Микродатчики и микросистемы

А. В. ГРИДЧИН





                МИКРОДАТЧИКИ И МИКРОСИСТЕМЫ




Учебное пособие
















Москва Вологда «Инфра-Инженерия» 2023

УДК 621.382
ББК 32.844.1
Г83

Рецензенты:
канд. техн. наук, доцент А. С. Бердинский; канд. техн. наук, доцентД. В. Лаптев




    Гридчин, А. В.
Г83 Микродатчики и микросистемы : учебное пособие / А. В. Гридчин. - Москва ; Вологда : Инфра-Инженерия, 2023. - 184 с. : ил., табл.
           ISBN978-5-9729-1220-9

           Представлены конструкции и принципы работы основных типов микродатчиков и микросистем, разработанных и применяемых в настоящее время. Даны определения основным терминам, используемым в мик-росистемной технике. Приведен перечень метрологических параметров, характеризующих микросистему как измерительный прибор. Отдельным вопросом рассмотрено компьютерное моделирование и проектирование микросистем на основе программного пакета ANSYS.
           Для студентов, обучающихся по программам подготовки 12.04.01 «Приборостроение» и 28.03.01 «Нанотехнологии и микросистемная техника».

УДК 621.382
ББК 32.844.1













ISBN 978-5-9729-1220-9

     © Гридчин А. В., 2023
     © Издательство «Инфра-Инженерия», 2023
                            © Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2023

        ОБЩИЕ ПОНЯТИЯ О МИКРОСИСТЕМАХ


Лекция 1.

    ВВЕДЕНИЕ В МИКРОСИСТЕМОЮ ТЕХНИКУ



    1.1. ОБЩИЕОПРЕДЕЛЕНИЯ

    Курс лекций, предлагаемых вашему вниманию, посвящен обширному и важному для современной микро- и наноэлектроники разделу микросистемной техники. За последние 30 лет микросистемная техника превратилась из сравнительно малозначимого раздела техники в один из главных двигателей научнотехнического прогресса современной цивилизации. Без нее невозможно представить себе ни современного автомобиля, ни современного телефона, не говоря уже о самолетах, поездах и космических ракетах.
    Микросистемная техника на ее современном этапе развития - это область знаний, объединяющая в себе физические основы ее функционирования, технологию ее проектирования и создания, и технику проведения измерений с ее помощью (измерительную технику). Ее детальное описание вышло бы за рамки создаваемого учебного пособия, поэтому в предлагаемом вашему вниманию курсе вы найдете лишь краткое описание всего упомянутого выше с применением лишь необходимых для этого математических формул.
    Вообще говоря, если кто-нибудь произносит слово «техника», в представлении человека обычно возникают какие-то приборы, машины или механизмы. В микросистемной технике тоже есть и то, и другое, и третье. Однако, под словом «техника» часто понимается и технология, позволяющая проектировать эту технику, а также технологии ее применения на практике. Микросистемная техника в целом - это новое направление техники, возникшее на стыке измерительной техники, микроэлектронной технологии, микроэлектронной схемотехники и автоматизированных систем управления. Казалось бы, достаточно изучить упомянутые выше области знаний, и можно стать специалистом в этой области. Однако, это только на первый взгляд. На самом деле, все намного сложнее, и упирается, прежде всего, в понимание физики тех явлений, на основе которых строится и работает микросистема. Особенно усложнилась ситуация в последние 10 ... 15 лет, когда прогресс в области физики полупроводников, полупроводниковой технологии, биофизики, биохимии и информационных технологий вплотную подвели человечество к понятию наноструктур и нанотех-3

нологий. Уже в начале 2000-х годов ученым и разработчикам современной электроники стало ясно, что путь от «нано» к «макро» лежит через «микро», а, следовательно, прежде чем говорить о каком бы то ни было развитии наноэлектроники, необходимо развить до необходимого уровня всю совокупность процессов на уровне микроэлектроники. Кроме того, физика наноструктур значительно более сложна и специфична, чем физика микростуктур, и без ее понимания двинуться вперед в деле развития микросистем в область «нано» не представляется возможным.
    Поэтому, прежде, чем двигаться дальше, дадим определение понятию микросистема.
    С самых общих философских позиций, микросистема - это система, т. е. совокупность элементов, каждый из которых выполняет определенную роль, вытекающую из решаемых микросистемой задач. Такое определение микросистемы подчеркивает ее основную структуру, не охватывая, однако, ее конструктивных особенностей. Поэтому, из самых общих соображений, в микросистеме выделяют три основных элемента, или три составляющие. Это сенсор, сигнальный процессор и актюатор.
    Сенсор - измерительный модуль микросистемы, предназначенный для восприятия внешнего воздействия, и преобразования его из не электрической формы поступающего сигнала в электрическую форму, удобную для дальнейшего анализа.
    Сигнальный процессор - обрабатывающий модуль микросистемы, предназначенный для считывания выходного сигнала сенсора, его усиления, обработки и передачи на актюатор.
    Актюатор - исполнительный модуль микросистемы, предназначенный для осуществления каких-либо действий, включая вывод выходного сигнала на экран компьютера или на печатающее устройство, индикацию сигнала при помощи света или звука, а также перемещение механизмов или их частей в пространстве.
    Три указанных составляющих складываются в логическую схему микросистемы , т. е. в последовательность прохождения по ней информационного сигнала. Очевидно, что данная схема является линейной, т. е. представляет собой всего одну цепочку. Если в этой цепочке предусмотреть обратную связь, то такую микросистему можно будет назвать интеллектуальной, т. е. способной к самообучению и управлению какими-либо процессами в автоматическом режиме.
    Таким образом, микросистему можно также определить как электрическую измерительную систему, созданную на поверхности полупроводниковой или диэлектрической пластины при помощи методов фотолитографии, а также дру-4

гих микротехнологий, и предназначенную для восприятия внешнего воздействия, определения его типа и величины, преобразования его в форму, удобную для дальнейшего анализа и обработки, и выполнения каких-либо действий.
    Однако, микросистема - это еще и прибор, совокупность конструктивных блоков, специальным образом разработанных и изготовленных для реализации того физического принципа, который заложен в основу работы микросистемы. Микросистема, в том виде, в каком она обычно предстает перед нами, как правило, состоит из следующих основных частей:
    1) кремниевого чипа, на котором методами фотолитографии сформирована измерительная схема;
    2) внешних проводников, при помощи которых измерительная схема соединена с корпусом устройства;
    3) корпуса, защищающего микросистему от внешних воздействий;
    4) проводов, по которым на измерительную схему подается питание, а измеряемый электрический сигнал поступает на внешние измерительные приборы.
    Разумеется, кремниевый чип может не обязательно быть кремниевым, питание измерительной схемы может быть автономным, а связь измерительной схемы с внешними измерительными устройствами может быть беспроводной. Для изучаемого нами курса это не так уж важно, поскольку главный акцент в нем поставлен на компоненты микросистем.
    Компоненты микросистем - это основные составляющие микросистем, как класса приборов. Проще говоря, это основные типы, или виды, микросистем, при помощи которых можно производить какие-либо действия, например, измерять какие-либо физические величины. Поэтому простейшей микросистемой является обычный сенсор. Изучению различных видов сенсоров, включая конструкцию отдельных представителей этого класса приборов, посвящен данный лекционный курс.
    Изучение микросистем - сложный и долгий процесс. В рамках нашего курса сосредоточимся в основном, на изучении первого блока микросистемы -сенсора.

    1.2. НЕМНОГО О СТРУКТУРЕ КУРСА

    Предлагаемый вашему вниманию курс «Микродатчики» является самостоятельным курсом, посвященным знакомству с основными классами сенсоров, существующими и разрабатываемыми в настоящее время. Курс является инженерным , т. е. он предназначен в основном для тех, кто собирается разрабаты

5

вать и создавать сенсоры и микросистемы. Данный курс является кратким, и по этой причине в него не включено много интересных конструктивных решений, однако общий вектор развития микросистемной техники в нем выражен совершенно ясно.
    Проектирование сенсоров и микросистем невозможно представить себе без знания технологии их изготовления. Однако технология микросистем - это тоже весьма обширное направление, которое необходимо изучать отдельно. Поэтому в настоящем курсе технологическая часть будет представлена лишь в контексте изготовления конструкции конкретных сенсоров.
    Проектирование сенсоров и микросистем также невозможно себе представить без компьютерного моделирования, поскольку это сложный процесс, с трудом поддающийся аналитическим расчетам. Некоторое знакомство с методами компьютерного проектирования сенсоров будет изложено в следующей лекции.
    В качестве методической поддержки для освоения предлагаемого курса вам рекомендуется изучение следующей учебной, научной и учебнометодической литературы.
    Первой, и основной, следует признать книгу профессора Стэнфордского университета Грегори Т.А. Ковача «Micromachined Transducers Sourcebook», изданную в 1998 году издательством McGraw-Hill. Несмотря на то, что эта книга уже 20-летней давности, она все еще сохраняет свою актуальность, поскольку в ней содержится практически все, чего достигла микросистемная техника на рубеже XXI века. Несомненно, что за 20 последующих лет был осуществлен значительный рывок вперед. Однако для целей углубленного знакомства и изучения идей, заложенных в микросистемную технику в целом, эта книга представляется одним из лучших учебных пособий.
    Расширенным и дополненным вариантом этой книги на русском языке, не реализованном, к сожалению, до конца, является двухтомник «Физика микросистем» (части 1 и 2), изданный в 2004 — 2006 годах в рамках серии «Учебники НГТУ». В этом двухтомнике, помимо инженерной части, серьезное внимание уделено физике полупроводников в той ее части, которая непосредственно касается микросистем, т. е. физическим основам микросистемной техники.
    Еще одним хорошим учебным пособием для изучения курса следует назвать двухтомник Жоржа Аша «Датчики измерительных систем», изданный в 1991 году во Франции, и переизданный в 1992 году на русском языке издательством «Мир». В этой книге систематически и очень подробно излагается инженерная часть измерительной техники, но, к сожалению, не сделан акцент именно на микросистемной технике. Поэтому книгу можно рекомендовать в качестве дополнительной литературы.

6

    Хорошим дополнительным учебным пособием является и книга Джорджа Фрайдена «Датчики. Справочник», но в ней сделан акцент в основном, на измерительной технике. Можно рекомендовать также и книгу авторов В. Варадан, К. Виной и К. Джозе «ВЧ МЭМС и их применение», изданную в Москве в 2004 году издательством «Техносфера». Существует также большое количество научных статей на тему микросистемной техники, доступных пользователям сети Интернет на электронном ресурсе Ассоциации инженеров электротехники и электроники IEEE, под названием lEEEXplore™ (http://ieeexplore.ieee.org). Однако чтение этих статей требует серьезного знания инглийского языка, а также специальных терминов в рамках того или иного изучаемого раздела, поэтому этот источник можно рекомендовать лишь студентам, знакомым с техническим английским языком.
    Наконец, для первичного знакомства с методами компьютерного моделирования сенсоров и микросистем в программе ANSYS, неплохо подойдет учебное пособие авторов А. В. Гридчина, В. А. Колчужина и В. А. Гридчина «Проектирование электронной компонентной базы в ANSYS Workbench». Это учебное пособие содержит в себе четыре главы, одна из которых посвящена непосредственно самому методу конечных элементов, а три другие - отдельным видам анализа, доступного пользователям этой программы. Данное учебное пособие содержит в себе практические задачи моделирования различных устройств с их решением, поэтому это учебное пособие можно рекомендовать даже начинающим пользователям.

    1.3.  ИСТОРИЯ РАЗВИТИЯ МИКРОСИСТЕМ

    Историю развития микросистемной техники следует начать с 1948 года, когда Джоном Бардиным, Уолтером Браттейном и Уильямом Шокли был построен биполярный транзистор, и началась эра микроэлектроники. Однако микросистемная техника, как направление, выделилось лишь в 1954 году, с открытием Чарльзом Смитом тензорезистивного эффекта в германии и кремнии . Надо заметить, что тензорезистивный эффект, т. е. эффект изменения электрического сопротивления проводника под воздействием деформации, уже был к тому времени известен. Но это был тогда сравнительно слабый эффект, и настоящее его развитие началось только с момента открытия Смита. Через 4 года, в 1958 году Джек Килби и Роберт Нойс построили первую интегральную схему, а в 1962 году был создан первый интегральный тензорезистивный сенсор на основе мостовой измерительной схемы Уитстона (О. Тафти, П. Чепмен, Д. Лонг). Ав 1966 году инженеры Bell Telephone Laboratories Уильям Пфанн и Роберт Сёстен открыли сдвиговый тензорезистивный эффект.


7

     В 1960-х годах ученые и инженеры уже располагали достаточной базой знаний для того, чтобы приступить к совершенствованию топологии, т. е. к созданию развитой ЗВ-структуры на поверхности кремниевого чипа. Это позволило инженерам Харви Натансону, Вильяму Ньюэлу, Джону Дэвису и Роберту Викстрему в 1965 году создать первый резонансный полевой транзистор, чувствительный к ускорению, на основе технологии поверхностной микромеханики. Но поскольку собственно самим чипом дело создания сенсора не ограничивалось, было необходимо изобрести какой-то способ соединения кремниевого чипа с основой сенсора, в качестве которой выступала кварцевая шайба. Соединить требовалось качественно и притом так, чтобы между кремниевым чипом и кварцевой шайбой не возникало никаких механических напряжений. В 1968 году инженеры корпорации Р. R. Mallory & Со. (США) Джордж Уоллис и Даниэль И. Померанц разработали способ такого соединения. Он получил название электростатический анодный бондинг, или анодное соединение. В 1973 году к разработанному таким способом тензорезистивному измерительному модулю была добавлена электрическая схема усиления получаемого сигнала.
     Существенным прорывом в область создания современных сенсоров стала разработка в 1976 году технологии глубокого анизотропного травления кремния. Эта технология позволила вытравливать в кремнии очень узкие и глубокие канавки, в значительной мере исключавшие утечки тока из одного чипа в другой. В 1977 году студент 5-го курса Стэнфордского университета (США) Линн Ройланс, под руководством профессора Джеймса Энджелла создал первый емкостный сенсор для измерения ускорения (акселерометр). Наконец, в 1979 году ими же была построена первая микросистсема. В качестве таковой выступал газовый хроматограф, т. е. прибор, способный определять химический состав исследуемого газа.
     В 1982 году японский физик Йозо Кэнда разработал первую компьютерную модель микросистемы. В качестве таковой он взял все тот же кремниевый тензо-резистивный сенсор мембранного типа. В 1985 году в немецком городе Карлсруэ была разработана технология, полезная для создания изделий микромеханики (В. Эрфельд и др.) и получившая название LIGA-процесс, она существенно продвинула вперед технологии поверхностной микромеханики, открытые еще в 1965 году. В 1992 году научной группе под руководством профессора Корнельского университета Ноэля К. Мак-Дональда (США) удалось разработать процесс глубокого реактивного ионного травления с применением алюминиевых защитных слоев, получивший название SCREAM-процесс. В 1993 году инженер компании Texas Instruments Ларри Хорнбэк построил торсионное микрозеркало — один из первых в мире актюаторов, ставший далее основой работы проекционного дисплея. В 1994 году корпорация Bosch усовершенствовала SCREAM-процесс, заменив

8

защитный слой алюминия слоем полимера, и запатентовала эту технологию под названием Bosch-процесс. В таком виде она применяется сейчас повсеместно для изготовления изделий микромеханики. В 1995 году были разработаны первые биологические микросистемы, т. е. микросистемы на основе биоматериалов. Наконец, в 2000 году были созданы оптические ключи, позволившие перейти в обмене проводными сигналами с медных кабелей на оптоволокно.
    Приведенный короткий обзор истории развития микросистем не исчерпывает, разумеется, всего многообразия физических, технологических и конструктивных решений, разработанных к настоящему времени. В ходе изучения курса мы будем подробнее знакомиться с ними.

    1.4. СЕНСОР КАК ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЙ ПРИБОР

    Сенсор не обязательно должен применяться в составе микросистемы. Чаще всего он представляет собой отдельное измерительное устройство, обладающее своей конструкцией. Конструктивные особенности сенсора диктуются избранным методом измерений - в частности, тем физическим эффектом, который положен в основу его работы. Конструктивно сенсор состоит из нескольких основных частей.
    Наиболее важной частью любого сенсора является чип. В зависимости от типа измеряемого воздействия, чип может быть изготовлен из различных материалов. Однако, современная электроника, в том числе сенсорная, в качестве основного материала чаще всего использует кремний. Это обусловлено его дешевизной, удобством в использовании, а также тем, что естественный окисел кремния (SiO₂) обладает хорошей диэлектрической изоляцией, что важно, в частности, для микропроцессорной техники.
    Чип (в русскоязычной литературе также называемый кристаллом) - это элемент пластины (из кремния или других материалов), на котором при помощи микроэлектронной технологии создана электрическая схема. Этот элемент может иметь различную форму, например, квадратную или прямоугольную. Толщина пластины, из которой он изготовлен, может быть различной (в зависимости от ее диаметра), а сам чип получается путем разрезания пластины на множество частей. Электрическая схема, созданная на поверхности чипа, может располагаться как над поверхностью, возвышаясь таким образом над ней, так и под поверхностью, углубляясь в пластину.
    Электрическую схему, созданную на чипе, принято называть топологией, которую развивают (т. е. создают) при помощи методов трехмерного профилирования. Если топология развита над поверхностью, говорят, что мы имеем

9

дело с мезаструктурой, если же под поверхностью - то с интегральной структурой.
    Готовый чип может содержать измерительную схему сенсора. С ней можно проводить измерения, которые, однако, еще не дают окончательного ответа на вопрос о том, каковы будут итоговые метрологические характеристики сенсора после его полного изготовления. Кроме того, чип пока еще лишен внешних контактов, поэтому для проведения каких-либо измерений его необходимо установить в корпусе измерительного устройства и при помощи пайки соединить с измерительной электроникой. В частности, на этапе пайки потребуется операция термокомпрессии, т. е. точечное соединение внешнего металлического проводника с контактным окном чипа при помощи высокой температуры.
    Следующим этапом создания сенсора является изготовление измерительного модуля.
    Измерительным модулем в сенсорной электронике называют чип, подготовленный к проведению измерений, но еще не погруженный в корпус. Например, это может быть кремниевый чип с напаянными на нем внешними выводами, закрепленный при помощи электростатического соединения на изолирующем носителе (например, кусочке кварцевого стекла).
    Измерительный модуль дает уже более реальную, но все еще не до конца верную картину электрофизических характеристик будущего сенсора. Окончательно достоверной она станет только после того, как измерительный модуль будет погружен в предназначенный для него корпус.
    Измерительный модуль, находящийся в корпусе, называется сенсором (в русскоязычной литературе для обозначения сенсора также используется слово датчик).
    Погружение измерительного модуля в корпус чаще всего приводит к тому, что характеристики созданного сенсора заметно ухудшаются по сравнению с характеристиками, полученными при измерении исходного чипа. Причина такого отклонения заключается в том, что при закреплении измерительного модуля в корпусе (или, как говорят, при посадке сенсора в корпус) изменяются условия работы измерительной схемы. Например, может ухудшиться отвод тепла, из-за плохой вентиляции в корпусе может накапливаться влага. При посадке в корпус могут также возникнуть термомеханические напряжения. Все это существенным образом затрудняет правильную работу сенсора. Поэтому перед началом эксплуатации любого сенсора необходимо провести тренировку, заставив его поработать некоторое время в штатном режиме, т. е. в режиме, соответствующем техническим требованиям, предъявляемым к сенсору. После наработки определенного количества часов сенсор сертифицируется и признается годным к эксплуатации.

10