С.Ш.Рехвиашвили, Институт прикладной математики и автоматизации КБНЦ РАН (г. Нальчик),
Д.С.Гаев, Кабардино-Балкарский госуниверситет (г. Нальчик)
КОНСТРУКЦИЯ АКТИВНОГО ТЕНЗОРЕЗИСТИВНОГО ДАТЧИКА ДЛЯ АТОМНО-СИЛОВОГО
МИКРОСКОПА
|
Предлагается конструкция датчика для атомно-силового микроскопа.
Датчик представляет собой монолитный кристалл (чип), комбинирующий в себе
чувствительный элемент и интегральную схему. Проведены расчеты основных
характеристик датчика. Применение нового датчика исключает оптическую систему
регистрации |
В настоящее время атомно-силовой микроскоп (АСМ) является одним из наиболее перспективных приборов для исследования поверхности твердых тел на атомарном уровне разрешения. Важнейшей составляющей прибора является чувствительный датчик, смещения которого, как правило, детектируются оптическими или электрическими методами. Существует несколько типов таких датчиков. Самым простым из них является тонкая проволока (обычно используются W, Мо или Pt-Ir-сплав) толщиной 10-50 мкм, кончик которой дополнительно подвергается электрохимической заточке в щелочной среде [1]. Другой способ основан на использовании микротехнологии, заимствованной из полупроводниковой электроники, где основными материалами являются кремний и его соединения [2]. Существуют также и “нетрадиционные” методы изготовления игл. Так, например, авторами [3] предложен метод “построения” игл с использованием поверхностной диффузии атомов в электрическом поле с большим градиентом вблизи поверхности иглы. При одновременном действии полевого испарения и поверхностной диффузии достигается конический профиль иглы. На кончике иглы формируется микроигла, выступающая примерно на 5 нм. В качестве исходного материала применялся W (111).
Несмотря на определенные успехи в данной области разработка зондирующих элементов по-прежнему остается очень актуальной задачей. В настоящей работе впервые предлагается конструкция и технология однокристального кремниевого тензорезистивного датчика для АСМ, состоящего из интегральной схемы (ИС) и чувствительного элемента. Датчик может применяться как отдельно, так и в составе многозондового картриджа, конструкция и технология которого в данный момент разрабатывается фирмой “НТ-МДТ” [4].
Основной частью датчика, определяющей разрешающую
способность АСМ, является гибкий кронштейн. Его резонансная частота 
(Гц) и жесткость 
(Н/м) могут быть
рассчитаны по формулам:
;
(1)
,
(2)
где 
, 
, 
- длина, ширина и
толщина кронштейна; 
и 
- плотность и модуль
упругости материала. В нашем случае геометрические размеры кронштейна имели
следующие значения: 
мкм; 
мкм; 
мкм. При этом резонансная частота и жесткость
составляли 100 кГц и 2,3 Н/м. Отметим, что данные значения являются
характерными для большинства конструкций кронштейнов.
|
|
|
Рис. 1. Принципиальная схема ИС тензодатчика |
На рис. 1 показана электрическая схема тензодатчика,
принцип работы которой состоит в следующем. Диффузионный резистор 
встроен в кронштейн
(этот резистор должен быть 
-типа для обеспечения большой длины), а остальная часть схемы
расположена на кремниевой подложке. При деформации кронштейна происходит
изменение сопротивления резистора, которое в линейной области можно оценить по
следующей формуле:
,
(3)
где 
- сопротивление
резистора; 
- отклонение
кронштейна в вертикальном направлении; 
– коэффициент
тензочувствительности (для кремния 
[5]). Изменение 
регистрируется
активной мостовой схемой на основе дифференциального каскада 
, 
, 
R2–R5, VT1, VT2.
При изготовлении датчика неизбежны отклонения параметров
элементов схемы от их номиналов. Для устранения этого недостатка в схему
включен каскад 
, 
, 
, 
, обеспечивающий смещение нуля на выходе и температурную
стабилизацию схемы.
|
|
|
Рис. 2. Зависимость напряжения на выходе |
На рис. 2 показаны результаты моделирования тензорезистивного датчика, проведенного с помощью программы PSpice [6] и формул (1) – (3). Параметры моделей активных компонентов схемы (диодов и транзисторов) соответствовали стандартному планарно-эпитаксиальному процессу [7].
Из рис. 2 видно, что линейная область изменения выходного
напряжения 
соответствует
смещениям 
мкм, что является вполне приемлемым (при необходимости
рабочий диапазон смещений может быть увеличен путем подбора номиналов). Примечательным
является также то, что изменение температуры в данной области практически не
влияет на работу схемы. Все вместе это делает активный тензодатчик
предпочтительней.
На рис. 3 показан один из возможных вариантов топологии
тензодатчика. При ее прорисовке предполагалось, что технология изготовления
является планарно-эпитаксиальной с изоляцией элементов 
-переходом.
|
|
|
Рис. 3. Вариант топологии ИС тензодатчика (не в масштабе) |
В заключение отметим, что идея активного тензодатчика выглядит еще более привлекательной, если в качестве сенсора использовать тонкую мембрану. В этом случае несколько (как правило, два или четыре) тензорезисторов могут быть расположены по ее периферии, что значительно повысит эффективность преобразования “смещение–напряжение”.
Список литературы
1. Bryant P.J., Kim H.S., Zheng Y.С., Yang R. // Rev. Sci. lustrum. 1987. 58. № 6. P. 115
2. Рехвиашвили С. Ш., Дедков Г. В. // Микроэлектроника. 1998. Т. 27. № 2. С. 158-160.
3. Binh Yu.Thien, Marien J. // Surface Sci. 1988. V. 22. № 1-2. L 539-L 549.
4. Быков В.А., Саунин С. А. // Зондовая микроскопия 99: Материалы всероссийского совещания. Институт физики микроструктур РАН, Н. Новгород, 1999. С. 132-133.
5. Ваганов В.И. Интегральные тензопреобразователи. М.: Энергоатомиздат, 1983.
6. Разевиг В.Д. Применение программ P-CAD и PSpice для схемотехнического моделирования на ПЭВМ. В 4 выпусках. Вып. 2, 3. М.: Радио и связь, 1992.
7. Тилл У., Лаксон Дж. Интегральные схемы: Материалы, приборы, изготовление / Пер. с англ. М.: Мир, 1995.
8. Рехвиашвили С.Ш., Гаев Д.С. Активный тензорезистивный датчик для атомно-силового микроскопа // Зондовая микроскопия-2000 (Мат-лы совещания 28 февраля – 2 марта 2000 г., Нижний Новгород). 2000. С. 270-272.
| Наверх |