным
источником для глубокого анизотропного травления кремния с высоким аспектным отно-
шением. На рис. 1.22 приведена схема ICP-реактора с цилиндрическим индуктором [8].
В соответствии с рисунком в камере поз. 1 установки образуется плазма при подаче
высокочастотного напряжения на катушку индуктивности поз. 2. Давление газа в камере
регулируется дозированной подачей газа через газовый ввод поз. 3 и откачкой продуктов
реакции механическим насосом через магистраль откачки камеры поз. 4. Охлаждение об-
разца осуществляется путем создания теплопроводящей газовой прослойки между пласти-
ной и охлаждаемым электродом (канал поз. 6 на рис. 1.22). Температура образца контроли-
руется и регулируется системой управления поз. 7.
Один из типовых режимов травления глубоких канавок в кремнии с использованием
Bosch-процесса включает следующие параметры:
расход газа SF6 300 см3/мин,
расход газа С4F8 150 см3/мин,
скважность подачи газов 7 с / 2,5 с,
давление газа 3 Па,
мощность ICP разряда 2000 Вт,
мощность смещения 100 Вт,
температура подложкодержателя 10 °C.
С использованием данного режима травления получен профиль гребенки, показан-
ный на рис. 1.23. Ширина выступов составляет 10 мкм, высота — 100 мкм. Вертикальность
профиля — 900,5 мкм.
Но следует заметить, что глубокое травление кремния на структуре КНИ имеет важ-
ную особенность, приводящую к подтраву профиля в его нижней части. Этот эффект обу-
словлен отражением ионов от диэлектрической прослойки структуры КНИ вследствие
накопления электростатического заряда на диэлектрической поверхности и известен под
названием «notching-эффект». Принцип его возникновения показан на рис. 1.24 [62].
Один из практических примеров проявления notching-эффекта представлен
на рис. 1.25.
Вследствие проявления «апертурного» эффекта, т. е. зависимости скорости травления
от ширины щели, в широких канавках (левая канавка на рис. 1.25) поверхность диэлектри-
ка, достигается раньше, чем в узких (правая канавка на рис. 1.25). И, пока идет дотравлива-
ние узкой канавки, на дне широкой проявляется notching-эффект, в соответствии с меха-
низмом, показанным на рис. 1.24.
Один из способов значительного ослабления или даже исключения notching-
эффекта предполагает использование в качестве источника смещения, подаваемого
на обрабатываемую подложку, не высокочастотного генератора, а генератора со срав-
нительно низкой частотой. Кроме того, напряжение смещения подается на электрод —
подложкодержатель не непрерывно, а в виде коротких импульсов. Это приводит
к «рассасыванию» электростатического заряда на поверхности диэлектрика и к предот-
вращению notching-эффекта.
Один из примеров глубокого травления кремния в составе структуры КНИ без notching-
эффекта показан на рис. 1.26.
При формировании структур чувствительного элемента был использован режим глу-
бокого травления кремния без notching-эффекта. В результате были получены структуры
с профилями, показанными на рис. 1.27.
1.5. Пористый кремний в микросистемотехнике
Впервые пористый кремний был получен в середине 20-го столетия в процессе исследо-
ваний электрохимической полировки поверхности кремния в водных растворах HF. Дли-
тельное время пленки пористого кремния считались лишь лабораторным курьезом и де-
тально не изучались. Необычайный интерес исследователей к пористому кремнию вызвал
обнаруженный в 1990 году эффект излучения света при комнатной температуре в видимой
красно-оранжевой области спектра при облучении лазером. Интерес к люминесценции
материалов на основе кремния вызван тем, что вся полупроводниковая промышленность
основана на монокристаллическом кремнии, который не может быть использован для соз-
дания светоизлучающих устройств, так как его излучательная способность ничтожно мала
(менее 0,001 %).
В основе стандартного способа формирования пористого кремния лежит процесс
электрохимического травления пластин c-Si в водном растворе плавиковой кислоты HF.
Важнейшей характеристикой пористого кремния является степень пористости, которая
определяет большинство его физических параметров и определяется выражением
(см. выражение в книге)
гдеPSi и Ppor-Si — плотности монокристаллического и пористого кремния соответственно.
Пористый кремний классифицируют по размеру пор:
микропористый кремний — R < 2 нм,
мезопористый кремний — 2 нм < R < 50 нм,
макропористый кремний — R > 50 нм.
Степень пористости образца с погрешностью порядка 10 % определяется обычно гра-
виметрическим методом (взвешиванием). Определение пористости этим методом прово-
дится в три этапа:
1. Взвешивание монокристаллической кремниевой пластины.
2. Вытравливание на ней пористого слоя и взвешивание получившегося образца.
3. Удаление пористого слоя путем стравливания его с кремниевой подложки и повтор-
ное взвешивание образца. В настоящее время значения пористости могут варьироваться
от 5 до 95.
При положительном потенциале на кремниевом электроде (аноде) протекают много-
ступенчатые реакции растворения и восстановления кремния. Вторым электродом (като-
дом) обычно служит платиновая пластина. При подходящем выборе плотности электриче-
ского тока на поверхности c-Si происходит формирование пористого слоя. Установлено,
что толщина пленки пористого кремния практически линейно зависит от времени травле-
ния и может меняться от долей до сотен микрометров. Структура пористого слоя определя-
ется плотностью тока, концентрацией HF в электролите и характером легирования крем-
ниевой подложки. Так, например, для кремния с электронным типом проводимости (n-Si)
или сильно легированного дырочного кремния (р+-Si) поры имеют вид перпендикулярных
поверхности каналов диаметром в десятки нанометров с более мелкими боковыми ответ-
влениями. Для образцов слабо легированного дырочного кремния (p-Si) или при освеще-
нии n-Si формируется структура в виде губки или коралла (см. рис. 1.28). Размеры пор и не-
протравленных участков при этом очень малы и составляют всего несколько нанометров.
В пористом кремнии в основном сохраняется порядок расположения атомов, уна-
следованный от подложки. Непосредственно после получения поверхность кремниево-
го скелета образцов пористого кремния покрыта адсорбированным в различных формах
водородом. Выдержка на воздухе, особенно сопровождающаяся освещением, приводит
к значительному окислению материала. Обобщая различные модели, можно отметить сле-
дующее. Поверхность Si при контакте с водными растворами HF насыщается водородом
и становится химически инертной по отношению к электролиту. Если на электроды подать
разность потенциалов, то дырки в кремниевой пластине начинают мигрировать к поверх-
ности раздела кремний — электролит. При этом атомы Si освобождаются от блокирующего
их водорода, начинают взаимодействовать с ионами и молекулами электролита и перехо-
дят в раствор. Если электролиз проводят при высокой плотности тока, то к поверхности
электрода поступает большое количество дырок. Они движутся к границе раздела сплош-
ным фронтом и обеспечивают реакционную способность практически каждому атому Si.
Поскольку микровыступы имеют большую поверхность, чем ровные участки, то они рас-
творяются быстрее. Таким образом, поверхность кремниевого анода постепенно выравни-
вается. Это и есть режим электрохимической полировки.
С электрической точки зрения материал с пористостью более 50 % полностью обеднен
носителями заряда и характеризуется удельным сопротивлением более 107 Ом/см при зна-
чении этого параметра у подложки 1–10 Ом/см. Если же электролиз проводить при низкой
плотности тока, то количества дырок не хватает для организации сплошного фронта, и по-
этому происходит локальное растворение кремния на поверхности. Согласно различным
моделям зарождение пор может начинаться на микроуглублениях, дефектах структуры, ме-
ханически напряженных участках или локальных возмущениях потенциального поля по-
верхности. С течением времени появившиеся поры продолжают свой рост в глубь электро-
да за счет дрейфа дырок к кончикам пор, где напряженность электрического поля выше.
Характерной чертой пористого кремния является большая суммарная площадь его вну-
тренней поверхности. В зависимости от величины пористости и геометрии пор она может
составлять для макропористого кремния от 10 до 100 м²/см³, для мезопористого — от 100
до 300 м²/см³ и для нанопористого — от 300 до 800 м²/см³. Пористый кремний в зависи-
мости от условий травления обладает широким интервалом величин удельного сопротив-
ления 10−2–1011 Ом•см. Теплопроводность высокопористого кремния более чем на порядок
ниже, чем у монокристаллического (~10 W/mK при 300 K). Оптические свойства пористого
кремния также существенно отличаются от таковых для объемного материала.
При определенных условиях при наличии окислителя пористый кремний имеет
тенденцию к воспламенению и детонации при механических, электрических, термиче-
ских воздействиях. Этот эффект впервые был отмечен в 1992 г. МакКордом, Яу и Бардом
(P. McCord S.-L. Yau and A. J. Bard, Science 257 (1992)). Энергия детонации пористого нано-
структурированного кремния приблизительно в четыре раза превосходит энергию детона-
ции тротила. В последнее время предлагается использовать детонацию пористого кремния
для инициации подушек безопасности в автомобилях, в кассетных реактивных двигателях
микросистемных летательных аппаратов.
Высокая удельная энергия при взрыве открывает принципиально новые возможности
для использования пористого кремния. На рис. 1.29 показаны этапы процесса разделе-
ния кремниевой пластины на отдельные чипы при помощи взрыва слоя пористого крем-
ния [63]. По сравнению с традиционными методами лазерного и алмазного разделения
кремниевых пластин данный метод имеет ряд преимуществ:
1 — ширина разделительной дорожки может быть уменьшена до 40 мкм;
2 — при помощи этого метода можно вырезать кремниевые кристаллы любой формы,
в том числе и круглые, и овальные, так как линия разреза формируется при помощи опе-
раций фотолитографии.
К другим возможным практическим применениям процесса взрыва пористого крем-
ния следует отнести изготовление самоуничтожающихся кремниевых чипов, а также эко-
логически безопасных пиротехнических схем.
На рис. 1.29, а приведен чип, в котором в маске 1 в кремниевой пластине 3 с помо-
щью метода электрохимического анодирования создана ячейка 2 из пористого кремния.
При наличии окислителя, например KNO3, пористый кремний становится микроисточни-
ком 4 энергии, рис. 1.29, б. Его активизация может осуществляться электрическим, терми-
ческим или механическим сигналом. Интересно, что при толщине слоя пористого кремния
меньше 60 мкм наблюдается процесс горения. А при толщине больше 60 мкм происходит
взрыв, сопровождаемый световой вспышкой. На рис. 1.29, в приведен результат разделения
исходного одиночного чипа на два — 5 и 6.
Полезным применением пористого кремния является создание на его основе преоб-
разователя радиоактивного -излучения в электроэнергию (рис. 1.30). Преобразователь
состоит из двух сплошных металлических электродов: 1 — анода и 6 — катода. На катоде
размещена монокремниевая пластина, диффундированная бором. Над р-пластиной 3 раз-
мещен каркас пористого кремния; в свою очередь, каркас выполнен из монокремния элек-
тронной проводимости. Поры в каркасе заполнены радиоактивным изотопом 2 никель-63.
Возможно также заполнение пор кремния тритием или тем и другим одновременно. Между
p- и n-слоями проходит условная граница раздела 4 pn-перехода, показанная тонкими ли-
ниями.
Работа происходит в виде образования электрон-дырочных пар при кулоновском
взаимодействии проникших в объем полупроводника бета-частиц с электронами атомов
кристаллической решетки.
Количество образовавшихся неравновесных носителей заряда пропорционально энер-
гии и интенсивности потока падающих бета-частиц. Вывод электроэнергии осуществляет-
ся от сплошных электродов (–) и (+).
За счет большой площади соприкосновения радиоактивного вещества с каркасом по-
ристого кремния увеличивается мощность преобразователя.
Для создания кремниевых приборов, работающих при высоких напряжениях, суще-
ствует необходимость в толстых диэлектрических слоях толщиной более 10 мкм. Одна-
ко диэлектрические пленки SiO2, получаемые окислением обычного кремния, не могут
быть толще нескольких микрон. Оказалось, что пористый кремний хорошо подходит для
решения этой задачи. Если этот материал подвергнуть термическому окислению, то за счет
развитой системы пор молекулы кислорода способны проникнуть на всю толщину пори-
стого кремния и привести к полному его окислению. Оптимальными для этих целей явля-
ются слои с пористостью около 50 %. Важно отметить, что процесс формирования диэлек-
трических пленок с использованием пористых слоев происходит при температурах, более
низких, чем при традиционном термическом окислении кремния.
С усложнением функциональных возможностей интегральных схем плотность элемен-
тов в них увеличилась настолько, что потребовалось найти способ исключить токи утечки
между ними через кремниевую подложку. Для этого была предложена структура «кремний
на изоляторе» (КНИ). КНИ-структура представляет собой основу из диэлектрического
материала с выращенным монокристаллическим слоем кремния. В этом случае элементы
интегральных схем формируются в объеме слоя, после чего выполняется операция локаль-
ного окисления по их периметру и каждый элемент становится изолированным от своих
соседей. В качестве изолирующей основы структур КНИ хорошо зарекомендовал себя
окисленный пористый кремний.
Кремний с пористостью меньше 30 % оказался эффективным буферным слоем при
эпитаксии монокристаллических пленок других полупроводников на кремнии. Основным
условием выращивания качественных слоев является близость величин постоянных реше-
ток кремния и наносимого материала. Однако можно выращивать слои с большим рассо-
гласованием решеток, если использовать промежуточные буферные слои. Использование
буферного слоя пористого кремния позволило решить задачу выращивания качественных
пленок полупроводников GaAs, PbS, PbTe и др. при выращивании структур на подложке
кремния.
В пористом кремнии в ходе электрохимического травления возможно получать эле-
менты с различной фрактальной размерностью, квантовые точки, квантовые нити. Поэто-
му пористый кремний с пористостью больше 50 % следует рассматривать как один из ма-
териалов наноэлектроники. Более того, перспективным может оказаться заполнение пор
другими химическими соединениями, что даст возможность формировать дополнитель-
ные низкоразмерные элементы в объеме пористого кремния.
Образцы пористого кремния, в которых пористость превышает 50 %, эффективно
люминесцируют. Фотолюминесценция может достигать эффективности до десятков про-
центов. Длиной волны излучения можно управлять, изменяя условия анодирования. Ока-
залось возможным получать красный, зеленый и синий цвета, необходимые для изготов-
ления цветных дисплеев.
Наиболее заманчивые перспективы практического использования пористого кремния
как материала для создания светоизлучающих устройств — светодиодов и плоских цветных
дисплеев, связаны с электролюминесценцией. Основной трудностью на пути разработок
было выяснение причин старения, приводящих к быстрой деграддации структур. Совре-
менные электролюминесцентные приборы имеют срок службы несколько лет при кванто-
вой эффективности порядка 10−1 %. Это стало возможным в результате введения в рабочий
объем атомов углерода или железа.
Для целей интегральной оптики применяются планарные световоды, представляющие
собой пленочную структуру, в которой проявляется эффект полного внутреннего отраже-
ния. Свет распространяется в слое с высоким показателем преломления, ограниченном
с двух сторон слоями с меньшим показателем преломления. Для пористого кремния этот
показатель зависит от пористости: чем больше пористость, тем меньше показатель прелом-
ления, и поэтому формирование многослойных структур с разной пористостью позволяет
получать на их основе волноводные элементы с низким уровнем потерь. Потери на погло-
щение можно дополнительно уменьшить окислением слоев пористого кремния. Подобные
световоды можно также получить на основе пористого стекла.
Поскольку пористый кремний обладает очень высокой удельной поверхностью, то его
можно использовать для создания датчиков влажности, газовых, химических и биологиче-
ских сенсоров. Принцип действия таких датчиков основан на влиянии внешних молекул
на электронное состояние поверхности, что в случае пористого кремния приводит к высо-
кой чувствительности. Обычно такие датчики фиксируют изменение емкостных свойств.
Ограничением является высокая химическая активность в окислительной среде, что требу-
ет периодической сложной калибровки таких датчиков.
Было обнаружено, что фотовозбужденный пористый кремний может генерировать
синглетный кислород. Поскольку кремний сам по себе не является токсичным для орга-
низма, его применение в этой области очень перспективно. Кремний быстро окисляется,
превращаясь в химически инертный оксид кремния, чего нельзя сказать о современных
препаратах, используемых в фотодинамической терапии.
Обсуждаются удивительные свойства слоев пористого кремния, сформированных
на подложках из монокристалла Si в электрохимическом процессе. Особое внимание уде-
ляется росту на пять порядков величины квантового выхода фотолюминесценции в таком
материале по сравнению с исходной подложкой. Наблюдаемый эффект связан с проявле-
нием квантового размерного ограничения в структурах кремниевого скелета и с пассива-
цией подавляющего числа дефектов на поверхности этих структур. Кроме того, широко
используется высокая фоточувствительность кремния, выражающаяся в изменении элек-
тропроводности при освещении, что позволяет преобразовывать световую энергию в элек-
трическую. Этот эффект находит применение в кремниевых фотоприемниках и солнечных
батареях.
1.6. Обобщенный закон Гука для анизотропных сред
В анизотропных средах связь между механическими напряжениями и деформациями уста-
навливается обобщенным законом Гука, который в тензорной записи можно представить
в одной из двух форм:
(см. в книге)
В общем случае для определения всех напряжений анизотропного материала требуется
81 компонента ( см. в книге). Однако из условия статического равновесия (см. в книге следует, что тензор
модулей упругости является симметричным по первым двум и последним двум индексам,
откуда число компонент может быть снижено до 36. Из условия взаимности деформаций
следует, что перестановка первых двух индексов со следующими двумя не меняет значения
модуля упругости, поэтому число его компонент снижается до 21. Далее можно воспользо-
ваться сокращенной формой записи тензорных индексов, исходящей из того, что внутри
пары индексов их можно переставлять между собой, а также пару индексов можно заменять одним по следующему правилу: 11 1, 22 2, 33 3, 23 4, 13 5, 12 6. В результате для кристаллов с кубической симметрией в кристаллографической системе координат [100], [010], [001] матрица модулей упругости определяется всего лишь тремя независимыми компонентами:
(см. в книге)
вой системе координат.
Для осуществления расчетов вместо модулей упругости можно использовать привычные определения для изотропной среды:
1) модуль Юнга (см. в книге)
2) коэффициент Пуассона (см. в книге)
3) модуль сдвига (см. в книге)
1.7. Чувствительные элементы интегральных датчиков
В зависимости от требований технического задания при конструировании интегральных
акселерометров могут быть использованы различные принципы построения: принцип
прямого измерения ускорений и принцип измерения с силовой компенсацией. Подвиж-
ные узлы могут быть осевого либо маятникового типа, а для выявления их движений ис-
пользуются датчики перемещений или деформаций. Последние чаще всего применяются
в приборах прямого измерения, так как для создания деформаций, ощутимых тензопре-
образователями, нужны упругие подвесы большой жесткости, что в конечном итоге требу-
ет значительных мощностей от датчиков силовой отработки. В конструкциях интегральных
акселерометров нашли применение два типа датчиков силовой отработки: магнитоэлек-
трические и электростатические.
Линейные и угловые акселерометры прямого измерения с тензорезисторными пре-
образователями обладают невысокой точностью (порядка 5 % от диапазона), поэтому их
применение ограничено. Интегральные акселерометры прямого измерения с емкостными
преобразователями перемещений имеют несколько лучшие характеристики (точность по-
рядка 1 %) и для случая газового демпфирования обладают оптимальными значениями от-
носительного коэффициента демпфирования [15].
Первичные чувствительные элементы (ЧЭ) акселерометров и датчиков давлений пред-
ставляют собой микромеханические преобразователи ускорений (или давлений) в переме-
щения или деформации упругих подвесов. В интегральных датчиках электронные преобра-
зователи перемещений (или деформаций) конструктивно выполняют на одном узле с ЧЭ,
при этом степень интеграции определяется числом функциональных элементов, объеди-
ненных в одном узле.
На рис. 1.31 приведены обобщенные варианты кремниевых ЧЭ линейных и угловых
акселерометров.
Каждый из них может быть видоизменен по топологии в соответствии с конкретным
конструкторским заданием, т. е. может быть выполнен симметричным и несимметричным
как в плане, так и относительно упругих подвесов. Симметричная форма подвижной мас-
сы относительно упругих подвесов наиболее рациональна в случае применения емкостных
преобразователей перемещений, а также преобразователей на полевом эффекте. При ис-
пользовании тензорезисторных преобразователей упругий подвес, как правило, выполня-
ется смещенным относительно середины толщины подвижного узла. Это делается для того,
чтобы поверхность корпусной пластины, поверхность подвижной массы и деформируемая
поверхность упругого подвеса были в одной плоскости, т. е. расположены планарно.
Все варианты ЧЭ пригодны для конструирования линейных акселерометров. Вариан-
ты (рис. 1.31, в, г) являются универсальными: при симметричном выполнении подвижной
смещении оси качания относительно оси симметрии подвижной массы они могут приме-
няться для линейных акселерометров. Все варианты ЧЭ (рис. 1.31) имеют внешние подвесы
относительно подвижной массы.
Чувствительный элемент, представленный на рис. 1.31, а, является чисто осевым. С та-
ким ЧЭ и емкостным преобразователем, встроенным в корпус акселерометра, фирмой
Endevco (США) выпускается серийно один из лучших акселерометров в мире. Его масса
вместе с выводным кабелем — 11,5 г. Габаритные размеры: 25 16 10 мм. Предел измере-
ния: 0,5–103 g. Демпфирование — газодинамическое. Полоса пропускания: до 1000 Гц. Точ-
ность в зависимости от заказа и стоимости: 5; 1; 0,1 % от максимального диапазона.
Имеются и отечественные разработки акселерометров с осевым ЧЭ. Например, пен-
зенский НИИФИ выпускает мелкими сериями аналогичный акселерометр, но с тензоре-
зисторным преобразователем и с жидкостным демпфированием.
Механическая жесткость четырех балок упругого подвеса для вариантов рис. 1.31, а, б
рассчитывается по следующей формуле:
(см. в книге)
массы относительно оси качания эти ЧЭ применимы для угловых акселерометров, а при
смещении оси качания относительно оси симметрии подвижной массы они могут приме-
няться для линейных акселерометров. Все варианты ЧЭ (рис. 1.31) имеют внешние подвесы
относительно подвижной массы.
Чувствительный элемент, представленный на рис. 1.31, а, является чисто осевым. С та-
ким ЧЭ и емкостным преобразователем, встроенным в корпус акселерометра, фирмой
Endevco (США) выпускается серийно один из лучших акселерометров в мире. Его масса
вместе с выводным кабелем — 11,5 г. Габаритные размеры: 25 16 10 мм. Предел измере-
ния: 0,5–103 g. Демпфирование — газодинамическое. Полоса пропускания: до 1000 Гц. Точ-
ность в зависимости от заказа и стоимости: 5; 1; 0,1 % от максимального диапазона.
Имеются и отечественные разработки акселерометров с осевым ЧЭ. Например, пен-
зенский НИИФИ выпускает мелкими сериями аналогичный акселерометр, но с тензоре-
зисторным преобразователем и с жидкостным демпфированием.
Механическая жесткость четырех балок упругого подвеса для вариантов рис. 1.31, а, б
рассчитывается по следующей формуле:
(см. в книге)
где Е[100] — модуль упругости кремния для направления [100]; aп, bп, cп — соответственно
длина, ширина и толщина балки упругого подвеса, выполненного в виде прямоугольного
параллелепипеда. Перемещение подвижного узла в направлении измерительной оси опре-
деляется выражением
(см. в книге)
где m — величина подвижной массы; j — действующее ускорение.
Упругий подвес на рис. 1.31, а может быть вырожден в сплошную тонкую перемычку
между подвижной массой и корпусной пластиной. Это имеет место для акселерометров
на пределы свыше 100 g. Расчет жесткости и перемещения при этом выполняют как для
мембраны с жестким центром, защемленной по внешнему контуру.
В случае несимметричного расположения упругих подвесов относительно подвижной
массы, т. е. в случае смещения центра тяжести относительно подвесов, в варианте рис. 1.31, з
возможно построение трехкомпонентного линейного акселерометра. Одна из компонент
осевая, а две другие — маятниковые в перпендикулярных направлениях к первой, возни-
кающих от изгибающих моментов соответствующих компонент инерционных сил. Преоб-
разователи в электрический сигнал могут быть как тензорезисторными, так и емкостными.
Для построения рассмотренного ЧЭ применяется глубинное анизотропное травление.
Чувствительный элемент, изображенный на рис. 1.31, б, используется для низкопре-
дельных акселерометров (0,1–103 g). Снижение жесткости достигается удлинением подве-
сов без увеличения площади кристалла в плане. Следует учитывать, что в этой конструкции
кроме осевого перемещения подвижная масса имеет еще вращательное движение. При ис-
пользовании емкостных преобразователей перемещений исключение влияния вращатель-
ного движения возможно путем уменьшения площади неподвижных электродов по сравне-
нию с площадью подвижной массы, являющейся одновременно проводящим подвижным
электродом [6].
В варианте рис. 1.31, г упругий подвес маятника работает на кручение. Специальны-
ми технологическими приемами профиль поперечного сечения подвеса можно выполнить
в виде шестигранника. Например, плоскость корпусной пластины совмещают с кристалло-
графической плоскостью (100), а боковые грани чипа — с семейством направлений <110>.
Вначале осуществляют двухстороннее несквозное травление по всему контуру маятни-
ка. Толщина непротравленной перемычки должна равняться толщине будущего подвеса.
Далее в местах подвеса с обеих сторон наносят маскирующие дорожки шириной, равной
стороне шестигранника. Затем выполняют сквозное анизотропное травление, при этом че-
тыре остальные грани по отношению к двум, маскированным в плоскости (100), будут вы-
травлены под углами 54° 44в семействе плоскостей {111}. Окончательную доводку до углов,
близких к 60°, производят с помощью изотропных полирующих травителей.
Характерной особенностью шестигранного подвеса является то, что сдвиговые на-
пряжения на всех ребрах равны нулю, а максимальные значения напряжений имеют место
вдоль средних линий боковых граней. Значение жесткости на кручение определяется для
шестигранного подвеса по следующей формуле:
(см. в книге)
где аш — размер стороны шестигранника; — коэффициент Пуассона.
Вариант рис. 1.31, г перспективен для конструирования ЧЭ не только угловых акселеро-
метров, но и при смещении оси качания — линейных акселерометров. В практике акселеро-
метрии широко распространен маятниковый несимметричный ЧЭ по варианту рис. 1.31, д.
По этой схеме был построен первый отечественный интегральный прибор, так называемый
балочный акселерометр с планарным расположением подвеса, корпусной пластины и под-
вижной массы [16]. Упругий подвес по существу представлял собой концентратор механи-
ческих напряжений, выполненный методом несквозного одностороннего анизотропного
травления, прямоугольный в плане. На противоположной от углубления плоскости был
расположен полный тензометрический мост. Эта конструкция продолжает совершенство-
ваться в основном по линии термокомпенсации тензочувствительного моста.
Другой разновидностью ЧЭ по варианту рис. 1.31, д является симметричный подвес
с криволинейными обводами в плане и по толщине подвеса. В качестве датчика пере-
мещений применяется емкостный преобразователь. Демпфирование — газодинамиче-
ское. Электронный преобразователь — встроенная в корпус датчика гибридная схема.
Для упругого подвеса с прямолинейными обводами расчетная формула для угловой жест-
кости имеет вид
(см. в книге)
где J b с п п
3 12 — момент инерции прямоугольного сечения подвеса; aп, bп, cп — размеры
массы маятника.
Одним из основных требований, предъявляемых к интегральным подвесам, является
условие минимума жесткости при максимальной живучести, т. е. при максимуме стойкости
подвесов к разрушению. В связи с этим для интегральных подвесов ставятся оптимизаци-
онные задачи, а в качестве критерия принимают постоянство изгибных напряжений в се-
чениях подвеса по его длине, т. е. условие отсутствия концентрации напряжений, особенно
около жестких монолитных заделок с корпусной пластиной и подвижной массой.
Для расчета предельных углов отклонения маятника используется следующая формула:
(см. в книге)
где jmax — ускорение верхнего предела проектируемого акселерометра.
Чувствительный элемент (рис. 1.31, е) представляет собой двойной маятник (маятник
в маятнике). Эта конструкция разработана в целях снижения жесткости упругих подвесов
без уменьшения прочности подвесов и увеличения общих размеров чипа. Применяется
двойной маятник для построения компенсационных акселерометров с силовой отработ-
кой, а также компенсационных указателей вертикали.
Разновидностью ЧЭ с криволинейными подвесами является конструктивная схема
(рис. 1.31, ж). Ее особенностью является исключение возможной потери устойчивости
подвеса при продольном нагружении: например, в компенсационных акселерометрах при
стремлении к снижению жесткости подвеса за счет увеличения его длины при одновре-
менном уменьшении площади поперечного сечения растяжек подвеса может иметь ме-
сто потеря продольной устойчивости отдельно рассматриваемой растяжки. В этом случае
применяют три растяжки, которые работают на растяжение от действия ускорений вдоль
подвеса. В направлении измерительной оси они подвержены поперечному изгибу и имеют
малую жесткость, обеспечивая получение необходимых характеристик акселерометра.
Все рассмотренные ЧЭ акселерометров могут быть выполнены по обращенной кон-
структивной схеме, в которой подвес является внутренним, а подвижный узел внешним.
В качестве примера на рис. 1.31, и приведен обращенный ЧЭ осевого типа, применяемый
для построения как линейных, так и угловых акселерометров.
Вариант ЧЭ акселерометра (рис. 1.31, к) является чисто осевым и может применять-
ся для построения как акселерометров, так и микрогироскопов. Компания Analog Devices
с 1991 года изготовляет семейство акселерометров ADXL, выполняемых по планарной тех-
нологии со встроенными схемами обработки. На корпусной пластине выполнены непо-
движные электроды емкостного датчика перемещений гребенчатого типа. Неподвижные
электроды приварены к корпусной пластине через изоляционные анкеры на молекуляр-
ном уровне. Чувствительная к ускорениям масса подвешена на восьми упругих растяжках.
На чувствительной массе выполнены подвижные электроды, входящие в зазоры между не-
подвижными электродами. Подвижные электроды и неподвижные преобразователя пере-
мещений служат одновременно электродами электростатического преобразователя силы.
Вся корпусная пластина имеет размеры 3 3 мм, а размеры чувствительной массы со-
ставляют 1 1 мм. Площадь корпусной пластины, за исключением чувствительной массы,
занята электрическими схемами обработки.
Особенностью конструкции микромеханического датчика угловых скоростей (ДУС)
по конструктивной схеме (рис. 1.31, л) является то, что подвижная чувствительная масса
подвешена на восьми Г-образных упругих подвесах. Такая подвеска позволяет чувстви-
тельной массе иметь линейные и угловые перемещения только в одной плоскости x и y.
Все ЧЭ (рис. 1.31) могут быть выполнены на жесткой рамке, консольно закрепленной
внутри несущей пластины (рис. 1.32). Такое решение применяют для того, чтобы снизить
влияние контактных напряжений, передаваемых на его упругие подвесы от площадок со-
единения несущей пластины с основанием. Оценку величины контактных напряжений
осуществляют по формуле Буссинеска. Для интегральных ЧЭ формула для оценки величи-
ны контактных напряжений, возникающих от любых силовых воздействий в местах соеди-
нений, имеет следующий вид:
(см. в книге)
где p — давление на контакт; — коэффициент Пуассона; S — площадь контакта; L — рас-
стояние от точки приложения сосредоточенной силы до заданного сечения; y0 — толщина
пластины с ЧЭ. Из формулы (1.7) видно, что с уменьшением размеров площадки соедине-
ния и с увеличением расстояния до упругих подвесов маятника влияние контактных на-
пряжений снижается.
Технологические погрешности изготовления ЧЭ интегральных акселерометров опре-
деляются погрешностями линейных размеров фотошаблонов, которые трансформируют-
ся в погрешности геометрических параметров чувствительной массы и упругих подвесов,
и совмещением их с кремниевой подложкой. Так, выражения для расчета максимального
и минимального значений чувствительной массы с учетом анизотропии и выше отмечен-
ных погрешностей имеют вид
(см. в книге)
где — плотность кремния; aп, bп, cп — соответственно длина, ширина и толщина чувствительной массы; aп, bп — погрешности линейных размеров и совмещения длины и ширины соответственно; — смежный угол угла травления.
Для расчета осевой и угловой жесткостей с учетом технологических погрешностей
имеют место следующие зависимости:
(см. в книге)
В качестве преобразователей перемещений чаще всего применяют емкостные, а в ка-
честве датчиков момента — электростатические и магнитоэлектрические преобразователи.
Собственно ЧЭ датчиков, выполненные по любому из рассмотренных вариантов, вносят
ошибку в диапазоне температур от −60 до +85 °C не более 0,05 % от диапазона измерений.
Ошибка в основном обусловливается наличием дислокаций в кремниевых заготовках и де-
формацией корпусных пластин, вызванной несоответствием значений ТКЛР кремния
и стеклянных крышек. Дальнейшее снижение ошибки возможно совершенствованием ис-
ходного материала и технологического процесса электростатической сварки.
Значительно большую долю в суммарную ошибку вносит электронная часть (более чем
на порядок по сравнению с ЧЭ). В настоящее время наметилась тенденция построения
цифровых датчиков ускорения в виде линейки предельных ЧЭ с двоичным весом. Каждый
ЧЭ несет контактную пару, которая срабатывает при достижении заданного ускорения.
Отсутствие в подобных схемах аналоговых электронных элементов, склонных к темпе-
ратурным ошибкам, выгодно отличает такие цифровые устройства. Однако здесь есть про-
блемы в динамике ЧЭ и устранении дребезга механических контактов. На рис. a изобра-
жены распространенные варианты интегральных ЧЭ датчика давлений. Чувствительный
элемент на рис. 1.33, а — это плоская интегральная мембрана с полным тензорезисторным
мостом.
Чаще всего мембрану выполняют из n-кремния в плоскости (100), прямоугольной
в плане, а диффузионные (имплантированные) или эпитаксиальные тензорезисторы —
из кремния p-проводимости. С такими ЧЭ возможно построение датчиков для измерения
абсолютных, избыточных и разностных давлений. С корпусными деталями ЧЭ соединяют
посредством промежуточных боросиликатных стеклянных пластин диффузионной свар-
кой в электрическом поле.
Верхний предел измеряемых давлений распространяется до 250 мПа, а точность изме-
рения — на уровне 1 %. Дальнейшее совершенствование рассмотренного ЧЭ возможно при
установлении аналитической зависимости деформации интегральной мембраны от при-
кладываемых давлений, что позволит поставить оптимизационные задачи при конструи-
ровании интегральной мембраны в совокупности с тензопреобразователем.
Чувствительный элемент на рис. 1.33, б является разновидностью варианта, приведен-
ного на рис. 1.33, а, и представляет собой симметрично расположенную относительно кор-
пусной пластины плоскую мембрану.
Применение этого ЧЭ предусматривается вместе с дифференциальными емкостными
датчиками перемещений. Упругие характеристики симметричной мембраны, а также тех-
нологические процессы ее изготовления аналогичны предыдущему варианту.
Разновидностью интегральных мембран являются мембраны с жестким центром
(рис. 1.33, в, г), а также мембраны с жестким кольцом (рис. 1.33, д). Назначение жесткого
центра зависит от типа применяемого преобразователя деформации (или перемещения)
в электрический сигнал. Так, при использовании тензорезисторного преобразователя
для интегральной мембраны с жестким центром повышается концентрация напряжений
в тонкой перемычке и существенно улучшается линейность характеристики [44]. В случае
использования емкостного преобразователя перемещений жесткий центр выполняет роль
подвижного электрода дифференциального емкостного датчика, что в конечном итоге по-
зволяет получить идеально линейную характеристику. Недостатком применения жесткого
центра является то, что датчик давлений становится чувствительным к линейным и угло-
вым ускорениям. Для полного исключения влияния ускорений выполняют два идентичных
датчика давлений на одной корпусной пластине, причем второй датчик закрыт от воздей-
ствия давлений, т. е. реагирует только на ускорения. Полезный сигнал выделяют посред-
ством электронной схемы в виде разностного значения.
Снижение влияния ускорений возможно в конструкции ЧЭ с жестким кольцом или
в так называемой мембране с двойной оправой, хотя основное назначение такой мембра-
ны — исключение температурных напряжений, возникающих в месте соединения внешней
оправы с металлической корпусной деталью. Тонкая перемычка между внешней и внутрен-
ней оправами гасит температурные напряжения. Внутренняя мембрана, оправой которой
служит плавающее жесткое кольцо, является рабочей. Тензорезисторный преобразователь
при этом размещают на внутренней мембране аналогично варианту рис. 1.33, а.
Улучшение линейности достигается за счет совместной деформации внутренней
и внешней мембран от измеряемых давлений в местах их заделки с внутренним кольцом.
Другое применение двухоправной мембраны возможно в качестве двухпредельного ЧЭ, при
этом тензорезисторные преобразователи выполняют как на внешней, так и на внутренней
мембране. Жесткости внешней и внутренней мембран рассчитывают в соответствии с за-
данными пределами давлений.
В последнее десятилетие в технически развитых странах мира в авиационно-космическом
приборостроении наметилась устойчивая тенденция к разработке микросистемой техники
и технологии (МСТ). К МСТ относят интегральные датчики для измерений электрических
и неэлектрических величин, например параметров движения летательных аппаратов, ори-
ентации в пространстве и наведения, микромеханических роботов, медицинского микро-
инструмента, микросамолетов и т. д.
Современную научно-техническую революцию в приборостроении сделали цифровые
схемы, а именно микропроцессоры. Достигнуты значительные результаты в совершенство-
вании аппаратной части цифровых вычислителей, программного обеспечения, алгоритми-
зации численных методов вычислений, а также в применении микропроцессоров для обра-
ботки измерительной информации и в системах автоматического управления различными
процессами. Однако реальный физический мир в нашем восприятии является аналоговым.
Например, входные воздействия — температурные поля, давления в жидкостях и газах,
перемещения, скорости и ускорения различных объектов — это чаще всего непрерывные
функции координат и времени.
Посредниками между миром аналоговым и миром цифровым служат технические орга-
ны чувств — первичные датчики. В свою очередь, широкое применение микропроцессоров
ужесточило требования к характеристикам первичных датчиков. Для улучшения точности
первичных датчиков и снижения их себестоимости используют методы интегральной ми-
кротехнологии. Интегральные микродатчики совместили в себе чувствительные элемен-
ты со встроенными электронными схемами обработки и становятся все более похожими
на интегральные схемы.
С 30 марта 2002 года в России микросистемная техника официально объявлена кри-
тической технологией. В перечне критических технологий, утвержденном президентом
России, приведена следующая формулировка: «Сверхминиатюрные механизмы, прибо-
ры, машины с ранее не достижимыми массогабаритами, энергетическими показателями
и функциональными параметрами, создаваемые интегрально-групповыми экономически
эффективными процессами микро- и нанотехнологии».
Интегральная микротехнология является многообещающей в решении сложных во-
просов датчикостроения, однако, несмотря на значительные успехи в электронной ми-
кротехнологии, процесс создания и внедрения интегральных датчиков является весьма
специфичным, трудоемким и длительным. Во-первых, необходимо преодолеть инерцию
и психологический барьер при переходе от неинтегральных технологий в датчикостроении
к интегральным. Во-вторых, требуется время и средства на проведение исследований, раз-
работку типового ряда измерительных приборов и подготовку соответствующего произ-
водства и специалистов. При этом следует подчеркнуть, что перенос опыта микротехноло-
гии из производства чисто электронных приборов в область датчикостроения произошел
не один к одному, а с принципиальным развитием. Так, топологический расчет фотоша-
блонов для изготовления упругих чувствительных элементов в виде мембран, маятников,
струн и т. д. имеет свои специфические особенности, заключающиеся в следующем. Вы-
бор формы упругих подвесов, плоскостей и травителей тесно связан с получением опти-
мальных характеристик разрабатываемых микродатчиков. В готовых изделиях должны
быть максимально устранены влияния дефектов пластин, обусловленных предысторией
механической обработки, неоднородностями состава и дислокациями. Температурные на-
пряжения, связанные с локальными диффузиями примесей проводимости, выполняемы-
ми в силу конструктивной необходимости, например, при изготовлении тензорезисторов,
также должны быть максимально снижены.
Интегральные микродатчики, несмотря на кажущуюся простоту, в научно-техническом
плане представляют собой сложные приборы, поскольку их разработка и исследование
осуществляются на стыке многих наук: физики кристаллов, химии, теории электрического
поля в полупроводниках, теории упругости анизотропных сред, аэрогидродинамики и др.
Большие трудности при разработке интегральных микродатчиков связаны с их чувстви-
тельностью к побочным параметрам окружающей среды, не подлежащим измерению,
например к температуре. Ввиду многообразия применения и сложности, обусловленной
большим числом измеряемых физических величин, в основу работы интегральных микро-
датчиков положено множество принципов. Изложенное, а также высокая стоимость тео-
ретических исследований и необходимость проведения экспериментально-опытных работ
делают интегральные микродатчики пока еще довольно дорогим товаром.
При разработке интегральных датчиков нужно учитывать механические свойства
кремния, которые могут показаться удивительными тем, кто не знаком с этим материа-
лом. В своем кристаллическом состоянии кремний имеет предел разрушения 1 ГПа, что
выше, чем у большинства сталей. В сочетании с низкой плотностью 2330 кг/м3 это дает
очень прочный по отношению к собственному весу материал.
Наукоемкие инновации являются ключевым фактором технического прогресса. В настоящее время в науке и технике развитых стран одной из востребованных областей является микросистемная техника. В свою очередь, синергетический эффект в микросистемной технике находится в прямой зависимости от взаимодействия конструктивной структуры датчика, технологии производства и метода обработки сигналов.
Определение интегрального датчика. Современный датчик первичной информации
представляет собой микроэлектромеханическую систему, предназначенную для измере-
ния той или иной физической величины. В состав датчика в любом случае входят чувстви-
тельный элемент, реагирующий на измеряемую физическую сущность, и предварительный
электронный преобразователь. Например, упругую мембрану для датчика давлений или
маятник на упругих подвесах для акселерометра. В минимальном случае электронный пре-
образователь состоит из тензорезисторного или емкостного моста или какого-либо другого
устройства, разбалансирующегося под влиянием измеряемой величины. Выходные сигна-
лы датчиков стандартизируются по диапазонам напряжения, тока, частоты или кода, соот-
ветствующих пределам изменения контролируемых величин.
Датчики как технические органы чувств являются единственными устройствами, по-
зволяющими получать информацию о состоянии объектов и протекании различных про-
цессов. После обработки информации датчиков она становится руководством для сообраз-
ного выполнения действий машинами или живыми существами, например, в летательных
аппаратах для их ориентации в пространстве, в энергетических установках для оптимиза-
ции алгоритмов работы, в автомобилях в системах безопасности и экономичности рабо-
ты двигателей и многих других применениях. Современные датчики представляют собой
сложные системы и, как правило, имеют микроминиатюрные размеры при удовлетвори-
тельной точности [1].
Структура датчика. Первичный датчик информации может быть совмещен с интер-
фейсом связи и другими сервисными устройствами, выполняющими, например, функции
тестирования, самокалибровки или слияния информации от других датчиков, и с допол-
нительными датчиками адаптации к внешним условиям эксплуатации. В таком случае его
называют интеллектуальным. Примером интеллектуального датчика является турбинный
расходомер газа, в составе которого имеются дополнительные датчики температуры и дав-
ления, по сигналам которых осуществляется корректировка погрешностей, связанных
с изменениями температуры измеряемых сред. Еще одним примером интеллектуального
датчика может служить акселерометр со встроенными датчиками температуры и дополни-
тельными акселерометрами по поперечным осям, при обработке совместной информации
точность основного акселерометра возрастает.
На рис. 1.1 приведена обобщенная функциональная схема компенсационного датчи-
ка. Обратная связь может быть цифровой, аналоговой или той и другой одновременно.
Все узлы интеллектуального датчика, как правило, размещены в одном корпусе. Тем не
менее, для того чтобы обеспечить возможность использования датчиков предыдущих
поколений, в которых на аппаратном уровне осуществлено усиление, масштабирование
до стандартного уровня, линеаризация и т. д., интерфейс связи выполняют отдельно
и только ему придают интеллектуальные свойства. В этом случае речь идет об интеллекту-
альном интерфейсе. Он может содержать программируемый микроконтроллер, выполняю-
щий функции обработки, например корректирование температурных и инструментальных
погрешностей, линеаризацию и интегрирование. При этом точность интеллектуального
датчика определяется в цифровом варианте точностью ЦАП, а в аналоговом — точностью
звена обратной связи.
Минимальная структура первичного датчика может состоять только из чувствительно-
го элемента и предварительного электронного преобразователя. Такой датчик называют
датчиком прямого измерения. Его погрешность определяется суммой погрешностей чув-
ствительного элемента и электронного преобразователя.
Математические модели. Для описания свойств приборов первичной информации и их
узлов чаще всего применяют линейные модели. С одной стороны, это ограничивает полное
соответствие характеристик моделей и натуры, а с другой стороны, позволяет при проек-
тировании рассчитать полностью статические, динамические и точностные характеристи-
ки с приемлемой точностью. Дело в том, что, принимая динамические системы приборов
и датчиков как линейные системы, например описывая их с помощью передаточных функ-
ций, параметры передаточных функций в зависимости от конструктивных и физических
свойств все равно считают нелинейными, но на ограниченных пределах изменений [2].
Для существенно нелинейных процессов, например для зависимости сопротивления разо-
гретой нити или пленки от скорости ее обтекания внешним потоком, осуществляют ли-
неаризацию посредством сокращения пределов изменений, затем к линеаризированным
системам применяют преобразования Лапласа и теорию передаточных функций. В неко-
торых простых случаях удается составить нелинейные дифференциальные уравнения, на-
пример для источника опорного напряжения, и найти их решения, которые далее исполь-
зуются при расчетах для конкретных применений.
Для описаний механических чувствительных элементов применяют дифференци-
альные уравнения Лагранжа второго рода, порядок которых определяется числом степе-
ней свободы подвижных узлов (одной степени свободы соответствует два порядка). Далее
от дифференциальных уравнений переходят к операторным и уже из них определяют пере-
даточную функцию.
По оценкам западных технических экспертов, в датчикостроении в обозримом буду-
щем будут преобладать интегральные разработки на основе монокристаллического крем-
ния с использованием в составе конструкций и других материалов, например арсенида гал-
лия, кварца, полимеров с пьезоэлектрическими свойствами, стекла пирекс и др.
ЧАСТЬ 1
ГЛАВА 1
КОНСТРУКТОРСКО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ВОПРОСЫ РАЗРАБОТКИ МИКРОСИСТЕМНЫХ ДАТЧИКОВ
1.1. Развитие микросистемой техники
Нано и микроэлектромеханические системы (НЭМС и МЭМС) в настоящее время пере-
живают период бурного развития, который во многом будет определять вектор техниче-
ского прогресса в области нано- и микросистемной техники в ближайшем будущем.
Нанотехнологии являются фактором, непосредственно определяющим качественные сто-
роны электронных, механических, а также оптоэлектромеханических элементов сложно-
функциональных систем.
Технологии изготовления подобных микро- и наносистем очень разнообразны и на-
ходятся в стадии интенсивного развития. Наиболее значительные результаты по изготовле-
нию МЭМС, НЭМС и МОЭМС (НЭМС и МОЭМС — наноэлектромеханические системы
и микрооптоэлектромеханические системы) достигнуты благодаря различным нано- и ми-
кроэлектронным технологиям, технологиям интегральной оптики, а также успешно раз-
виваемым технологиям капсулирования, трехмерной сборки, высокоплотной интеграции
с использованием различных новых материалов и новых технологических процессов.
Микроэлектромеханические датчики и системы на их основе стали одними из наи-
более востребованных технических продуктов, используемых повсеместно. Современные
микроэлектронные системы развиваются стремительными темпами и могут состоять из
множества сложнофункциональных блоков, содержащих электронные, оптические, ми-
кромеханические приборы и подсистемы, которые обеспечивают выделение и преобразо-
вание необходимой информации, что дает в итоге расширенные интеллектуальные воз-
можности системы в сочетании с ее малыми массогабаритными показателями. Это, в свою
очередь, позволяет расширить области применения таких систем.
Очевидно, что в области робототехники и мехатроники востребованы микрооптоэлек-
тромеханические приборы и компактные радиоэлектронные устройства, обеспечивающие
работоспособность сложных механических систем, функционирующих в различных условиях.
Известно, что самые популярные механические устройства — автомобили содержат огромное количество датчиков и преобразователей, а также различных сложнофункциональных электронных блоков. Соответственно, и любые перспективные робототехнические и мехатронные системы должны и будут содержать огромное количество распределенных сенсорных, управляющих и исполнительных устройств, обеспечивающих их корректное функционирование, в том числе и в автономном режиме. Наиболее востребованными в этих устройствах являются микромеханические системы, обеспечивающие выделение информации преобразователями физических величин (различными датчиками). С помощью микроэлектромеханических систем (МЭМС) возможно решение задач ориентации, стабилизации и даже автономной навигации. Использование подобных систем, комплексированных с другими системами (спутниковыми навигационными системами (СНС), системами радиокоррекции, геомагнитными
системами и т. п.), может существенно повысить точность определения координат объекта и решить многие задачи с определением параметров движения в сложных условиях эксплуатации. В МИЭТ ведутся перспективные разработки различных микромеханических систем, таких как микроакселерометры, микрогироскопы, инклиномеры, курсовертикали, гиротахометры, инерциально-измерительные модули, бесплатформенные инерциальные навигационные системы, микроповоротные зеркала (матрицы зеркал и сканирующие зеркала), датчики удара, микрореле, микроэлектронные и микрооптоэлектронные переключатели, микроанемометрические датчики потока (расхода) жидких и газообразных сред и т. д.
Одним из важнейших направлений развития микросистемной техники является раз-
работка инерциальных микромеханических датчиков и систем на их основе (МЭМС). Ис-
пользование при создании этих устройств материаловедческой и технологической базы со-
временной твердотельной микроэлектроники позволяет обеспечить малые габариты и вес,
высокую надежность и низкую стоимость микромеханических датчиков.
Приборы, выполненные по МЭМС-технологии, имеют встроенные элементы управле-
ния и обработки информации, малое потребление энергии, большую устойчивость к внеш-
ним воздействиям. При производстве чувствительных элементов инерциальных микроме-
ханических датчиков применяют различные материалы, такие как монокристаллический
и поликристаллический кремний, плавленый кварц, различные стекла, пьезокристаллы,
многослойные структуры и т. д. Одним из наиболее перспективных материалов для изготовле-
ния чувствительных элементов микромеханических датчиков является монокристаллический
кремний. Благодаря его использованию возможна более глубокая интеграция электронных
и механических элементов и их совместимость с широко применяемой микроэлектронной
технологией. Интегрированные и объединенные в единый кристалл микроэлектромеханиче-
ские системы называют интеллектуальными iMEMS. Однако остается большое количество
хороших МЭМС, собранных на основе гибридных технологий, а также 2- и 3D-сборок.
Наиболее важным фактором совершенствования МЭМС, наряду с разработкой со-
вершенных конструкций микромеханических элементов и электронных схем управления
и обработки сигнала, является высокоплотная интеграция элементов (компонентов) раз-
личного функционального назначения и интеллектуализация систем и устройств, дости-
гаемая с использованием встроенных (интегрированных) сенсорных устройств, схем вы-
деления и обработки сигналов, логических вычислителей и приемопередающих устройств.
Подобные системы очень важны в медицине и микроробототехнике для проведения слож-
ных хирургических операций, а также в различных технических устройствах в области хи-
мии и биологии, например для разработки и изготовления микроаналитических систем,
микрофлюидных устройств, различных дозаторов, тактильных датчиков и специализиро-
ванных микромеханических устройств.
Перспективным является использование элементов МЭМС в биомедицинских целях.
В настоящее время широко используются МЭМС-датчики для определения параметров
сердцебиения. Актуальной задачей также является создание системы определения пара-
метров опорно-двигательного аппарата человека как при движении, так и в стационарных
условиях. Это необходимо для медицинских и спортивных тренажеров, для реабилитации
больных, для создания искусственных протезов. Немаловажной задачей является навига-
ция (ориентация) инструмента и крепежных деталей при проведении специальных хирур-
гических операций.
В последнее время актуальны исследования в области возобновляемых источни-
ков энергии. Наиболее широкие исследования в данной области посвящены созданию
устройств преобразования механической энергии на основе различных физических эф-
фектов и новых композитных материалов.
На рис. 1.2. представлены области применения интегральных датчиков.
1.2. Кремний — универсальный материал для микросистемой техники
Химический элемент кремний Si по распространенности на Земле занимает второе место
после кислорода. Его содержание в земной коре оценивается в 27,6 %. Важнейшее достоин-
ство кремния заключается в том, что во многих его разновидностях — монокристалличе-
ской, поликристаллической или аморфной — всегда проявляются его полупроводниковые
свойства. В настоящее время монокристаллический кремний (с-Si) (рис. 1.3) представляет
собой основной материал микроэлектронной технологии. На базе с-Si выпускаются раз-
нообразные полупроводниковые приборы от дискретных диодов и транзисторов до сверх-
сложных интегральных схем и контроллеров.
Мировое производство кремния для нужд полупроводникового приборостроения со-
ставляет около 5000 т/год поликристаллического кремния и около 3000 т/год монокристал-
лов (2000 гг.). Выбор в качестве конструкционного материала кремния позволил применять
для изготовления первичных датчиков известные из микроэлектроники групповые методы
обработки, такие как литография, локальное травление, диффузия, эпитаксия и окисле-
ние. Однако выбор этого материала определяется не технологией, а его физическими свой-
ствами. Известно, что монокристаллический кремний реагирует предсказуемым образом
на различные физические воздействия, имеет большой предел упругости, больший, чем
у нержавеющих сталей, но плотность его сравнима с плотностью алюминия. Кремний
может многократно подвергаться воздействию циклических механических напряжений,
не проявляя при этом эффекта усталости, имеет широкий рабочий диапазон температур
и высокую коррозионную стойкость. Низкий температурный коэффициент расширения,
отсутствие гистерезиса и возможность выражения большинства известных физических эф-
фектов обусловили выбор кремния в качестве конструкционного материала. Но главным
достоинством его является отличная воспроизводимость физических свойств.
Малая плотность при высоких упругих качествах кремния позволяет выполнять чув-
ствительные элементы с малой массой, имеющие рабочий диапазон частот до несколь-
ких мегагерц, способные выдерживать давления свыше 350 мПа и линейные ускорения
до 100000 g. Во многих микромеханических узлах полупроводниковые свойства кремния
не используются, например в акселерометрах и датчиках давлений с емкостными преоб-
разователями перемещений.
Кремниевая пластина (рис. 1.4) имеет скругленный край по периферии, который
при выполнении технологических операций предотвращает появление сколов и трещин,
а также позволяет избавиться от возникновения краевого утолщения при нанесении фото-
резиста.
Кремниевые пластины-заготовки обозначаются следующим образом:
1А2 КЭФ – 4,5 – 100,
где 1А2 — группа изготовления; КЭФ — состав (К — кремний, Э — электронная прово-
димость, Д — дырочная проводимость, Ф — легирование фосфором, Б — легирование
бором, С — легирование сурьмой); 4,5 — объемное сопротивление; 100 — ориентация;
диаметр обозначается в скобках: 76 – 100 – 150 – 200 – 250 – 300 мм … (толщина пластин
кремния для различных микромеханических датчиков может быть различной, чаще всего
от 100 мкм, 300 мкм до стандартизованных (или принятых на производстве в соответствии
с техническими условиями — обычно 380 20 мкм, 480 20 мкм и т. п.).
Ниже приведены некоторые параметры кремниевых пластин диаметром 100, 150,
200 мм, используемых для МЭМС.
( таблицу см. в книге)
На рис. 1.5 приведены обозначения кристаллографических осей и направлений для
монокремния. Как любой кристалл, кремний — материал анизотропный. Его кристалло-
графическая структура является кубической. Направление осей и плоскостей в кристаллах
определяют индексами Миллера. Например, для кремния начало координат располагают
в каком-либо узле решетки, а оси прямоугольной системы координат — параллельно гра-
ням элементарной ячейки. Называют такие оси x, y, z кристаллографическими. Если рас-
смотреть какую-либо плоскость AxByCz в кристаллографических осях, то видно, что она от-
секает отрезки 0Ax, 0By и 0Cz (рис. 1.5, а). Выберем одинаковые единицы измерения по всем осям: 0A1 = 0B1 = 0C1. Положение заданной плоскости AxByCz в кристаллографических осях можно определить, составив следующие соотношения:
( см. соотношения в книге)
Для нахождения индексов Миллера записывают обратные соотношения:
( см. соотношения в книге)
Далее дроби 1 m, 1 n, 1 p приводят к общему знаменателю, при этом получаются це-
лые числа, которые и называют индексами Миллера: h, k, l. На рис. 1.5, б–е показаны ха-
рактерные ориентации плоскостей. Причем если какая-либо плоскость не пересекает ту
или иную ось, то значение индекса Миллера на соответствующей позиции равно нулю.
При обозначении плоскостей индексы Миллера заключают в круглые скобки, осей —
в квадратные, семейства направлений — в угловые, а семейства плоскостей — в фигурные
(табл. 1.1).
Количественные соотношения для модуля упругости, модуля сдвига и коэффициента
Пуассона в произвольных направлениях определяются из обобщенного закона Гука для
анизотропных сред.
Чаще всего для получения чувствительных элементов микродатчиков кремниевые заго-
товки в виде пластин ориентируют в плоскостях (100), (110), (111). Срез у пластины-заготовки
(рис. 1.5) задает ориентацию по направлению <110>. Направления, ортогональные к этому
срезу, также соответствуют направлению <110>. Пластины кремния вначале подвергают
механической шлифовке, затем осуществляют технологическую подготовку поверхности.
На подготовленную и отмытую поверхность пластины наращивают защитную пленку в виде
двуокиси кремния SiO2. Пленку нужной толщины получают в процессе окисления.
В технологическом цикле изготовления кремниевых ЧЭ используется фотолитографи-
ческий процесс, обеспечивающий относительное смещение рисунка топологии на лице-
вой и обратной сторонах кристалла не более (2–3) мкм. В приборостроении в основном
используется метод двухстороннего совмещения по сквозным отверстиям (табл. 1.2). Точ-
ность совмещения достигается за счет сохранения при анизотропном травлении кремния
реперного знака квадратной формы, относительно которого обеспечивается взаимное рас-
положение электронных и механических компонентов. Для уменьшения общего времени
травления процесс формирования сквозных реперных меток делят на два этапа: 1) затрав-
ливание на величину, равную толщине мембраны; 2) одновременное травление мембран
и меток. Кремний в затравленных метках вытравливается на всю толщину пластины.
Для уменьшения дефектности на всех фотолитографических операциях на лицевой сторо-
не пластины формируется слой тугоплавкого металла высокой твердости Ti или TiW. После
операции плазмохимического травления нитрида кремния слой металла удаляется вместе
с фоторезистом в кислотно-аммиачном растворе.
На поверхность окисленной пластины наносят фоторезист и с помощью фотолитогра-
фического процесса образуют топологический рисунок датчика. В местах, где необходимо
произвести травление чувствительного элемента или диффузии электронных элементов,
фоторезист удаляют специальными растворами, а в защитной пленке из двуокиси кремния
вскрывают окна. Вскрытие окон осуществляется изотропными травителями.
В качестве защитной маски при изготовлении микромеханических деталей из кристалли-
ческого монокремния широко используется оксид кремния (SiO2). Из оксида кремния выполняют многослойные маски и путем многоступенчатого анизотропного травления получают необходимые профили. Распространение многослойных масок обусловлено простотой получения пленки SiO2 на поверхности исходных кремниевых пластин посредством термической обработки в среде, содержащей кислород и пары воды (t°1000 °C). При расчете необходимой исходной толщины пленки и величины ступенек между вытравленными в ней масками нужно учитывать, что при анизотропном травлении кремния слой окисла также травится, но с меньшей скоростью. Толщина термически выращенного окисла имеет разброс по площади пластины, а поверхность пленки имеет субмикронные дефекты, которые учитываются специальными припусками. Параметры многоступенчатого травления, такие как величины ступенек маски, время их травления и необходимая исходная толщина пленки, связаны между собой простым соотношением. Число ступенек маски эквивалентно числу фотошаблонов при традиционной технологии. Величина ступеньки маски Hi определяется по следующей формуле:
( см. формулу в книге)
Процесс травления основан на растворении исходных слоев, не защищенных маска-
ми. Травление может осуществляться как в жидких, так и в газообразных средах. Различают
следующие виды химического травления:
• изотропное травление полупроводника с одинаковой скоростью растворения
по всем направлениям, которое применяют для удаления нарушенного слоя или
полирования поверхности (рис. 1.6, а);
• анизотропное травление полупроводника с различной скоростью растворения
по разным кристаллографическим направлениям монокристалла (рис. 1.6, б);
• сухое ионно-плазменное травление с вертикальными боковыми стенками
(рис. 1.6, в).
Изотропное травление — это травление, скорость которого не зависит от направления.
Существуют два вида изотропного травления:
1) травление без перемешивания раствора, которое дает плоское дно лунки травле-
ния, и подтравливание под маску со скоростью, равной скорости травления в глубину
(рис. 1.7, а);
2) травление с перемешиванием раствора; в этом случае дно лунки близко к сфери-
ческому или эллиптическому за счет поступления свежих доз травителя в зону травления
(рис. 1.7, б).
Углы и выступы травятся быстрее, чем углубления, ввиду разности скоростей подачи
травителя. Изотропное травление, как правило, используют для выполнения отверстий
на мембранах и шлифовки.
Разновидностью рассмотренных выше травлений являются селективное и локальное
травления. Селективное травление — это растворение полупроводника с различной ско-
ростью на разных участках поверхности с различным химическим составом, а локальное —
это удаление материала со строго ограниченных и заданных участков полупроводника, ко-
торое обеспечивает получение заданного рельефа поверхности.
Размерное травление, например, сквозных щелей производят щелочными травителя-
ми. Для получения прецизионных фигурных областей со сложной формой микропрофиля
применяют анизотропные травители, чаще всего водные растворы едкого калия. Для боль-
шинства кристаллографических направлений скорость травления максимальна при 33 %-й
концентрации КОН и температуре 50–95 °C. Скорость травления в зависимости от кри-
сталлографического направления соответствует следующему ряду:
V[110] > V[100] > V[210] > V[211] > V[221] > V[111].
На рис. 1.8, а приведен пример чипа для травления канавок в плоскости (100). Внеш-
ние ребра чипа ориентированы в семействе направлений <110>. Достоинством пластины
рассматриваемой ориентации является то, что все внутренние и внешние грани канавок
травления ориентированы в семействе плоскостей (111). Это благоприятно сказывается
на живучести изделия, так как прочность в направлении [111] является максимальной.
Внутренние прямые углы при анизотропном травлении выдерживаются точно,
а у внешних углов имеет место подрезка в семействе плоскостей (211), поскольку скорость
травления V[211] меньше скорости V[100] в среднем лишь в два раза. Анизотропное травление
в плоскости (100) характеризуется тем, что полученные фигуры травления ограничиваются
следами плоскости (111), т. е. представляют собой лунки травления, имеющие квадратные
или прямоугольные формы, а в глубину — пирамидальное строение. При этом подтравли-
вания под маску практически не происходит. Внешние углы травятся быстрее (подрезают-
ся), так как они не принадлежат плоскости (111). Устранение подрезки внешних углов воз-
можно с помощью топологических маскирующих припусков-компенсаторов (рис. 1.8, б).
Размеры компенсаторов определяются глубиной травления кремния в плоскости (100)
и отношением скоростей травления в основном и дополнительных направлениях. Типич-
ное отношение скорости травления в направлении [100] к скорости в направлении [111]
составляет
V[100] : V[111] = 400 : 1. (1.1)
Общее правило травления канавок (или сквозных щелей) в плоскости (100) можно
сформулировать следующим образом. При достаточно длительном травлении анизотроп-
ным травителем через окно произвольной формы вытравливается пирамидальное углубле-
ние с боковыми гранями в семействе плоскостей (111), наклоненными к исходной плоско-
сти (100) под углом 54° 44.
Исходное произвольное окно в маске точно вписывается в прямоугольник, ориентиро-
ванный сторонами в семействе направлений [110] (рис. 1.8, г). В частном случае для круглой
маски результирующей фигурой травления является квадрат (рис. 1.8, в). Таким образом,
при неточной ориентации сторон прямоугольных масок с направлением [110] всегда имеет
место подтравливание под маску на величину этой неточности.
Выбор среза кремния в плоскости (100) для изготовления интегральных датчиков с глу-
бокими сквозными травлениями обусловлен тем, что именно здесь пересекаются плоско-
сти (100), (111) и (211) с регулярной симметрией. Для специальных применений известны
разнообразные методы травления канавок с вертикальными гранями, например, в плоско-
стях (110) и (111).
Скорость травления защитной пленки из двуокиси кремния при тех же режимах
в среднем на порядок ниже скорости травления самого монокремния и составляет доли
микрометров в минуту, в то время как скорость травления монокремния составляет едини-
цы микрометров в минуту. Известно также, что при травлении кислотными травителями
соотношение для ряда скоростей травления в зависимости от кристаллографического на-
правления является таким же, как и для щелочных. На скорость травления значительное
влияние оказывают концентрация примесей и их тип в кремнии. Поэтому при травлении
р- и n-кремния в составы анизотропных травителей вводят различные присадки. Разрабо-
таны также разнообразные самотормозящиеся виды травлений. Например, для травителя
из одной части 48 %-го раствора HF, восьми частей 99,5 %-го раствора CH3OOH и трех ча-
стей 70 %-го HNO3 для обоих типов проводимости скорость травления зависит от удельно-
го сопротивления. Так, при < 102 Oм⋅см скорость травления составляет 0,7–3 мкм/мин,
а при < 6,8 • 102 Oм⋅см она падает почти до нуля. Комбинируя предварительные диффу-
зии с анизотропными и изотропными травителями, можно получать с заданной размерной
точностью достаточно сложные объемные микроформы чувствительных элементов. Про-
цесс анизотропного травления чувствительного элемента представляет собой поэтапное
удаление атомных слоев (слой за слоем) с поверхности кристалла, т. е. в процессе травления
на поверхности кристалла образуются микроскопические ступеньки. Анизотропное трав-
ление не дает зеркальных поверхностей, тем не менее при нем точно выдерживаются боко-
вые поверхности в микропрофилях. Затем чувствительный элемент обрабатывают в тече-
ние 30 с в полирующем растворе изотропного травителя, состоящем из смеси плавиковой,
уксусной и азотной кислот, взятых в пропорции 1:1,2 : 6,2.
Обработка в полирующем растворе сглаживает микронеровности, остающиеся после
анизотропного травления, в результате чего предел прочности повышается в три-четыре
раза [20]. В прил. 2 приведены виды и характеристики травления кремния.
Для полупроводникового кремния из-за наличия на поверхности стабильного оксида
SiO2 выбор травителей ограничен, поэтому для кремния в основном используют травители
на щелочной основе или на основе растворов с содержанием фтористоводородной кислоты.
Механизм травления в щелочных травителях является химическим, а в растворах с содержа-
нием фтористоводородной кислоты имеет ярко выраженный электрохимический тип.
Контроль глубины травления, а также воспроизводимости размеров упругих элемен-
тов осуществляют различными методами (рис. 1.9), среди которых распространение по-
лучили следующие.
1. Контроль по времени травления: Vтр = h/t, где Vтр — скорость травления; h — глу-
бина травления; t — время травления. Его основное достоинство — простота, а не-
достаток — низкая воспроизводимость (1 мкм) из-за нестабильности процессов.
Применяется для небольших глубин и размеров (до 10 мкм).
2. Оптический метод (рис. 1.9, а) пригоден для упругих элементов толщиной до 25 мкм.
О толщине пластины судят по изменению ее цвета, определяемого цветоанализа-
тором.
3. Метод предварительного подтравливания осуществляется со стороны, противо-
положной глубокому травлению (рис. 1.9, а), и со стороны глубокого травления
(рис. 1.9, б). Этот метод эффективен для датчиков давлений с несимметричной
мембраной.
4. Применение самотормозящих видов травления (рис. 1.9, в). Когда травитель дохо-
дит до бора, скорость травления снижается в 50 раз. Точность травления определя-
ется точностью диффузии, ионной имплантации. Достоинства — высокая точность
и независимость от толщины пластины. Недостатки — годится только для тонких
мембран и односторонних упругих элементов, меняются свойства кремния из-за
внедрения бора (происходит щелчок при работе мембраны — релейный переход).
5. Метод контрольных окон. Практический метод. Окошечки травят с обеих сторон
пластины на глубину 0,5 h (при двухстороннем травлении) или h (при односторон-
нем травлении) (рис. 1.9, г). В каждом последующем слое эти четыре окошечка тра-
вятся в конечном итоге до тех пор, пока не протравятся насквозь.
В процессе размерного травления происходит подтравливание под защитную маску.
Глубина подтравливания зависит от времени травления и соотношения скоростей травле-
ния в основном и боковом направлениях:
(см. в книге)
где V[100] — скорость травления в направлении, перпендикулярном плоскости (100); t — время травления; А = V[100]/V[111]; V[111] — скорость травления в направлении, перпендикулярном плоскости (111).
Для жидкостного травления полупроводникового кремния разработаны составы трави-
телей с различными свойствами. Они обеспечивают разные скорости травления, обладают
различной степенью токсичности, требуют комнатной или повышенной температуры. На-
пример, при травлении полупроводникового кремния в плоскости (100) в 30 %-м растворе
этилендиамина в деионизованной воде при температуре травителя 100 °C V[100] = 100 мкм/ч,
V[111] = 0,5 мкм/ч, соответственно А = 200. Чтобы осуществить сквозное травление на пластине толщиной 0,38 мм с двух сторон, требуется время травления около двух часов.
Подставляя известные значения в формулу = V[100] t / Аsin, получим величину под-
травливания = 1,224 мкм. Следовательно, фактический размер а при травлении относи-
тельно рассматриваемого окна (рис. 1.10) будет уменьшен на 2.
Для чувствительной массы размерами Ам = 1 мм, Вм = 1 мм погрешность от под-
травливания составляет около 0,24 %, для Ам = 2 мм, Вм = 2 мм — около 0,122 %, для
Ам = 3 мм, Вм = 3 мм — 0,081 %. При размерном травлении кремния широко используются щелочные травители на основе КОН, NаОН. Эти травители менее токсичны, имеют неограниченный срок хранения, просты в обращении и обеспечивают более высокую воспроизводимость размеров при травлении, чем травители на основе этилендиамина.
Водный раствор КОН (350 г/л) при температуре 100 °C обеспечивает скорость растворения
кремния в плоскости (100) V(100) = 192 мкм/ч, в плоскости (111) V(111) = 6,6 мкм/ч. Скорость
травления защитной пленки VSiO2 = 0,48 мкм/ч. Отношение скоростей следующее:
А = V(100)/V(111) = 30, VSiO2/V(100) = 0,0025.
Процесс травления кремниевых пластин толщиной 0,38 мм с двух сторон с использо-
ванием водного раствора КОН для получения сквозных щелей занимает около 1 ч.
Ребра прямоугольных или квадратных несущих пластин ЧЭ ориентируют в направле-
нии [110], которое на исходных заготовках указывается в виде среза. При этом в протрав-
ленных сквозных отверстиях боковые поверхности оказываются ориентированными в на-
правлении [111] и, соответственно, на них имеет место наибольшая плотность упаковки
кристаллических центров. Для кремния в направлении [111] модуль упругости является максимальным, что придает элементам конструкций в этом направлении наибольшую прочность.
Альтернативой объемной микротехнологии является поверхностная. При ее использовании (рис. 1.11) заготовки для ЧЭ применяют трехслойные:
• слой поликремния, в котором выполняют ЧЭ;
• жертвенный слой из двуокиси кремния (стекла);
• слой монокремния, служащий основанием.
1.3. Сухое травление кремния
Рассмотрим особенности сухого травления как перспективного метода (рис. 1.12).
Для технологического процесса изготовления микросистемных элементов и устройств
наиболее подходящим является сухое травление. Этот процесс называется ионно-
плазменным. Он основан на использовании компонентов низкотемпературной газораз-
рядной плазмы — ионов, электронов и возбужденных атомов. Существует несколько типов
сухого травления: 1 — ионное травление (ИТ); 2 — ионно-плазменное травление (ИПТ);
3 — ионно-химическое травление (ИХТ); 4 — реактивное ионно-плазменное травление
(РИПТ); 5 — реактивное ионно-лазерное травление (РИЛТ); 6 — плазменное травление
(ПТ); 7 — реактивное травление (ПТ). Ионно-плазменное травление является базовым
и благодаря возможности анизотропного травления обуславливает высокое разрешение
при переносе рисунка.
Кремниевые пластины сначала очищают в водном растворе растворителей с ксилолом,
изопропилового спирта или других. Очищенные пластины высушиваются и загружаются
в кварцевый держатель, называемый лодочкой. Затем пластины помещают в кварцевую
трубу или ячейку диффузионной печи для окисления. Через входной конец трубы подается
поток «сухого» кислорода для выращивания на поверхности кремниевой пластины диок-
сида кремния.
Для каждой разновидности ионно-плазменного травления кремния, отмеченных
на рис. 1.12, разработаны специализированные установки. Наиболее простой установкой яв-
ляется диодная схема рис. 1.13, при которой между анодом и катодом прокачивается аргон.
Плазменное травление — метод травления кремния под действием компонентов га-
зоразрядной плазмы. Преимуществом всех видов сухого травления по сравнению с жид-
костным является высокая анизотропия процесса. А для плазменного травления положи-
тельным свойством является еще и отсутствие необходимости проведения дополнительных
операций для удаления с поверхности продуктов реакции и сторонних примесей, содержа-
щихся в исходных реагентах.
Катод по размерам выполнен значительно меньше анода, к тому же катод экраниро-
ван, а экран соединен со стенками камеры и одновременно заземлен. Плазма занимает
весь объем камеры. Поэтому для увеличения концентрации реагента около подложки вся
внутренняя поверхность рабочей камеры является анодом.
Наиболее эффективной для сухого травления является универсальная установка, пока-
занная на рис. 1.14. Установка состоит из вакуумной камеры 1 и газоразрядного реактора 4.
В методе ионно-лучевого травления источником ионов обычно является разряд постоянно-
го тока, ограничиваемый полем постоянных магнитов 5, причем область разряда физически
отделена от стравливаемой подложки 2 системой сеток (электродов) 3 и 9, на которые по-
даются потенциалы смещения, обеспечивающие экстрагирование ионного пучка (обыч-
но Аг+) из разряда. Для обеспечения используемых па практике плотностей тока пучка
(< = 1 мА/см2) требуется сообщать нонам энергию выше 500 В. Для нейтрализации ионного
пучка на его пути размещается разогреваемая нить накала 8, инжектирующая в анод 7 элек-
троны низких энергий. Стравливаемая подложка размещается на поворотном столике 10.
Активными частицами в травлении кремния являются атомы фтора и его радикалы SF5.
Вклад последних в скорость травления составляет около 30 %. Скорость травления подложки
при всех составах плазмы прямо пропорциональна концентрациям атомов фтора и разно-
сти потенциалов поверхности. При низких давлениях, когда потенциал смещения образца
относительно плазмы велик и энергия ионов составляет порядка 100 эВ, скорость травления
пропорциональна потоку ионов, а травление названо ионно-стимулированным. Скорость
травления легированного кремния зависит также от степени и типа его легирования.
Однако в плазме эффект ионного стимулирования вуалируется другими причинами:
переосаждением распыляемых материалов с электродов и стенок на поверхность образцов.
В результате возникает ее пассивация, которая снижает скорость травления. Такое же влия-
ние оказывает окисление поверхности кремния атомами, образующимися за счет диссоциа-
ции молекул кислорода из примесей в плазмообразующем газе, натекающем из атмосферы.
Основной продукт, испаряющийся с поверхности травления, — насыщенный фторид
SiF4. Вследствие высокой летучести SiF4 толщина фторированного слоя на поверхности
травления мала (~1 нм) и состоит из ненасыщенных фторидов SiFx (х = 1–3), что свиде-
тельствует о последовательном протекании реакций фторирования.
С помощью рассматриваемой установки сухое травление кремния может осущест-
вляться также посредством хлорсодержащей плазмы. При этом пассивация поверхности
проявляется за счет атомов хлора. А вследствие ионной бомбардировки обеспечивается
анизотропия травления, которая увеличивается по мере роста энергии ионов (низкое дав-
ление, низкая частота поля, наложение дополнительного смещения потенциалов от неза-
висимого источника или самосмещение). Однако по мере увеличения анизотропии уве-
личивается и опасность ухудшения качества поверхности после травления — нарушенная
структура, состав, встроенный поверхностный заряд и др.
Скорости травления увеличиваются по мере роста давления газа и мощности разряда.
При больших площадях поверхности экспонируемых образцов наблюдается изменение со-
става плазмы за счет больших потоков продуктов, а также обеднения плазмы активными
частицами. Это приводит к так называемому эффекту большой загрузки — снижению ско-
рости травления с увеличением площади образцов.
В хлорсодержащей плазме, как и при ионно-стимулированном травлении, травление
происходит только за счет ионной бомбардировки и наблюдается высокая анизотропия
при низких скоростях травления. При использовании фторхлорсодержащей плазмы анизо-
тропия за счет пассивации хлором сохраняется, а скорость травления увеличивается за счет
бомбардировки атомарным фтором.
Использование структур «кремний на изоляторе» (КНИ) для изготовления чувстви-
тельных элементов микроакселерометров и микрогироскопов (а также датчиков давления
и других МЭМС) дает существенные преимущества как в упрощении технологии изготов-
ления конечного изделия, так и при интеграции элементов микромеханики и электроники.
Благодаря полной диэлектрической изоляции всех элементов МЭМС на структурах КНИ
возможно создание интегрированных (интеллектуальных) систем в одном кристалле (на-
пример микроакселерометров) с несколькими осями чувствительности. На рис. 1.15 при-
ведена схема изготовления ЧЭ на структуре КНИ.
В дополнение к предыдущим двум технологическим методам развивается метод, ис-
пользующий 3D-технологии и послойное выращивание объекта на основе разработанной
3D-модели. Подобная 3D-технология может осуществляться разными способами, в том чис-
ле с использованием различных материалов, таких как пластики, жидкое стекло, порош-
ковый поликремний, металлы, керамика и др.
3D-принтеры развиваются не только в виде установок прототипирования, но и как пер-
спективные инструментальные установки для создания (сборки) трехмерных структур, включающих элементы датчиков, коммутационные провод ники, изолирующие слои, расстановку и сборку пассивных и активных электронных (оптических) элементов и компонентов.
В зависимости от технологии 3D-принтер может использовать один, два и более
материалов. В основе любого из методов лежит принцип послойного выращивания твер-
дого слоя (объекта) с помощью компьютерной программы. Процесс 3D-технологии яв-
ляется обратным по сравнению с объемным травлением. При травлении, например,
кремниевых структур слои кремния или иного материала (металла, диэлектрика и т. п.)
удаляются, а при 3D-технологии — наращиваются. Точность получаемых деталей при этих
двух методах неодинаковая. Если при травлении получаемая точность в основном зави-
сит от точности фотошаблона, то при наращивании — от точности позиционирования
и диаметра экструзионного жиклера. На рис. 1.16 приведена фотография 3D-принтера,
включающего следующие узлы: 1 — экструзионная головка с хромоникелевым жиклером;
2 — канал подачи расходного материала; 3 — остов принтера; 4 — акриловая печатная
платформа. Чаще всего применяют две экструзионные головки, одна из них — для подачи
основного формирующего материала, другая — для подачи легкоудаляемого материала,
например для поддержки висячих маятников в пустых камерах. При 3D-методе применя-
ются две принципиально различные технологии: лазерная и струйная. При лазерной тех-
нологии используется жидкий фотополимер (лазерная стереолитография) или порошки
(лазерное спекание).
Из специального жидкого фотополимера объект формируется посредством затверде-
вающего микрообъема под действием ультрафиолетового лазерного излучения. Луч лазе-
ра постепенно, пиксель за пикселем, засвечивает жидкий фотополимер. При этом он за-
твердевает и превращается в достаточно прочный пластик, после чего объект погружается
в фотополимер на толщину одного слоя, чтобы лазер мог приступить к формированию
следующего слоя.
При спекании лазер выжигает в порошке из легкоплавкого пластика слой за слоем
контур будущей детали. После этого лишний порошок стряхивается с готовой детали. Воз-
можно также использование ламинирования, при котором детали склеиваются из боль-
шого числа слоев расходного материала, при этом лазер вырезает в каждом слое контур
сечения будущей детали.
При струйном методе из раздаточного жиклера выдавливаются на охлаждаемую плат-
форму капли разогретого термопластика. Капли быстро застывают и слипаются друг с дру-
гом, формируя слои будущего объекта. Возможно применение нескольких струйных голо-
вок для осуществления окраски формируемых деталей.
Ответственной технологической операцией в конструкциях интегральных датчиков
является соединение кремниевых чувствительных элементов с металлическими корпус-
ными деталями. При этом должны быть обеспечены высокая механическая прочность
соединения и согласование соединяемых элементов по температурным коэффициентам
линейных расширений (ТКЛР). Известные из микроэлектроники методы соединения при
помощи стеклянных спаев, фритов, многослойных оксидных пленок, эвтектических спла-
вов в интегральных датчиках имеют ограниченное применение в связи с тем, что требуемая
температура соединения должна быть 700 °C и выше. Допустимая температура нагревания
элементов с запыленными алюминиевыми контактными площадками, а также электрода-
ми емкостных датчиков составляет порядка 450 °C. Применение в качестве напыляемого
металла золота расширяет допустимый диапазон температур до 800 °C.
Перспективным методом соединения кремниевых элементов (или металлических кор-
пусных деталей) с боросиликатными или другими ионосодержащими стеклами является
метод диффузионной сварки в электрическом поле (рис. 1.17).
Метод основан на том, что при нагревании до температуры свыше 300 °C боросиликат-
ные стекла становятся электрическими проводниками. Качество сварки зависит от подбо-
ра стекла (ЛК5, ЛК105) с ТКЛР, близким к кремнию. Необходимые условия для успешного
проведения сварки следующие:
1) качественная полировка кремния и стекла, желательно на оптический контакт
(по кольцам Ньютона);
2) рекомендуемая температура косвенного разогрева при сварке равна 450 °C, так как
происходит одновременная стабилизация алюминиевых проводников;
3) при малых воздушных зазорах в интегральных датчиках следует выбирать мини-
мальное напряжение из-за возможной деформации упругого элемента. В месте контакта
при максимальном токе разогрева температура повышается до 560 °C, что вполне достаточ-
но для надежного соединения.
Процесс диффузионной сварки состоит из следующих основных стадий:
образование физическ • ого контакта посредством сближения свариваемых поверхно-
стей, при этом удельное давление в местах сварки должно составлять 105–106 Па [19];
• активизация свариваемых поверхностей для протекания химических реакций, при
этом свариваемые поверхности нагревают до температуры порядка 400 °C;
• распространение эффектов взаимной диффузии. Необходимая величина адгезион-
ной силы создается электрическим полем за счет притяжения свариваемых поверх-
ностей как некоторых электродов в микроконденсаторе. Электрический потенци-
ал, подводимый к свариваемым поверхностям, составляет 50–5000 В. Полярность
подключения возбуждающего напряжения к свариваемым деталям большого зна-
чения не имеет, тем не менее в существующих приспособлениях групповой сварки
предусмотрена возможность смены полярности. Сварку осуществляют в течение
10–30 мин. Толщина свариваемого слоя составляет 10–500 нм и зависит от началь-
ного удельного давления, температуры и величины электрического потенциала.
Известно успешное применение диффузионной сварки в электрическом поле при се-
рийном производстве кремниевых акселерометров. Для соединения кремния с кремнием
на поверхности одной из свариваемых деталей предварительно выращивают слой борсо-
держащего диоксида кремния, а для соединения кремния с металлами и сплавами приме-
няют промежуточные слои (или пластины) из ионосодержащих стекол. Широкое распро-
странение в последнее время находит соединение кремниевых пластин с использованием
алюминиевого подслоя (рис. 1.18).
Основными преимуществами этого способа являются:
1) отсутствие изменений зазоров в соединяемых пластинах;
2) исключение как поверхностных, так и объемных токов утечки, так как места соеди-
нений являются локальными, т. е. электрически никак не связаны со всеми соеди-
няемыми пластинами;
3) отсутствие механических напряжений между соединенными пластинами.
При разработке интегральных датчиков часто приходится сталкиваться с различны-
ми противоречивыми требованиями. Например, не всегда может быть решена конструк-
тивным путем задача сведения к минимуму жесткости упругих элементов при достаточно
эффективном пределе прочности. Для снижения жесткости нельзя беспредельно умень-
шать толщину подвеса, так как микронеровности становятся соизмеримыми с рабочими
толщинами, а это приводит к резкому снижению предела прочности. Неприемлемо так-
же для снижения жесткости увеличение длины подвесов, поскольку при этом повышает-
ся вероятность на большой длине проявиться большему числу врожденных дислокаций,
а это, в свою очередь, снижает выход годных элементов. Компромиссное решение данно-
го вопроса — использование полирующих растворов для сглаживания микронеровностей
на тонких упругих перемычках.
Основное препятствие широкого внедрения интегральных датчиков до сих пор — тех-
нологические трудности получения заданной точности в групповых изделиях на одной
пластине, а также в изделиях от пластины к пластине, поскольку исходные заготовки крем-
ния в виде пластин не являются идеальными, а имеют локальные дефекты в виде неодно-
родностей структуры, неплоскопараллельности (выпуклости, вогнутости), остаточных
напряжений после механической обработки, температурных напряжений, возникающих
от разницы ТКЛР между исходными базовыми областями и диффузионными областями
(или слоями). Различные виды дефектов пластин-заготовок показаны на рис. 1.19.
Неоднородность исходных пластин по толщине приводит к разбросу расчетных ха-
рактеристик получаемых интегральных датчиков. Найдены частичные решения этой
проблемы в виде предварительного анализа исходных пластин и последующего управляе-
мого травления [33].
Для обеспечения большего процента выхода годных изделий пластины-заготовки
после механической обработки подвергают химико-технологической доводке. При этом
после контроля толщины пластины по всей поверхности применяют анизотропное вы-
равнивание, учитывая зависимость скорости травления от освещенности. В первом при-
ближении эта зависимость является линейной. По результатам измерения толщины под-
бирают светотеневые маски, что обеспечивает различную локальную скорость травления.
Одним из недостатков этого способа является необходимость многократного промежуточ-
ного контроля толщин пластины.
При производстве интегральных датчиков контролируют также глубину. Большой про-
блемой в начальный период разработок микродатчиков, особенно маятниковых чувстви-
тельных элементов с малой жесткостью упругих подвесов, стал эффект электростатического
«залипания». Силы электростатического притяжения подвижных узлов к неподвижным ока-
зались настолько значительными и неуправляемыми, что чувствительные элементы в непред-
сказуемые моменты времени становились практически полностью неработоспособными.
Был найден [14] простой и эффективный метод исключения «залипания» посредством
выполнения охранных заземленных контуров проводимости на неподвижных пластинах.
Расположение охранных контуров должно быть против острых ребер и кромок подвижных
узлов, т. е. в местах концентрации электрического поля, в целях отвода блуждающих за-
рядов на «землю».
1.4. Методы глубокого вертикального травления кремния
В основе плазменного травления лежит влияние ионной бомбардировки на поведение ней-
тральных частиц, особенно на стимуляцию их химического травления поверхности с обра-
зованием летучих продуктов. Так как направление электрического поля в катодной обла-
сти перпендикулярно поверхности пластины, то инжектируемые из плазмы ионы движутся
вдоль поля, что приводит к возрастанию скорости травления по вертикали относительно
скорости травления по горизонтали; этот эффект называют анизотропным травлением.
Электроны и фотоны также попадают на пластину, но не направленно, и их энергия на-
много меньше. Так как задачей травления в производстве микроструктур является точное
воспроизведение элементов изображения маски, то анизотропное травление обладает
большим преимуществом вследствие уменьшения подтравливания маски из-за бокового
травления. Вследствие значительных преимуществ в уменьшении размеров микросхем ани-
зотропия травления является наиболее важным фактором применения плазменного трав-
ления. Для объяснения механизма травления, стимулированного ионной бомбардировкой,
предложено много моделей. Наиболее вероятно, что с изменением химических условий
в системе изменяется и механизм ускоренного травления. На рис. 1.20 [8] показан профиль
структуры после анизотропного травления, иллюстрирующий один из предложенных ме-
ханизмов, при действии которого радикалы, образующиеся в плазме, осаждаются на плен-
ке, либо защищая ее от воздействия радикалов травителя, либо рекомбинируя с ними и тем
самым дезактивируя их. Эти центры пассивации-рекомбинации сохраняются на боковой
стенке структуры, но десорбируются с ее основания под действием ионной бомбардиров-
ки, что стимулирует травление. При определенных условиях в плазме наблюдают переход
от осаждения к травлению, если на пластину подано отрицательное смещение, чтобы энер-
гия ионов возрастала. В этом случае ионы очищают поверхность, что облегчает протекание
самопроизвольной химической реакции травления. Ионная бомбардировка может также
активировать реакцию травления, которая самопроизвольно не идет. Активация может
быть обусловлена удалением при бомбардировке плотно хемосорбированных продуктов
травления, что открывает доступ реагента к поверхности, или же возникновением на по-
верхности химически активных радиационных нарушений.
Следует заметить, что механизм анизотропного травления, изображенный на рис. 1.20,
имеет ограничения по глубине травимой канавки до нескольких мкм.
Для проведения процессов травления канавок в кремнии на глубину до 100 мкм и бо-
лее с вертикальными стенками был предложен так называемый Bosch-процесс. Его суть со-
стоит в многократном повторении двухстадийного цикла травления [60]. В первой стадии
цикла производится травление кремния через маску на сравнительно небольшую глубину в среде элегаза (SF6) (рис. 1.21, а). Во второй стадии цикла производится пассивация стенок протравленного профиля с помощью, например, разряда на основе хладона-318 (С4F8) (рис. 1.21, б). В следующем цикле травления ионная компонента разряда удаляет пассивирующий слой полимера со дна канавки и углубляет ее, в то время как боковые стенки канавки остаются защищенными маскирующим слоем полимера (рис. 1.21, в). Далее снова проводится пассивирующая стадия и т. д. В результате травление идет только в вертикальном направлении с небольшими периодическими подтравами в боковых направлениях.
В настоящее время существует ряд плазменных источников, которые могут быть ис-
пользованы для травления кремния. Основными из них являются реактивное ионное
травление (RIE — Reactive Ion Etching), реактивное ионное травление с концентрацией
магнитным полем (MERIE — Magnetically Enhanced Reactive Ion Etching), электронный
циклотронный резонанс (ECR — Electron Cyclotron Resonance), индуктивно связанная
плазма (ICP — Inductively Coupled Plasma) и т. п. Не все из них применимы для глубоко-
го травления кремния с высоким аспектным соотношением. Возможность использования
плазменного источника для этих целей можно наилучшим образом оценить с точки зрения
их критических действующих параметров. Одним из ключевых параметров является дав-
ление, от которого в значительной мере зависят физические свойства плазмы, химические
процессы, происходящие в объеме плазмы. Существует тенденция к понижению давления
с сохранением качества и воспроизводимости травления, особенно для травления узких
профилей и/или профилей с высоким аспектным соотношением. Уменьшение давления
приводит к уменьшению числа столкновений иона с нейтральными атомами и молекула-
ми, что увеличивает поступление ионов в зону реакции. Кроме того, появляются такие
преимущества, как, например, повышение энергозависимости побочных продуктов реак-
ции и уменьшение концентрации газовой фазы, а также отсутствие поверхностной поли-
меризации. Дополнительные преимущества — это уменьшение остатков продуктов реак-
ции, уменьшение вероятности повторного осаждения продуктов реакции.
Стандартная емкостная система разряда, состоящая из двух параллельно расположен-
ных электродов, не может быть применена при низком давлении из-за уменьшения плот-
ности ионов (ni < 109 см3) с уменьшением давления (p). Это возникает из возрастающе-
го преобладания деионизации плазмы по мере увеличения среднего свободного пробега
ионов, который определяет механизм генерации ионов и радикалов. Источники высокой
плотности, механизм которых основан на резонансной передачи энергии, и повышенная
степень плазменной концентрации могут преодолеть эти недостатки, обеспечивая при
низком давлении и высокую скорость травления. Отклонение траектории движения ионов
в результате столкновений ионов с нейтральными атомами в приповерхностном слое может
повлиять на профиль боковой стенки. Высокие ионные плотности уменьшают толщину
приповерхностного газового слоя, вследствие чего, в свою очередь, уменьшается рассеяние
ионов на нейтральных атомах, что потенциально улучшает формирование необходимого
профиля. Так, например, такое явление при использовании источника RIE, как уменьше-
ние глубины травления с уменьшением ширины канавки, зависит от многих параметров,
включая вероятность столкновений.
Для процесса RIE вертикальный характер боковой стенки канавки обусловлен иона-
ми, траектория пролета которых находится под углом менее чем 2° к поверхности. Такие
траектории ионов могут иметь место при низком давлении (10 мТорр) в источнике плазмы
высокой плотности. Таким образом, низкое давление (<10 мТорр) и высокая плотность ио-
нов (см. в книге) являются критическими параметрами для плазменных источников, применимых для изготовления МЭМС.
Возбуждение плазмы в различных источниках может быть обеспечено с использова-
нием как радиочастотного диапазона волн, так и микроволнового. При этом способ ин-
дуктивного возбуждения плазмы в настоящее время признан как, возможно, самый про-
стой и управляемый. ICP-процесс основан на простом принципе функционирования:
период изменения осевого магнитного поля (при подаче тока ВЧ на катушку) порождает
азимутальное электрическое поле, которое эффективно ограничивает плазменный поток.
При этом плазменный поток не пересекает стенки камеры, что обеспечивает минималь-
ное поступление загрязняющих веществ в реакционный объем. Область плазмы высокой
интенсивности расположена вплотную к боковым стенам камеры, и амбиполярная диф-
фузия обеспечивает очень однородную плазму внутри камеры. Энергия ионов, попадаю-
щих на поверхность подложки, может независимо управляться путем подачи ВЧ-смещения
на электрод с образцом. Этот простой принцип функционирования допускает изменение
режимов обработки в широком диапазоне и обеспечивает удобство в управлении техноло-
гическим процессом, что невозможно при использовании таких способов, как, например,
RIE и MERIE. Также нет необходимости в использовании сложных катушек магнитных
полей, микроволновых компонентов для возбуждения плазмы, что значительно снижает
стоимость оборудования, использующего источник ICP.
Как следует из вышеизложенного, ICP является наиболее оптимальным плазменным
источником для глубокого анизотропного травления кремния с высоким аспектным отно-
шением. На рис. 1.22 приведена схема ICP-реактора с цилиндрическим индуктором [8].
В соответствии с рисунком в камере поз. 1 установки образуется плазма при подаче
высокочастотного напряжения на катушку индуктивности поз. 2. Давление газа в камере
регулируется дозированной подачей газа через газовый ввод поз. 3 и откачкой продуктов
реакции механическим насосом через магистраль откачки камеры поз. 4. Охлаждение об-
разца осуществляется путем создания теплопроводящей газовой прослойки между пласти-
ной и охлаждаемым электродом (канал поз. 6 на рис. 1.22). Температура образца контроли-
руется и регулируется системой управления поз. 7.
Один из типовых режимов травления глубоких канавок в кремнии с использованием
Bosch-процесса включает следующие параметры:
расход газа SF6 300 см3/мин,
расход газа С4F8 150 см3/мин,
скважность подачи газов 7 с / 2,5 с,
давление газа 3 Па,
мощность ICP разряда 2000 Вт,
мощность смещения 100 Вт,
температура подложкодержателя 10 °C.
С использованием данного режима травления получен профиль гребенки, показан-
ный на рис. 1.23. Ширина выступов составляет 10 мкм, высота — 100 мкм. Вертикальность
профиля — 900,5 мкм.
Но следует заметить, что глубокое травление кремния на структуре КНИ имеет важ-
ную особенность, приводящую к подтраву профиля в его нижней части. Этот эффект обу-
словлен отражением ионов от диэлектрической прослойки структуры КНИ вследствие
накопления электростатического заряда на диэлектрической поверхности и известен под
названием «notching-эффект». Принцип его возникновения показан на рис. 1.24 [62].
Один из практических примеров проявления notching-эффекта представлен
на рис. 1.25.
Вследствие проявления «апертурного» эффекта, т. е. зависимости скорости травления
от ширины щели, в широких канавках (левая канавка на рис. 1.25) поверхность диэлектри-
ка, достигается раньше, чем в узких (правая канавка на рис. 1.25). И, пока идет дотравлива-
ние узкой канавки, на дне широкой проявляется notching-эффект, в соответствии с меха-
низмом, показанным на рис. 1.24.
Один из способов значительного ослабления или даже исключения notching-
эффекта предполагает использование в качестве источника смещения, подаваемого
на обрабатываемую подложку, не высокочастотного генератора, а генератора со срав-
нительно низкой частотой. Кроме того, напряжение смещения подается на электрод —
подложкодержатель не непрерывно, а в виде коротких импульсов. Это приводит
к «рассасыванию» электростатического заряда на поверхности диэлектрика и к предот-
вращению notching-эффекта.
Один из примеров глубокого травления кремния в составе структуры КНИ без notching-
эффекта показан на рис. 1.26.
При формировании структур чувствительного элемента был использован режим глу-
бокого травления кремния без notching-эффекта. В результате были получены структуры
с профилями, показанными на рис. 1.27.
1.5. Пористый кремний в микросистемотехнике
Впервые пористый кремний был получен в середине 20-го столетия в процессе исследо-
ваний электрохимической полировки поверхности кремния в водных растворах HF. Дли-
тельное время пленки пористого кремния считались лишь лабораторным курьезом и де-
тально не изучались. Необычайный интерес исследователей к пористому кремнию вызвал
обнаруженный в 1990 году эффект излучения света при комнатной температуре в видимой
красно-оранжевой области спектра при облучении лазером. Интерес к люминесценции
материалов на основе кремния вызван тем, что вся полупроводниковая промышленность
основана на монокристаллическом кремнии, который не может быть использован для соз-
дания светоизлучающих устройств, так как его излучательная способность ничтожно мала
(менее 0,001 %).
В основе стандартного способа формирования пористого кремния лежит процесс
электрохимического травления пластин c-Si в водном растворе плавиковой кислоты HF.
Важнейшей характеристикой пористого кремния является степень пористости, которая
определяет большинство его физических параметров и определяется выражением
(см. выражение в книге)
гдеPSi и Ppor-Si — плотности монокристаллического и пористого кремния соответственно.
Пористый кремний классифицируют по размеру пор:
микропористый кремний — R < 2 нм,
мезопористый кремний — 2 нм < R < 50 нм,
макропористый кремний — R > 50 нм.
Степень пористости образца с погрешностью порядка 10 % определяется обычно гра-
виметрическим методом (взвешиванием). Определение пористости этим методом прово-
дится в три этапа:
1. Взвешивание монокристаллической кремниевой пластины.
2. Вытравливание на ней пористого слоя и взвешивание получившегося образца.
3. Удаление пористого слоя путем стравливания его с кремниевой подложки и повтор-
ное взвешивание образца. В настоящее время значения пористости могут варьироваться
от 5 до 95.
При положительном потенциале на кремниевом электроде (аноде) протекают много-
ступенчатые реакции растворения и восстановления кремния. Вторым электродом (като-
дом) обычно служит платиновая пластина. При подходящем выборе плотности электриче-
ского тока на поверхности c-Si происходит формирование пористого слоя. Установлено,
что толщина пленки пористого кремния практически линейно зависит от времени травле-
ния и может меняться от долей до сотен микрометров. Структура пористого слоя определя-
ется плотностью тока, концентрацией HF в электролите и характером легирования крем-
ниевой подложки. Так, например, для кремния с электронным типом проводимости (n-Si)
или сильно легированного дырочного кремния (р+-Si) поры имеют вид перпендикулярных
поверхности каналов диаметром в десятки нанометров с более мелкими боковыми ответ-
влениями. Для образцов слабо легированного дырочного кремния (p-Si) или при освеще-
нии n-Si формируется структура в виде губки или коралла (см. рис. 1.28). Размеры пор и не-
протравленных участков при этом очень малы и составляют всего несколько нанометров.
В пористом кремнии в основном сохраняется порядок расположения атомов, уна-
следованный от подложки. Непосредственно после получения поверхность кремниево-
го скелета образцов пористого кремния покрыта адсорбированным в различных формах
водородом. Выдержка на воздухе, особенно сопровождающаяся освещением, приводит
к значительному окислению материала. Обобщая различные модели, можно отметить сле-
дующее. Поверхность Si при контакте с водными растворами HF насыщается водородом
и становится химически инертной по отношению к электролиту. Если на электроды подать
разность потенциалов, то дырки в кремниевой пластине начинают мигрировать к поверх-
ности раздела кремний — электролит. При этом атомы Si освобождаются от блокирующего
их водорода, начинают взаимодействовать с ионами и молекулами электролита и перехо-
дят в раствор. Если электролиз проводят при высокой плотности тока, то к поверхности
электрода поступает большое количество дырок. Они движутся к границе раздела сплош-
ным фронтом и обеспечивают реакционную способность практически каждому атому Si.
Поскольку микровыступы имеют большую поверхность, чем ровные участки, то они рас-
творяются быстрее. Таким образом, поверхность кремниевого анода постепенно выравни-
вается. Это и есть режим электрохимической полировки.
С электрической точки зрения материал с пористостью более 50 % полностью обеднен
носителями заряда и характеризуется удельным сопротивлением более 107 Ом/см при зна-
чении этого параметра у подложки 1–10 Ом/см. Если же электролиз проводить при низкой
плотности тока, то количества дырок не хватает для организации сплошного фронта, и по-
этому происходит локальное растворение кремния на поверхности. Согласно различным
моделям зарождение пор может начинаться на микроуглублениях, дефектах структуры, ме-
ханически напряженных участках или локальных возмущениях потенциального поля по-
верхности. С течением времени появившиеся поры продолжают свой рост в глубь электро-
да за счет дрейфа дырок к кончикам пор, где напряженность электрического поля выше.
Характерной чертой пористого кремния является большая суммарная площадь его вну-
тренней поверхности. В зависимости от величины пористости и геометрии пор она может
составлять для макропористого кремния от 10 до 100 м²/см³, для мезопористого — от 100
до 300 м²/см³ и для нанопористого — от 300 до 800 м²/см³. Пористый кремний в зависи-
мости от условий травления обладает широким интервалом величин удельного сопротив-
ления 10−2–1011 Ом•см. Теплопроводность высокопористого кремния более чем на порядок
ниже, чем у монокристаллического (~10 W/mK при 300 K). Оптические свойства пористого
кремния также существенно отличаются от таковых для объемного материала.
При определенных условиях при наличии окислителя пористый кремний имеет
тенденцию к воспламенению и детонации при механических, электрических, термиче-
ских воздействиях. Этот эффект впервые был отмечен в 1992 г. МакКордом, Яу и Бардом
(P. McCord S.-L. Yau and A. J. Bard, Science 257 (1992)). Энергия детонации пористого нано-
структурированного кремния приблизительно в четыре раза превосходит энергию детона-
ции тротила. В последнее время предлагается использовать детонацию пористого кремния
для инициации подушек безопасности в автомобилях, в кассетных реактивных двигателях
микросистемных летательных аппаратов.
Высокая удельная энергия при взрыве открывает принципиально новые возможности
для использования пористого кремния. На рис. 1.29 показаны этапы процесса разделе-
ния кремниевой пластины на отдельные чипы при помощи взрыва слоя пористого крем-
ния [63]. По сравнению с традиционными методами лазерного и алмазного разделения
кремниевых пластин данный метод имеет ряд преимуществ:
1 — ширина разделительной дорожки может быть уменьшена до 40 мкм;
2 — при помощи этого метода можно вырезать кремниевые кристаллы любой формы,
в том числе и круглые, и овальные, так как линия разреза формируется при помощи опе-
раций фотолитографии.
К другим возможным практическим применениям процесса взрыва пористого крем-
ния следует отнести изготовление самоуничтожающихся кремниевых чипов, а также эко-
логически безопасных пиротехнических схем.
На рис. 1.29, а приведен чип, в котором в маске 1 в кремниевой пластине 3 с помо-
щью метода электрохимического анодирования создана ячейка 2 из пористого кремния.
При наличии окислителя, например KNO3, пористый кремний становится микроисточни-
ком 4 энергии, рис. 1.29, б. Его активизация может осуществляться электрическим, терми-
ческим или механическим сигналом. Интересно, что при толщине слоя пористого кремния
меньше 60 мкм наблюдается процесс горения. А при толщине больше 60 мкм происходит
взрыв, сопровождаемый световой вспышкой. На рис. 1.29, в приведен результат разделения
исходного одиночного чипа на два — 5 и 6.
Полезным применением пористого кремния является создание на его основе преоб-
разователя радиоактивного -излучения в электроэнергию (рис. 1.30). Преобразователь
состоит из двух сплошных металлических электродов: 1 — анода и 6 — катода. На катоде
размещена монокремниевая пластина, диффундированная бором. Над р-пластиной 3 раз-
мещен каркас пористого кремния; в свою очередь, каркас выполнен из монокремния элек-
тронной проводимости. Поры в каркасе заполнены радиоактивным изотопом 2 никель-63.
Возможно также заполнение пор кремния тритием или тем и другим одновременно. Между
p- и n-слоями проходит условная граница раздела 4 pn-перехода, показанная тонкими ли-
ниями.
Работа происходит в виде образования электрон-дырочных пар при кулоновском
взаимодействии проникших в объем полупроводника бета-частиц с электронами атомов
кристаллической решетки.
Количество образовавшихся неравновесных носителей заряда пропорционально энер-
гии и интенсивности потока падающих бета-частиц. Вывод электроэнергии осуществляет-
ся от сплошных электродов (–) и (+).
За счет большой площади соприкосновения радиоактивного вещества с каркасом по-
ристого кремния увеличивается мощность преобразователя.
Для создания кремниевых приборов, работающих при высоких напряжениях, суще-
ствует необходимость в толстых диэлектрических слоях толщиной более 10 мкм. Одна-
ко диэлектрические пленки SiO2, получаемые окислением обычного кремния, не могут
быть толще нескольких микрон. Оказалось, что пористый кремний хорошо подходит для
решения этой задачи. Если этот материал подвергнуть термическому окислению, то за счет
развитой системы пор молекулы кислорода способны проникнуть на всю толщину пори-
стого кремния и привести к полному его окислению. Оптимальными для этих целей явля-
ются слои с пористостью около 50 %. Важно отметить, что процесс формирования диэлек-
трических пленок с использованием пористых слоев происходит при температурах, более
низких, чем при традиционном термическом окислении кремния.
С усложнением функциональных возможностей интегральных схем плотность элемен-
тов в них увеличилась настолько, что потребовалось найти способ исключить токи утечки
между ними через кремниевую подложку. Для этого была предложена структура «кремний
на изоляторе» (КНИ). КНИ-структура представляет собой основу из диэлектрического
материала с выращенным монокристаллическим слоем кремния. В этом случае элементы
интегральных схем формируются в объеме слоя, после чего выполняется операция локаль-
ного окисления по их периметру и каждый элемент становится изолированным от своих
соседей. В качестве изолирующей основы структур КНИ хорошо зарекомендовал себя
окисленный пористый кремний.
Кремний с пористостью меньше 30 % оказался эффективным буферным слоем при
эпитаксии монокристаллических пленок других полупроводников на кремнии. Основным
условием выращивания качественных слоев является близость величин постоянных реше-
ток кремния и наносимого материала. Однако можно выращивать слои с большим рассо-
гласованием решеток, если использовать промежуточные буферные слои. Использование
буферного слоя пористого кремния позволило решить задачу выращивания качественных
пленок полупроводников GaAs, PbS, PbTe и др. при выращивании структур на подложке
кремния.
В пористом кремнии в ходе электрохимического травления возможно получать эле-
менты с различной фрактальной размерностью, квантовые точки, квантовые нити. Поэто-
му пористый кремний с пористостью больше 50 % следует рассматривать как один из ма-
териалов наноэлектроники. Более того, перспективным может оказаться заполнение пор
другими химическими соединениями, что даст возможность формировать дополнитель-
ные низкоразмерные элементы в объеме пористого кремния.
Образцы пористого кремния, в которых пористость превышает 50 %, эффективно
люминесцируют. Фотолюминесценция может достигать эффективности до десятков про-
центов. Длиной волны излучения можно управлять, изменяя условия анодирования. Ока-
залось возможным получать красный, зеленый и синий цвета, необходимые для изготов-
ления цветных дисплеев.
Наиболее заманчивые перспективы практического использования пористого кремния
как материала для создания светоизлучающих устройств — светодиодов и плоских цветных
дисплеев, связаны с электролюминесценцией. Основной трудностью на пути разработок
было выяснение причин старения, приводящих к быстрой деграддации структур. Совре-
менные электролюминесцентные приборы имеют срок службы несколько лет при кванто-
вой эффективности порядка 10−1 %. Это стало возможным в результате введения в рабочий
объем атомов углерода или железа.
Для целей интегральной оптики применяются планарные световоды, представляющие
собой пленочную структуру, в которой проявляется эффект полного внутреннего отраже-
ния. Свет распространяется в слое с высоким показателем преломления, ограниченном
с двух сторон слоями с меньшим показателем преломления. Для пористого кремния этот
показатель зависит от пористости: чем больше пористость, тем меньше показатель прелом-
ления, и поэтому формирование многослойных структур с разной пористостью позволяет
получать на их основе волноводные элементы с низким уровнем потерь. Потери на погло-
щение можно дополнительно уменьшить окислением слоев пористого кремния. Подобные
световоды можно также получить на основе пористого стекла.
Поскольку пористый кремний обладает очень высокой удельной поверхностью, то его
можно использовать для создания датчиков влажности, газовых, химических и биологиче-
ских сенсоров. Принцип действия таких датчиков основан на влиянии внешних молекул
на электронное состояние поверхности, что в случае пористого кремния приводит к высо-
кой чувствительности. Обычно такие датчики фиксируют изменение емкостных свойств.
Ограничением является высокая химическая активность в окислительной среде, что требу-
ет периодической сложной калибровки таких датчиков.
Было обнаружено, что фотовозбужденный пористый кремний может генерировать
синглетный кислород. Поскольку кремний сам по себе не является токсичным для орга-
низма, его применение в этой области очень перспективно. Кремний быстро окисляется,
превращаясь в химически инертный оксид кремния, чего нельзя сказать о современных
препаратах, используемых в фотодинамической терапии.
Обсуждаются удивительные свойства слоев пористого кремния, сформированных
на подложках из монокристалла Si в электрохимическом процессе. Особое внимание уде-
ляется росту на пять порядков величины квантового выхода фотолюминесценции в таком
материале по сравнению с исходной подложкой. Наблюдаемый эффект связан с проявле-
нием квантового размерного ограничения в структурах кремниевого скелета и с пассива-
цией подавляющего числа дефектов на поверхности этих структур. Кроме того, широко
используется высокая фоточувствительность кремния, выражающаяся в изменении элек-
тропроводности при освещении, что позволяет преобразовывать световую энергию в элек-
трическую. Этот эффект находит применение в кремниевых фотоприемниках и солнечных
батареях.
1.6. Обобщенный закон Гука для анизотропных сред
В анизотропных средах связь между механическими напряжениями и деформациями уста-
навливается обобщенным законом Гука, который в тензорной записи можно представить
в одной из двух форм:
(см. в книге)
В общем случае для определения всех напряжений анизотропного материала требуется
81 компонента ( см. в книге). Однако из условия статического равновесия (см. в книге следует, что тензор
модулей упругости является симметричным по первым двум и последним двум индексам,
откуда число компонент может быть снижено до 36. Из условия взаимности деформаций
следует, что перестановка первых двух индексов со следующими двумя не меняет значения
модуля упругости, поэтому число его компонент снижается до 21. Далее можно воспользо-
ваться сокращенной формой записи тензорных индексов, исходящей из того, что внутри
пары индексов их можно переставлять между собой, а также пару индексов можно заменять одним по следующему правилу: 11 1, 22 2, 33 3, 23 4, 13 5, 12 6. В результате для кристаллов с кубической симметрией в кристаллографической системе координат [100], [010], [001] матрица модулей упругости определяется всего лишь тремя независимыми компонентами:
(см. в книге)
вой системе координат.
Для осуществления расчетов вместо модулей упругости можно использовать привычные определения для изотропной среды:
1) модуль Юнга (см. в книге)
2) коэффициент Пуассона (см. в книге)
3) модуль сдвига (см. в книге)
1.7. Чувствительные элементы интегральных датчиков
В зависимости от требований технического задания при конструировании интегральных
акселерометров могут быть использованы различные принципы построения: принцип
прямого измерения ускорений и принцип измерения с силовой компенсацией. Подвиж-
ные узлы могут быть осевого либо маятникового типа, а для выявления их движений ис-
пользуются датчики перемещений или деформаций. Последние чаще всего применяются
в приборах прямого измерения, так как для создания деформаций, ощутимых тензопре-
образователями, нужны упругие подвесы большой жесткости, что в конечном итоге требу-
ет значительных мощностей от датчиков силовой отработки. В конструкциях интегральных
акселерометров нашли применение два типа датчиков силовой отработки: магнитоэлек-
трические и электростатические.
Линейные и угловые акселерометры прямого измерения с тензорезисторными пре-
образователями обладают невысокой точностью (порядка 5 % от диапазона), поэтому их
применение ограничено. Интегральные акселерометры прямого измерения с емкостными
преобразователями перемещений имеют несколько лучшие характеристики (точность по-
рядка 1 %) и для случая газового демпфирования обладают оптимальными значениями от-
носительного коэффициента демпфирования [15].
Первичные чувствительные элементы (ЧЭ) акселерометров и датчиков давлений пред-
ставляют собой микромеханические преобразователи ускорений (или давлений) в переме-
щения или деформации упругих подвесов. В интегральных датчиках электронные преобра-
зователи перемещений (или деформаций) конструктивно выполняют на одном узле с ЧЭ,
при этом степень интеграции определяется числом функциональных элементов, объеди-
ненных в одном узле.
На рис. 1.31 приведены обобщенные варианты кремниевых ЧЭ линейных и угловых
акселерометров.
Каждый из них может быть видоизменен по топологии в соответствии с конкретным
конструкторским заданием, т. е. может быть выполнен симметричным и несимметричным
как в плане, так и относительно упругих подвесов. Симметричная форма подвижной мас-
сы относительно упругих подвесов наиболее рациональна в случае применения емкостных
преобразователей перемещений, а также преобразователей на полевом эффекте. При ис-
пользовании тензорезисторных преобразователей упругий подвес, как правило, выполня-
ется смещенным относительно середины толщины подвижного узла. Это делается для того,
чтобы поверхность корпусной пластины, поверхность подвижной массы и деформируемая
поверхность упругого подвеса были в одной плоскости, т. е. расположены планарно.
Все варианты ЧЭ пригодны для конструирования линейных акселерометров. Вариан-
ты (рис. 1.31, в, г) являются универсальными: при симметричном выполнении подвижной
смещении оси качания относительно оси симметрии подвижной массы они могут приме-
няться для линейных акселерометров. Все варианты ЧЭ (рис. 1.31) имеют внешние подвесы
относительно подвижной массы.
Чувствительный элемент, представленный на рис. 1.31, а, является чисто осевым. С та-
ким ЧЭ и емкостным преобразователем, встроенным в корпус акселерометра, фирмой
Endevco (США) выпускается серийно один из лучших акселерометров в мире. Его масса
вместе с выводным кабелем — 11,5 г. Габаритные размеры: 25 16 10 мм. Предел измере-
ния: 0,5–103 g. Демпфирование — газодинамическое. Полоса пропускания: до 1000 Гц. Точ-
ность в зависимости от заказа и стоимости: 5; 1; 0,1 % от максимального диапазона.
Имеются и отечественные разработки акселерометров с осевым ЧЭ. Например, пен-
зенский НИИФИ выпускает мелкими сериями аналогичный акселерометр, но с тензоре-
зисторным преобразователем и с жидкостным демпфированием.
Механическая жесткость четырех балок упругого подвеса для вариантов рис. 1.31, а, б
рассчитывается по следующей формуле:
(см. в книге)
массы относительно оси качания эти ЧЭ применимы для угловых акселерометров, а при
смещении оси качания относительно оси симметрии подвижной массы они могут приме-
няться для линейных акселерометров. Все варианты ЧЭ (рис. 1.31) имеют внешние подвесы
относительно подвижной массы.
Чувствительный элемент, представленный на рис. 1.31, а, является чисто осевым. С та-
ким ЧЭ и емкостным преобразователем, встроенным в корпус акселерометра, фирмой
Endevco (США) выпускается серийно один из лучших акселерометров в мире. Его масса
вместе с выводным кабелем — 11,5 г. Габаритные размеры: 25 16 10 мм. Предел измере-
ния: 0,5–103 g. Демпфирование — газодинамическое. Полоса пропускания: до 1000 Гц. Точ-
ность в зависимости от заказа и стоимости: 5; 1; 0,1 % от максимального диапазона.
Имеются и отечественные разработки акселерометров с осевым ЧЭ. Например, пен-
зенский НИИФИ выпускает мелкими сериями аналогичный акселерометр, но с тензоре-
зисторным преобразователем и с жидкостным демпфированием.
Механическая жесткость четырех балок упругого подвеса для вариантов рис. 1.31, а, б
рассчитывается по следующей формуле:
(см. в книге)
где Е[100] — модуль упругости кремния для направления [100]; aп, bп, cп — соответственно
длина, ширина и толщина балки упругого подвеса, выполненного в виде прямоугольного
параллелепипеда. Перемещение подвижного узла в направлении измерительной оси опре-
деляется выражением
(см. в книге)
где m — величина подвижной массы; j — действующее ускорение.
Упругий подвес на рис. 1.31, а может быть вырожден в сплошную тонкую перемычку
между подвижной массой и корпусной пластиной. Это имеет место для акселерометров
на пределы свыше 100 g. Расчет жесткости и перемещения при этом выполняют как для
мембраны с жестким центром, защемленной по внешнему контуру.
В случае несимметричного расположения упругих подвесов относительно подвижной
массы, т. е. в случае смещения центра тяжести относительно подвесов, в варианте рис. 1.31, з
возможно построение трехкомпонентного линейного акселерометра. Одна из компонент
осевая, а две другие — маятниковые в перпендикулярных направлениях к первой, возни-
кающих от изгибающих моментов соответствующих компонент инерционных сил. Преоб-
разователи в электрический сигнал могут быть как тензорезисторными, так и емкостными.
Для построения рассмотренного ЧЭ применяется глубинное анизотропное травление.
Чувствительный элемент, изображенный на рис. 1.31, б, используется для низкопре-
дельных акселерометров (0,1–103 g). Снижение жесткости достигается удлинением подве-
сов без увеличения площади кристалла в плане. Следует учитывать, что в этой конструкции
кроме осевого перемещения подвижная масса имеет еще вращательное движение. При ис-
пользовании емкостных преобразователей перемещений исключение влияния вращатель-
ного движения возможно путем уменьшения площади неподвижных электродов по сравне-
нию с площадью подвижной массы, являющейся одновременно проводящим подвижным
электродом [6].
В варианте рис. 1.31, г упругий подвес маятника работает на кручение. Специальны-
ми технологическими приемами профиль поперечного сечения подвеса можно выполнить
в виде шестигранника. Например, плоскость корпусной пластины совмещают с кристалло-
графической плоскостью (100), а боковые грани чипа — с семейством направлений <110>.
Вначале осуществляют двухстороннее несквозное травление по всему контуру маятни-
ка. Толщина непротравленной перемычки должна равняться толщине будущего подвеса.
Далее в местах подвеса с обеих сторон наносят маскирующие дорожки шириной, равной
стороне шестигранника. Затем выполняют сквозное анизотропное травление, при этом че-
тыре остальные грани по отношению к двум, маскированным в плоскости (100), будут вы-
травлены под углами 54° 44в семействе плоскостей {111}. Окончательную доводку до углов,
близких к 60°, производят с помощью изотропных полирующих травителей.
Характерной особенностью шестигранного подвеса является то, что сдвиговые на-
пряжения на всех ребрах равны нулю, а максимальные значения напряжений имеют место
вдоль средних линий боковых граней. Значение жесткости на кручение определяется для
шестигранного подвеса по следующей формуле:
(см. в книге)
где аш — размер стороны шестигранника; — коэффициент Пуассона.
Вариант рис. 1.31, г перспективен для конструирования ЧЭ не только угловых акселеро-
метров, но и при смещении оси качания — линейных акселерометров. В практике акселеро-
метрии широко распространен маятниковый несимметричный ЧЭ по варианту рис. 1.31, д.
По этой схеме был построен первый отечественный интегральный прибор, так называемый
балочный акселерометр с планарным расположением подвеса, корпусной пластины и под-
вижной массы [16]. Упругий подвес по существу представлял собой концентратор механи-
ческих напряжений, выполненный методом несквозного одностороннего анизотропного
травления, прямоугольный в плане. На противоположной от углубления плоскости был
расположен полный тензометрический мост. Эта конструкция продолжает совершенство-
ваться в основном по линии термокомпенсации тензочувствительного моста.
Другой разновидностью ЧЭ по варианту рис. 1.31, д является симметричный подвес
с криволинейными обводами в плане и по толщине подвеса. В качестве датчика пере-
мещений применяется емкостный преобразователь. Демпфирование — газодинамиче-
ское. Электронный преобразователь — встроенная в корпус датчика гибридная схема.
Для упругого подвеса с прямолинейными обводами расчетная формула для угловой жест-
кости имеет вид
(см. в книге)
где J b с п п
3 12 — момент инерции прямоугольного сечения подвеса; aп, bп, cп — размеры
массы маятника.
Одним из основных требований, предъявляемых к интегральным подвесам, является
условие минимума жесткости при максимальной живучести, т. е. при максимуме стойкости
подвесов к разрушению. В связи с этим для интегральных подвесов ставятся оптимизаци-
онные задачи, а в качестве критерия принимают постоянство изгибных напряжений в се-
чениях подвеса по его длине, т. е. условие отсутствия концентрации напряжений, особенно
около жестких монолитных заделок с корпусной пластиной и подвижной массой.
Для расчета предельных углов отклонения маятника используется следующая формула:
(см. в книге)
где jmax — ускорение верхнего предела проектируемого акселерометра.
Чувствительный элемент (рис. 1.31, е) представляет собой двойной маятник (маятник
в маятнике). Эта конструкция разработана в целях снижения жесткости упругих подвесов
без уменьшения прочности подвесов и увеличения общих размеров чипа. Применяется
двойной маятник для построения компенсационных акселерометров с силовой отработ-
кой, а также компенсационных указателей вертикали.
Разновидностью ЧЭ с криволинейными подвесами является конструктивная схема
(рис. 1.31, ж). Ее особенностью является исключение возможной потери устойчивости
подвеса при продольном нагружении: например, в компенсационных акселерометрах при
стремлении к снижению жесткости подвеса за счет увеличения его длины при одновре-
менном уменьшении площади поперечного сечения растяжек подвеса может иметь ме-
сто потеря продольной устойчивости отдельно рассматриваемой растяжки. В этом случае
применяют три растяжки, которые работают на растяжение от действия ускорений вдоль
подвеса. В направлении измерительной оси они подвержены поперечному изгибу и имеют
малую жесткость, обеспечивая получение необходимых характеристик акселерометра.
Все рассмотренные ЧЭ акселерометров могут быть выполнены по обращенной кон-
структивной схеме, в которой подвес является внутренним, а подвижный узел внешним.
В качестве примера на рис. 1.31, и приведен обращенный ЧЭ осевого типа, применяемый
для построения как линейных, так и угловых акселерометров.
Вариант ЧЭ акселерометра (рис. 1.31, к) является чисто осевым и может применять-
ся для построения как акселерометров, так и микрогироскопов. Компания Analog Devices
с 1991 года изготовляет семейство акселерометров ADXL, выполняемых по планарной тех-
нологии со встроенными схемами обработки. На корпусной пластине выполнены непо-
движные электроды емкостного датчика перемещений гребенчатого типа. Неподвижные
электроды приварены к корпусной пластине через изоляционные анкеры на молекуляр-
ном уровне. Чувствительная к ускорениям масса подвешена на восьми упругих растяжках.
На чувствительной массе выполнены подвижные электроды, входящие в зазоры между не-
подвижными электродами. Подвижные электроды и неподвижные преобразователя пере-
мещений служат одновременно электродами электростатического преобразователя силы.
Вся корпусная пластина имеет размеры 3 3 мм, а размеры чувствительной массы со-
ставляют 1 1 мм. Площадь корпусной пластины, за исключением чувствительной массы,
занята электрическими схемами обработки.
Особенностью конструкции микромеханического датчика угловых скоростей (ДУС)
по конструктивной схеме (рис. 1.31, л) является то, что подвижная чувствительная масса
подвешена на восьми Г-образных упругих подвесах. Такая подвеска позволяет чувстви-
тельной массе иметь линейные и угловые перемещения только в одной плоскости x и y.
Все ЧЭ (рис. 1.31) могут быть выполнены на жесткой рамке, консольно закрепленной
внутри несущей пластины (рис. 1.32). Такое решение применяют для того, чтобы снизить
влияние контактных напряжений, передаваемых на его упругие подвесы от площадок со-
единения несущей пластины с основанием. Оценку величины контактных напряжений
осуществляют по формуле Буссинеска. Для интегральных ЧЭ формула для оценки величи-
ны контактных напряжений, возникающих от любых силовых воздействий в местах соеди-
нений, имеет следующий вид:
(см. в книге)
где p — давление на контакт; — коэффициент Пуассона; S — площадь контакта; L — рас-
стояние от точки приложения сосредоточенной силы до заданного сечения; y0 — толщина
пластины с ЧЭ. Из формулы (1.7) видно, что с уменьшением размеров площадки соедине-
ния и с увеличением расстояния до упругих подвесов маятника влияние контактных на-
пряжений снижается.
Технологические погрешности изготовления ЧЭ интегральных акселерометров опре-
деляются погрешностями линейных размеров фотошаблонов, которые трансформируют-
ся в погрешности геометрических параметров чувствительной массы и упругих подвесов,
и совмещением их с кремниевой подложкой. Так, выражения для расчета максимального
и минимального значений чувствительной массы с учетом анизотропии и выше отмечен-
ных погрешностей имеют вид
(см. в книге)
где — плотность кремния; aп, bп, cп — соответственно длина, ширина и толщина чувствительной массы; aп, bп — погрешности линейных размеров и совмещения длины и ширины соответственно; — смежный угол угла травления.
Для расчета осевой и угловой жесткостей с учетом технологических погрешностей
имеют место следующие зависимости:
(см. в книге)
В качестве преобразователей перемещений чаще всего применяют емкостные, а в ка-
честве датчиков момента — электростатические и магнитоэлектрические преобразователи.
Собственно ЧЭ датчиков, выполненные по любому из рассмотренных вариантов, вносят
ошибку в диапазоне температур от −60 до +85 °C не более 0,05 % от диапазона измерений.
Ошибка в основном обусловливается наличием дислокаций в кремниевых заготовках и де-
формацией корпусных пластин, вызванной несоответствием значений ТКЛР кремния
и стеклянных крышек. Дальнейшее снижение ошибки возможно совершенствованием ис-
ходного материала и технологического процесса электростатической сварки.
Значительно большую долю в суммарную ошибку вносит электронная часть (более чем
на порядок по сравнению с ЧЭ). В настоящее время наметилась тенденция построения
цифровых датчиков ускорения в виде линейки предельных ЧЭ с двоичным весом. Каждый
ЧЭ несет контактную пару, которая срабатывает при достижении заданного ускорения.
Отсутствие в подобных схемах аналоговых электронных элементов, склонных к темпе-
ратурным ошибкам, выгодно отличает такие цифровые устройства. Однако здесь есть про-
блемы в динамике ЧЭ и устранении дребезга механических контактов. На рис. a изобра-
жены распространенные варианты интегральных ЧЭ датчика давлений. Чувствительный
элемент на рис. 1.33, а — это плоская интегральная мембрана с полным тензорезисторным
мостом.
Чаще всего мембрану выполняют из n-кремния в плоскости (100), прямоугольной
в плане, а диффузионные (имплантированные) или эпитаксиальные тензорезисторы —
из кремния p-проводимости. С такими ЧЭ возможно построение датчиков для измерения
абсолютных, избыточных и разностных давлений. С корпусными деталями ЧЭ соединяют
посредством промежуточных боросиликатных стеклянных пластин диффузионной свар-
кой в электрическом поле.
Верхний предел измеряемых давлений распространяется до 250 мПа, а точность изме-
рения — на уровне 1 %. Дальнейшее совершенствование рассмотренного ЧЭ возможно при
установлении аналитической зависимости деформации интегральной мембраны от при-
кладываемых давлений, что позволит поставить оптимизационные задачи при конструи-
ровании интегральной мембраны в совокупности с тензопреобразователем.
Чувствительный элемент на рис. 1.33, б является разновидностью варианта, приведен-
ного на рис. 1.33, а, и представляет собой симметрично расположенную относительно кор-
пусной пластины плоскую мембрану.
Применение этого ЧЭ предусматривается вместе с дифференциальными емкостными
датчиками перемещений. Упругие характеристики симметричной мембраны, а также тех-
нологические процессы ее изготовления аналогичны предыдущему варианту.
Разновидностью интегральных мембран являются мембраны с жестким центром
(рис. 1.33, в, г), а также мембраны с жестким кольцом (рис. 1.33, д). Назначение жесткого
центра зависит от типа применяемого преобразователя деформации (или перемещения)
в электрический сигнал. Так, при использовании тензорезисторного преобразователя
для интегральной мембраны с жестким центром повышается концентрация напряжений
в тонкой перемычке и существенно улучшается линейность характеристики [44]. В случае
использования емкостного преобразователя перемещений жесткий центр выполняет роль
подвижного электрода дифференциального емкостного датчика, что в конечном итоге по-
зволяет получить идеально линейную характеристику. Недостатком применения жесткого
центра является то, что датчик давлений становится чувствительным к линейным и угло-
вым ускорениям. Для полного исключения влияния ускорений выполняют два идентичных
датчика давлений на одной корпусной пластине, причем второй датчик закрыт от воздей-
ствия давлений, т. е. реагирует только на ускорения. Полезный сигнал выделяют посред-
ством электронной схемы в виде разностного значения.
Снижение влияния ускорений возможно в конструкции ЧЭ с жестким кольцом или
в так называемой мембране с двойной оправой, хотя основное назначение такой мембра-
ны — исключение температурных напряжений, возникающих в месте соединения внешней
оправы с металлической корпусной деталью. Тонкая перемычка между внешней и внутрен-
ней оправами гасит температурные напряжения. Внутренняя мембрана, оправой которой
служит плавающее жесткое кольцо, является рабочей. Тензорезисторный преобразователь
при этом размещают на внутренней мембране аналогично варианту рис. 1.33, а.
Улучшение линейности достигается за счет совместной деформации внутренней
и внешней мембран от измеряемых давлений в местах их заделки с внутренним кольцом.
Другое применение двухоправной мембраны возможно в качестве двухпредельного ЧЭ, при
этом тензорезисторные преобразователи выполняют как на внешней, так и на внутренней
мембране. Жесткости внешней и внутренней мембран рассчитывают в соответствии с за-
данными пределами давлений.