УДК 621.3

П.Г. Катыс, канд. техн. наук, НПО “Спецтехника и связь”, Г.П. Катыс, д-р техн. наук, акад. РАЕН, МИРЭА

МИКРОДАТЧИКИ, РЕАЛИЗОВАННЫЕ НА ОСНОВЕ МЭМС И МОЭМС

Рассмотрены принципы построения, основы функционирования и характеристики микродатчиков, основанных на использовании МЭМС- и МОЭМС-технологии

В последний период времени научно-технические и технологические достижения микросистемной техники широко используются в различных областях информационной техники и, в том числе, при создании микродатчиков. Особые успехи в области микросистемной техники достигнуты в создании систем, которые в зарубежной литературе именуются как MEMS (Micro-Electro-Mechanical System) и MOEMS (Micro-Optical-Electro-Mechanical System). На русский язык эти названия могут быть переведены соответственно как МЭМС и МОЭМС (микроэлектромеханические и микрооптоэлектромеханические системы). Эти классы систем широко применяют в различных параметрических микродатчиках и сенсорных системах. Существует большое число микродатчиков, основанных на использовании МЭМС и МОЭМС и предназначенных для контроля и анализа широкого спектра технических, физических и химических параметров. Разнообразные МОЭМС, применяемые для восприятия, анализа, обработки и отображения информации, представляют собой высокоэффективные оптико-электронные и микрозеркальные сканаторы и дефлекторы, использующие пьезоэлектрические, электростатические, электромагнитные и электротермические микроприводы (актуаторы). Они находят широкое применение в пространственно-временных модуляторах света, в системах машинного видения, в лазерных проекционных дисплеях и в других информационных системах. Об актуальности этого направления развития информационной техники можно судить по большому объему публикаций результатов выполненных исследований и разработок. Так, по этой теме в США в течение 2000-2001 гг. изданы четыре обширных специализированных тома Proc. SPIE (Society of Photo-Optical Instrumentation Engineers) [1-4], которые в значительной степени послужили информационной основой данного обзора.

На основе использования МЭМС и МОЭМС созданы различные микродатчики давления, смещения, ускорения, угловых скоростей, удельного веса, магнитного поля, химических параметров и др. Их микроразмеры позволяют использовать при изготовлении новые высокоэффективные микротехнологии, а также реализовать возможность их совмещения с чипами электронной обработки измерительных сигналов.

В последнее время области применения мехатронных микродатчиков значительно расширились. Это определяется, во-первых, тем обстоятельством, что при создании мехатронных микродатчиков могут быть реализованы такие новые принципы преобразования неэлектрических параметров в электрические измерительные сигналы, которые не могут быть осуществлены в подобных устройствах, действующих на макроуровне. Во-вторых, в мехатронных микродатчиках могут быть применены новые дорогостоящие материалы, использовать которые в соответствующих устройствах, реализованных на макроуровне, по экономическим причинам не представляется возможным. В-третьих, динамические характеристики мехатронных микродатчиков вследствие минимальных размеров их чувствительных элементов значительно выше характеристик соответствующих датчиков других типов. В-четвертых, мехатронные микродатчики имеют значительно меньшее энергопотребление.

Применение МОЭМС дает большой эффект в лазерных проекционных дисплеях, предназначенных для воспроизведения двумерной и трехмерной визуальной информации как на больших экранах, так и в нашлемных микродисплеях. Преимуществом таких систем является то, что они обладают высокой яркостью и разрешающей способностью. Пространственно-временные модуляторы света, созданные на основе матриц МОЭМС, применяются в различных системах обработки визуальной информации.

Различные типы МОЭМС находят применение в системах машинного видения, а также для решения метрологических задач, когда требуется высокая точность контроля. Кроме того, эти устройства могут применяться в производственных системах анализа и контроля продукции, действующих на основе обработки визуальной информации; они используются в оптико-электронных системах контроля продукции в электронной промышленности, например, для автоконтроля плат или чипов.

Матрицы МОЭМС являются основой оптико-электронных многовариантных переключающих коммутирующих систем, которые могут в широком диапазоне изменять оптические связи между входным комплектом волоконно-оптических световодных каналов и соответствующим комплексом выходных световодных каналов. Такие устройства способны переключать и коммутировать большое число оптических каналов, причем они могут осуществлять различные преобразования изображений. Подобные многоканальные микрозеркальные устройства могут быть использованы для разных целей, в том числе для кодирования и декодирования информации.

Итак, МЭМС и МОЭМС различных типов сейчас эффективно используются в различных областях информационной техники. Широкое применение МЭМС и МОЭМС получили в различных микродатчиках, а МОЭМС – также и в системах обработки информации. Данная статья посвящена рассмотрению принципов действия, основ функционирования и характеристик различных классов микродатчиков, реализованных на основе МЭМС и МОЭМС.

В течение последних 20 лет наблюдается тенденция миниатюризации датчиков, при этом разработчики сенсорной техники стремились создать микродатчики, сопоставимые с микроэлектронными схемами с точки зрения такого показателя, как производительность/стоимость. Отсутствие микродатчиков такого типа сдерживало широкое применение микроэлектронных технологий в сенсорных системах. В последнее время были созданы некоторые модели микродатчиков на основе МЭМС, которые были освоены в промышленном производстве: к ним относятся микродатчики давления и ускорения, магнитные микродатчики, вибрационные микрогироскопы и т.д. Такие микродатчики могли бы получить более широкое распространение при интенсивном развитии микроэлектронной совместимости. Кроме того, при создании МЭМС и микродатчиков на их основе необходимо совершенствовать такие параметры, как смещение нуля, уровень шума и нелинейность и др. Характеристики микродатчиков могут также совершенствоваться за счет использования новых, более качественных материалов и технологий производства. Очень важно обеспечить возможность оптимального интегрирования микродатчиков в информационные системы. Следует также обратить внимание на более широкое использование понятия интеллектуальности при создании микродатчиков и измерительных систем. Современные сенсорные системы обычно реализуют функции усиления и обработки сигнала, а также функции запоминания. В гибридных сенсорных микросистемах на электронном чипе должна быть предусмотрена возможность совмещения с чипами электронной обработки сигналов [5].

Микросистемы имеют существенные преимущества по сравнению с обычными системами на макроуровне. Во-первых, в них возможно усиление с пониженным уровнем внешней интерференции, коррекцией смещения нуля, самодиагностики и автокалибровки. Во-вторых, предусмотрена совместимость с системными шинами для интегрирования в другие системы автоматической обработки сигналов. В последнее время в технологии создания микродатчиков стали использоваться комбинированные методы на основе фотолитографических масок, послойного напыления, травления и легирования. При этом современные микротехнологии позволяют создавать новые типы микросхем на основе новых теоретических и экспериментальных исследований. Новые методы тонкопленочных технологий могут быть эффективно использованы при формировании микродатчиков, в частности, при создании первичных измерительных преобразователей неэлектрических величин (механических, поточных, магнитных, оптических, химических и биохимических). Комбинирование микротехнологий различного типа позволяет создавать новые миниатюрные конструктивные элементы, которые находят широкое применение в микродатчиках и сенсорной технике. Например, комбинирование микромеханических и микроэлектронных элементов в системе позволяет создавать сенсорные микросистемы с интегрированной цифровой электроникой [6].

Микроэлектромеханические системы разрабатываются на основе самых современных технологий. При создании микродатчиков на основе МЭМС и МОЭМС широко используется новый технологический процесс создания комплексных трехмерных микрообъектов, получивший название микростереолитография [7]. В последнее время разработана микростереолитографическая технология, имеющая субмикронное разрешение [8]. Существуют также различные варианты комбинированных методов микростереолитографии, в которых изготовление трехмерных микрообъектов осуществляется при помощи методов микростереолитографии и пленочной резистивной ультрафиолетовой литографии [9].

Наиболее важными характеристиками МЭМС являются [10]:

· незначительные затраты материалов и малое потребление электрической энергии;

· высокая эксплуатационная эффективность;

· малая стоимость;

· высокая надежность;

· возможность обеспечения локально распределенных интеллектуальных свойств.

В последнее время на основе МЭМС-технологий созданы различные интегральные микродатчики, предназначенные для контроля широкого ряда параметров [11]. Разработан ряд интеллектуальных микродатчиков, в которых реализуется концепция интегрального исполнения сенсора с микрокомпьютером. Это позволяет осуществлять корректирующее воздействие на сигнал, получаемый с микродатчика, например, компенсировать влияние помех [12]. Необходимо отметить, что микродатчики благодаря миниатюрным чувствительным элементам обладают очень высокими динамическими характеристиками, т.е. очень малой инерционностью.

Разработаны разнообразные микродатчики, предназначенные для контроля теплотехнических, физико-химических и других параметров [13]. Для контроля теплотехнических параметров, таких как температура и давление, создан ряд соответствующих микродатчиков, используемых при исследовании различных нестационарных и быстро изменяющихся тепловых процессов, а также в системах управления теплотехническими установками. Микродатчики, предназначенные для контроля температуры [14,15], давления [16,17], расходов и скоростей потоков [18,19], обладающие высокой динамической точностью, получают все большее распространение. Вследствие миниатюрности такие микродатчики также используются для контроля параметрических полей.

На основе технологий МЭМС разработаны также микродатчики, предназначенные для контроля химических параметров [20]. Одной из важных проблем, возникающих при создании таких микродатчиков, является обеспечение высокой стабильности нулевого уровня измерительного сигнала. С использованием технологий МЭМС разработаны микродатчики, предназначенные для контроля кинетических и динамических параметров, а также разнообразные высокочувствительные микроакселерометры. Созданы интегральные гибридные микроакселерометры, действующие с использованием CMOS-структур [21], на основе туннельного эффекта [22], а также на основе других принципов [23,24]. Реализованы высокоточные микродатчики углового положения, основанные на использовании интегральной поверхностной микроструктуры типа CMOS [25,26].

На основе технологий МЭМС разработаны вибрационные микрогироскопы. В вибрационных микрогироскопах камертонного типа пластины микрокамертона колеблются с резонансной частотой с помощью специальных микропьезоактуаторов, при этом определяются моды колебаний, возникающие во время изменения пространственной ориентации оси гироскопа [27,28]. Такие микрогироскопы могут быть использованы при управлении малогабаритными дистанционно управляемыми летательными аппаратами [29,30].

Рассмотрим более подробно характеристики, области применения и конструктивные особенности наиболее оригинальных реализаций микродатчиков на основе МЭМС. Благодаря большим успехам в развитии микромашинной технологии наибольшее практическое применение получили микродатчики механических и физических величин с пьезорезисторами и, в первую очередь, микродатчики давлений этого типа. Основные области применения таких микродатчиков давлений – это медицинская техника, где они применяются для измерения кровяного давления, а также автомобильная аппаратура, где они используются для измерения давлений газовых и жидких сред. В автомобильном оборудовании, кроме того, широко применяются микроакселерометры, выполняемые в основном на пьезорезисторных сенсорах ускорений. Они используются в системах защиты водителей при наездах на препятствия, в системах автоматического торможения без проскальзывания колес и др. Также в автомобилестроении находят применение микродатчики угловых скоростей – так называемые кремниевые микрогироскопы. Они используются в системах управления подвесками рам автомобилей, а также в системах вычисления траекторий их движения [10].

Для измерений расходов газовых и жидких сред применяются микрорасходомеры с кремниевыми микросенсорами. Основные проблемы при разработке таких микрорасходомеров – это обеспечение высокой стойкости микросенсоров к воздействиям потоков, расходы которых измеряются, а также обеспечение высокой долговременной стабильности. Для измерений расходов воздушных потоков, поступающих в автомобильные двигатели, в основном применяются сенсоры скоростей этих потоков с миниатюрными терморезисторами (так называемые микротермоанемометры). В МЭМС достаточно широко применяются кремниевые детекторы ИК излучения, миниатюрные термоэлектрические сенсоры, используемые для дистанционного управления температурами, а также для регистрации температур специальных объектов, в том числе в системах безопасности.

Важным направлением работ в области МЭМС является создание инерционных микродатчиков. Разработано несколько вариантов микроакселерометров, которые обладают высокой точностью. В последние годы также проведена разработка микросенсоров угловых скоростей инерционного типа. Они выполнены на кремниевой подложке по микромашинной технологии с использованием пленки из поликристаллического кремния, из которой изготовлен круглый чувствительный инерционный элемент.

Чувствительному элементу задаются угловые колебания относительно центральной оси; в результате взаимодействия угловых колебаний и измеряемой угловой скорости возникают воздействующие на чувствительный элемент силы, которые возбуждают другую моду колебаний, измеряемую дополнительным сенсором колебаний. Разрешающая способность микросенсора угловой скорости, определяемая точностью регистрации второй моды колебаний, составляет около 0,1% [5].

Сенсорные микродатчики на основе СБИС в настоящее время распространены достаточно широко. При изготовлении микродатчика магнитного поля на основе эффекта Холла использована стандартная технология формирования интегральных схем [5], которая позволяет реализовать достаточно высокую термостабильность. Наиболее высокую точность измерения магнитного поля удается получить на основе использования СБИС, содержащей кроме элемента Холла устройства концентрации магнитного потока и кондиционирования сигнала.

Большое распространение получили кремниевые пьезорези-сторные микродатчики давлений, предназначенные в основном для измерений динамических давлений водных потоков, а также микродатчики скоростей жидкостных потоков, которые применяются в микрорасходомерах [31]. Диапазон измеряемых скоростей составляет от 0,2 до 30 м/с. Создан микродатчик скоростей воздушных потоков термоанемометрического типа, содержащий столбик из термоэлектрических (термопарных) преобразователей, закрепленный на кремниевой мембране, предварительно покрытой изолирующей пленкой из нитрида кремния [31].

Микродатчики давлений с полупроводниковыми тензорезисторами (пьезорезисторами) имеют небольшую стоимость и широкое промышленное применение. Их основные недостатки – относительно невысокая чувствительность при выходном электрическом сигнале 10-100 мВ и значительный температурный дрейф характеристик, требующий применения дополнительных компенсационных устройств и периодических калибровок. Эти недостатки в меньшей степени присущи емкостным микродатчикам давлений, которые изготовляются по микромашинной технологии. Приемная мембрана такого датчика имеет квадратную форму с длиной сторон 400-500 мкм и толщиной около 20 мкм. Опорный чувствительный элемент микродатчика позволяет существенно снизить влияние паразитных емкостей на его показания. Площадь основания с обоими чувствительными элементами составляет 1,5´1,9 мм. Их начальные емкости составляют по 3,5 пФ, а изменение емкости рабочего чувствительного элемента под воздействием максимального измеряемого давления 68,6×10⁴ Па составляет около 0,8 пФ.

В ряде случаев при проведении химического анализа необходимо определять плотность жидкостей, имеющихся в очень малых количествах. Для этих целей разработан микродатчик плотности жидкостей планарной конструкции с кремниевыми капиллярными трубками, изготовляемый как одно целое по микромашинной технологии, который позволяет определять плотности жидкостей в объемах, составляющих 0,0035 мл. Микродатчик содержит плоский прямоугольный рамочный корпус, внутри которого располагаются две трубчатые рамки, консольно закрепленные в опорном элементе. Через отверстия трубчатые рамки заполняются жидкостью, плотность которой измеряется. С помощью системы электростатического возбуждения рамкам задаются противофазные крутильные колебания относительно продольной оси на резонансной частоте. Благодаря симметричной конструкции микроплотномера и совершенным упругим свойствам кремния, из которого изготовляется сенсор, добротность механической колебательной системы рамок в условиях воздушной атмосферы составляет около 3000. Благодаря этому обеспечиваются высокая разрешающая способность и стабильность работы микродатчика плотности [32]. Измерение частот и амплитуд резонансных колебаний рамок проводится с помощью оптической системы.

Приведенные примеры убедительно показывают высокую эффективность применения микро-технологий МЭМС при создании микродатчиков давления и ускорения, магнитоупругих микродатчиков, микрогироскопов, микродатчиков смещения и др. Новые высокоинформативные микродатчики характеризуются оптимальным совмещением преимуществ микротехнологии и микросистемотехники. Некоторые физические эффекты могут быть реализованы только на основе МЭМС, т.е. при использовании минимальных объемов, поэтому применение МЭМС в соответствующих первичных измерительных преобразователях очень перспективно.

Список литературы

1. MOEMS technologies and applications. SPIE PRESS. 2000. Vol. PM85. 516 p.

2. MOEMS. Proc. SPIE. 2000. V. 4075. 766 p.

3. MOEMS and miniaturized systems. Proc. SPIE. 2000. Vol. 4178. 420 p.

4. Optomechatronic systems. Proc. SPIE. 2001. Vol. 4190. 350 p.

5. Popovic P. S. Sensor microsystems // Microelectron. Reliab. 1997. Vol. 37. № 9. P. 1401-1409.

6. Gatzen H. H. Anwendung der Mikrotechnologie in der Messtechnik // Т. М. 1999. № 12. P. 476-484.

7. Beluse L. et al. Microstereolithography: a new process to build complex 3D objects // Proc. SPIE. 1999. Vol. 3680. P. 808-817.

8. Maruo S., Ikuta K. Two-photon micro stereolitography with submicron resolution // Proc. Eighth. Intern. Conf. of Rapid Prototyping. 2000. Japan. P. 201-206.

9. Bertsch A. et al. 3D microfabrication by combining microstereolithography and thick resist UV lithography // Sensors and Actuators. 1999. Vol. A73. P. 14-23.

10. Lang W. Microelectro mechanical systems: from research to application // Jpn. Appl. Phys. 1998. Vol. 37. P. 1. № 12B. P. 7047-7051.

11. Tsuruta К. et al. Micro sensor developments in Japan // Sensor review 1999. Vol. 19. N 1. P. 37-42.

12. Heschel M. et al. Integrated packaging concept for an intelligent transducer // Smart Electronics and MEMS. 1998. P. 344-352.

13. Eddy D., Sparks D. Application of MEMS technology in automotive sensors and actuators // Proc. IEEE. 1998. Vol. 86. № 8. P. 1747-1755.

14. Li X.P., Chan W.E. A microsensor for non contact temperature measurement // Proc. SPIE. 2000. Vol. 4230. P. 66-75.

15. Baltes H. et al. CMOS MEMS technology and CAD: the case of thermal micro-tranducers // Proc. SPIE. 1998. Vol. 3328. P. 2-12.

16. Schuster J.P., Czarnocki W. S. Automotive pressure sensors: evolution of a micromachined sensor application // Proc. 3-rd intern, symp. on microstructures and mi-cromachines. 1997. P. 49-63.

17. Greenwod J., Dobre G. An optical pressure sensor for an aeronautical application using white light interferometry // Proc. SPIE. 2000. Vol. 4075. P. 94-100.

18. Kong Y. et al. Novel self-oscillating anemometer with capacitance-based sensing // Proc. SPIE. 2000. Vol. 4230. P. 84-88.

19. Fitch J.S. et al. Pressure-based mass-flow control using termopneumatically-actuated microvalves // Proc. of the Solid-state sensor and actuator workshop. 1998. P. 162-165.

20. Spiering V.L. et al. Novel microstructures and technologies applied in chemical analysis techniques // Intern Conf. on solid state sensors and actuators. 1997. P. 511-514.

21. Sparks D. et al. Angular rate sensor and accelerometer combined on the same micromachined CMOS chip // Microsystem tech. 1998. Vol. 4. P. 139-142.

22. Boyadzhyan V., Choma J. High temperature, high reliability, integrated hybrid packaging for radiation hardened spacecraft micromachined tunneling accelerometer // IEEE Intern workshop on integrated power packaging. 1998. P. 75-79.

23. Haronian D. A low-cost micromechanical accelerometer with integrated solid-state sensor // Sensor and actuator. 2000. P. 84-93.

24. Tay F.E. et al. Optimization metrology for low. g. microaccelerometer // Proc. SPIE. 2000. Vol. 4230. P. 128-139.

25. Chang S. et al. An electroformed CMOS integrated angular rate sensor // Sensor and actuator. 1998. Vol. 66. P. 138-143.

26. Sparks D. et al. A CMOS integrated surface micromachined angular rate sensor // Transucer'97/ 1997. P. 851-854.

27. Logeeswaram V.J. et al. A new design concept for vibrating microgyroscope // Proc. SPIE. 2000. Vol. 4230. P. 109-118.

28. Oh Y.S. et al. A tunable vibratory microgyroscope // Sensor and actuator. 1998. Vol. A64. P. 51-56.

29. Tang Т.К. et al. A packaged silicon MEMS vibratory gyroscope for microspacecraft // IEEE intern, workshop on integrated power packaging. 1998. P. 75-79.

30. Mochida Y. et al. A micromachined vibrating rate gyroscope with independent beams for the drive and detection modes // Proc. MEMS 99. 1999. P. 618-623.

31. Mastrangelo C. et al. Surface – micro machined capacitive differential pressure sensor with lithographically defined silicon diaphragm // J. of Micro-electromechanical System. 1996. Vol. 5. № 2. P. 98-105.

32. Enoksson P. et al. Vibration modes of a resonant silicon tube density sensor // J. of Microelectromechanical System. 1996. Vol. 5. № 1. P. 39-44.

Наверх