50090

Интегральные устройства радиоэлектроники

Книга

Коммуникация, связь, радиоэлектроника и цифровые приборы

Курсовое проектирование по дисциплине Интегральные устройства радиоэлектроники обобщает знания, полученные студентами в процессе изучения дисциплины, а также умения и навыки, приобретенные при прохождении практики на производстве, и ставит своей целью подготовить студентов к самостоятельному решению сложных проектно-конструкторских задач.

Русский

2014-03-31

15.38 MB

31 чел.

PAGE   \* MERGEFORMAT 38

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

МОСКОВСКИЙ АВИАЦИОННЫЙ ИНСТИТУТ
(НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ)

Интегральные устройства радиоэлектроники

Учебное пособие по курсовому проектированию

Москва
Издательство МАИ
2012


  1.  Курсовое проектирование по дисциплине «Интегральные устройства радиоэлектроники»
    1.  Цель и задачи курсового проектирования

Курсовое проектирование по дисциплине "Интегральные устройства радиоэлектроники" обобщает знания, полученные студентами в процессе изучения дисциплины, а также умения и навыки, приобретенные при прохождении практики на производстве, и ставит своей целью подготовить студентов к самостоятельному решению сложных проектно-конструкторских задач.

Задачами курсового проектирования являются:

  •  систематизация, расширение и углубление теоретических знаний по дисциплине;
  •  развитие и закрепление практических навыков конструкторской разработки устройств микросистемной техники (МСТ), выполнения инженерных расчетов параметров конструкций;
  •  выбор материалов для изготовления и технологии изготовления устройств МСТ;
  •  приобретение опыта работы с нормативно-технической документацией, справочной и технической литературой.
    1.  Тематика курсового проекта

В курсовом проекте студенты разрабатывают конструкцию бортового или наземного устройства МСТ различного функционального назначения. Содержание проектно-конструкторских задач курсового проекта должно соответствовать отдельным стадиям эскизного и технического проектирования.

В целях повышения эффективности учебного процесса и обеспечения разработки перспективных конструкций устройств МСТ предпочтение отдается реальной тематике проектов. Задания на такие проекты целесообразно формировать в рамках хоздоговорных и госбюджетных НИР, а также на базе кафедральных планов обеспечения учебного процесса и оказания практической помощи предприятиям промышленности. Исходные данные на проектирование выдают студентам в виде задания на курсовой проект, которое составляет руководитель проекта по форме приложения 1. В задании указывают назначение проектируемого изделия, требования к функциональным и материальным показателям конструкции и условиям эксплуатации. Приложением к заданию на курсовой проект может являться схема электрическая принципиальная с кратким описанием принципа работы изделия.

Курсовое проектирование может выполняться по индивидуальным или групповым заданиям. Индивидуальное задание предполагает расчет конструкции одного типа исполнительного элемента устройства МСТ и может включать расчет линейных размеров пассивных элементов схемы преобразования. Задание для группы студентов, как правило, предполагает расчет нескольких вариантов конструкций исполнительных элементов устройств МСТ, их сравнение и расчет линейных размеров пассивных элементов схемы преобразования. Перед группой обычно ставится задача более глубокой проработки изделий с анализом и выбором оптимальной конструкции среди предложенных. Количество студентов в группе определяет руководитель курсового проекта, вопросы организационной структуры группы решают сами студенты.

  1.  Содержание и объем курсового проекта

Курсовой проект состоит из расчетно-пояснительной записки и графической части. Расчетно-пояснительная записка (ПЗ) объемом 25…30 страниц формата А4 должна содержать:

  •  задание на курсовой проект;
  •  введение;
  •  техническое задание на разработку конструкции;
  •  анализ технического задания;
  •  разработку конструкции устройства МСТ (выбор оптимальной конструкции и принципа управления исполнительным элементом устройства МСТ, выбор конструкционных материалов исполнительного элемента устройства МСТ и тонкопленочных элементов схемы преобразования, описание конструкции, выбор технологии изготовления устройства МСТ);
  •  расчет конструкции исполнительного элемента устройства МСТ (геометрические размеры, напряжение срабатывания и др.);
  •  расчет параметров тонкопленочных элементов схемы преобразования;
  •  заключение;
  •  библиографию;
  •  содержание.

Графическая часть проекта может включать чертежи отдельных элементов устройства МСТ, сборочный чертеж изделия, а также результаты компьютерного моделирования устройства МСТ. Содержание графической части определяет руководитель проекта. Примерное содержание графической части: схема электрическая принципиальная, чертеж общего вида или сборочный чертеж изделия, чертеж исполнительного элемента. Расчетно-пояснительная записка и графическая часть проекта должны быть оформлены в соответствии с ГОСТ ЕСКД.

  1.  Порядок выполнения курсового проекта

Работу над проектом следует начинать с внимательной проработки настоящих методических указаний, подбора литературы в соответствии с рекомендованным библиографическим списком и изучения теоретических вопросов, связанных с решением поставленных в проекте задач. Рекомендуется следующий порядок работы над проектом:

  •  анализ литературных источников и принятие исходных конструкторско-технологических решений;
  •  выполнение конструкторско-технологического анализа устройства МСТ, его исполнительного элемента и схемы преобразования;
  •  разработка конструкции устройства МСТ;
  •  выполнение расчетов исполнительного элемента устройства МСТ и тонкопленочных элементов схемы преобразования;
  •  оформление расчетно-пояснительной записки и графической части проекта;
  •  подготовка к защите и защита курсового проекта.

Студенты, исходя из отведенного времени и сроков окончания проектирования, составляют график работы над проектом, согласованный с руководителем проекта.


  1.  Анализ устройств и исполнительных элементов МСТ
    1.  Общие сведения об устройствах МСТ и принципах их изготовления

Под механическими микросистемами понимаются такие устройства, как микродатчики и микроприводы, способные реагировать на изменение окружающей среды, используя для этого внутренние средства управления. Помимо традиционных микроэлектронных компонентов в их состав может входить встроенная антенна для приема управляющих сигналов, координирующих работу электромеханических микрочастей при выполнении требуемых функций (сенсорных и активаторных). В состав микросистем также могут входить микроисточники питания, микрореле и сигнальные микропроцессоры. Микрокомпоненты повышают быстродействие и надежность системы, делают ее дешевле и дают возможность выполнять более сложные функции.

Бурное развитие технологий изготовления интегральных схем в начале девяностых годов двадцатого века привело к возможности построения на кремниевой подложке микроструктур, способных выполнять функции датчиков и приводов, а также функции управления ними. Так появились первые микросистемы. После чего в эту отрасль были вложены значительные средства, что привело к дальнейшему прогрессу в развитии электромеханических микроустройств. Был организован серийный выпуск микросистем низкой степени интеграции, таких как микроакселерометры, головки для струйных принтеров, проекционные микрозеркала и т. д. Также были предложены концепции разработки и реализации более сложных микросистем и продемонстрированы возможности их применения в различных областях науки и техники: микробиологии, биомедицине, аналитической химии, аэрокосмических исследованиях, беспроводных устройствах связи, устройствах памяти, дисплеях, оптических устройствах и т.д. (Fujita, 1996, 1998). В настоящее время наиболее бурный прогресс наблюдается в сфере оптических и аналитических микросистем, поскольку именно они имеют огромный рыночный потенциал. До конца девяностых годов большинство микросистем, имеющих в своем составе различные датчики и приводы, изготавливались по одной из известных технологий: объемной или поверхностной микрообработке кремния.. He так давно были разработаны трехмерные технологии изготовления микросистем с использованием новых материалов. Эти разработки были продиктованы специфическими требованиями, предъявляемыми к микросистемам, работающим в определенных областях техники, например, в биомедицинских приборах, а также к микросистемам, в которых микроприводы должны иметь высокую выходную мощность.

Традиционные технологии производства микросхем стали основными для изготовления электромеханических микроустройств, таких как микродатчики и микроприводы. Методы микрообработки кремния позволяют изготавливать микросистемы, размеры которых составляют доли миллиметра. Под микрообработкой понимается формирование трехмерных микроскопических механических структур внутри кремниевой подложки или на ее поверхности. Эти методы открывают разработчикам возможности для построения принципиально новых микроустройств. Из таких материалов, как монокристаллический кремний, поликристаллический кремний, нитрид кремния и т. д. формируют разнообразные механические микроструктуры: подвесы, диафрагмы, бороздки, отверстия, пружины, шестеренки, подстроечные элементы и огромное количество других сложных механических устройств.

Многие микроустройства изготавливаются по технологии производства полупроводников или методом стереолитографии на полимерных многофункциональных структурах. Стереолитография — это процесс изготовления микросистем с высоким характеристическим соотношением (коэффициентом формы) на полупроводниковых полимерах с использованием ультрафиолетового (УФ) излучения. По этой технологии сначала синтезируются полупроводниковые полимерные структуры, на которых методом стереолитографии формируются трехмерные микроструктуры, обладающие высоким коэффициентом формы. В 1993 году Ikuta и Hirowatari, применив технологию IH (интегральную стереолитографию на отвержденном полимере), продемонстрировали возможность построения трехмерных микроструктур из полимеров и металла. Они также показали, что при помощи источника ультрафиолетового излучения, трехкоординатной платформы, оптического прерывателя, линз и микропроцессора можно изготавливать такие микроустройства, как пружины, венозные клапаны и электростатические приводы. Если какой-то микроэлемент невозможно реализовать на полимерных материалах, его можно изготовить на кремнии, а потом использовать фотолитографию или гибридную технологию для построения всей микросистемы. Фотолитография — это оптический метод, напоминающий стереолитографию, при котором сначала наносится фотомаскирующий слой, а затем используется IH технология для отверждения фотохимического полимера при помощи облучения светом. Takagi и Nakajima (1993) для изготовления сложных микроструктур предложили новую концепцию «комбинированной архитектуры» и «механизма склеивания», основанную на использовании фотолитографии для объединения отдельных элементов, выполненных по разной технологии. По такой технологии реализуются гибридные микросистемы, состоящие из кремниевых и полимерных компонентов.

Микросистемы, построенные по принципу комбинированной архитектуры, представляют собой набор из отдельных пленочных слоев толщиной от нескольких микрон до миллиметра, в каждом из которых сформированы микроструктуры датчиков и приводов. Для некоторых применений (например, для аэродинамических поверхностей) подложка комбинированной микросистемы должна быть гибкой, чтобы иметь возможность принимать аэродинамичную форму, и в то же время совместимой с технологией изготовления интегральных схем, что необходимо для объединения датчиков и других электронных компонентов в единую структуру. Для этих целей Сагraway (1991) предложил использовать полиимид, поскольку он обладает большой эластичностью и пригоден для применения в интегральной технологии. Чтобы датчики и приводы могли выполнять требуемые функции, внутри микросистемы организуется электрический контур управления, состоящий из токопроводящих полимеров и электродов, соединенных с локальными антеннами, которые, в свою очередь, связанны с центральной антенной. Сложной задачей является организация дистанционного измерения данных. В некоторых случаях, когда микроструктура подвергается нагрузкам и растяжениям, можно столкнуться с проблемой монтажа электрических соединений. Иногда на рабочие характеристики некоторых микросистем сильно влияют условия окружающей среды. Решением многих проблем может стать применение технологии интеграции ультра плоских антенн с микродатчиками и микроприводами. В результате такой интеграции на одном кристалле микросистем и микроэлектронных устройств появляются комбинированные системы, часто называемые интеллектуальными преобразователями. В интеллектуальных преобразователях слабые сигналы микродатчика усиливаются, формируются и выдаются в стандартном выходном формате. В состав таких преобразователей могут также входить: микроконтроллер, цифровой сигнальный процессор, специализированные интегральные схемы, схемы самотестирования и самокалибровки, а также схемы шинных интерфейсов. Интеллектуальные преобразователи являются простыми в управлении, точными и надежными устройствами.

Наиболее распространенными являются микросистемы, имеющие в своем составе три основные структуры: диафрагмы, консоли и мостовые схемы. Для изготовления таких элементов, как мембраны, консольные балки, резонансные структуры и т. д. используются специальные технологии, рассматриваемые дальше. В состав микросистемы могут входить либо одна, либо несколько основных структур, что определяется каждым конкретным приложением. На основе этих трех основных структур можно реализовать практически любые микродатчики и микроприводы для работы в составе интеллектуальных устройств. Однако конечный результат зависит не только от этих структур, но и от выбора материалов и технологий, используемых для их изготовления. Для всех трех основных структур предполагается, что сенсорное восприятие и механическое управление происходит в результате возбуждения соответствующего пьезоэлектрического слоя при воздействии на него электрическим полем. Это возбуждение преобразуется в деформацию либо диафрагмы, либо свободной балки мостовой схемы, либо консольной балки. В первых двух случаях эта деформация выражается в выгибе диафрагмы или свободной балки мостовой схемы вверх, что приводит к вертикальному смещению всей конструкции. В случае консольной балки в ответ на приложенное электрическое напряжение происходит вертикальное перемещение верхней части консоли. Очевидно, что во всех трех случаях микропривод (диафрагма, свободная балка или консоль) состоит, как минимум, из одного слоя и электродов для подачи на этот слой электрического напряжения. В большинстве микроприводов применяются именно пьезоэлектрические силы. Для изготовления мембран, консолей и резонансных структур используются методы микротехнологий.

Именно благодаря развитию технологий микрообработки кремния, в последнем десятилетии был достигнут значительный прогресс в области микросистем. Микрообработка — это способ формирования микроскопических механических элементов из кремниевой подложки, а в последнее время и из других материалов. Таким способом изготавливаются закрепленные балки, мембраны, консоли, бороздки, отверстия, пружины, шестеренки, подвесы и т.д., которые могут использоваться для конкретных преобразователей в разных комбинациях. Объемная технология является наиболее распространенным методом изготовления микросистем, но в последнее время она все больше заменяется поверхностной технологией, которая имеет неоспоримое преимущество, позволяющее на одной подложке объединять и микроэлектронные устройства, и микросистемы. Таким образом можно изготавливать микросистемы, имеющие в своем составе и источники питания, и специализированные схемы для обработки сигналов. Преимуществом такого подхода является также то, что по одной технологии можно изготовить несколько разных устройств [1].

  1.  Исполнительные элементы устройств МСТ

Для устройств МСТ самым критичным узлом является исполнительный элемент, что объясняется его повышенной механической сложностью и подверженностью к износу. Исполнительные элементы устройств МСТ могут быть трех видов:

- консоль;

- консоль мостового типа;

- мембрана.

Консоль

Консольная структура состоит из тонкой металлической пластины, зафиксированной на одном конце и свободно нависающей над металлической линией передач на расстоянии несколько микрон. Консоль может быть соединена последовательно с линией передач, как это показано на рис.1, или металлический контакт может располагаться сверху линии передач, как на рис.2. Между линией передач и фиксированным концом консоли находится металлический электрод, выполняющий роль тянущего вниз механизма.

Рисунок 1 - Консольный ключ в линии передач [1].

Рисунок 2 - Консольный ключ с включающим электродом [1].

Консольные переключатели имеют в своем составе два важных механических элемента, обеспечивающих работоспособность всего устройства. Первый - тонкая балка, закрепленная в анкере рядом с нижним электродом, используемым для подачи управляющего напряжения (рис.3.). Второй важный элемент - широкая консоль, подвешенная над электродом, направленная к ВЧ линии передач.

Рисунок 3 - Схематичное изображение разомкнутого и замкнутого ключа [1].

В переключателе мостового типа или консольной конструкции с двумя опорами, показанной на рис.4, тонкая металлическая мембрана имеет свободное пространство посередине.

 

Рисунок 4 - Консольная конструкция переключателя с двумя опорами [1].

Во всех вариантах силы, действующие на металлические контакты, заставляет металлическую пластину опускаться вниз для замыкания линии передач. Силы, действующие на металлические контакты, определяются условиями на границе электрода и величиной отклонения консоли. Консольный ключ, может быть представлен в виде конденсатора, у которого одна из параллельных пластин подвешена при помощи идеальной пружины над закрепленной заземленной пластиной. Механизм срабатывания микропереключателей может быть описан уравнениями механики для изгибающейся балки.

Мембрана

Ключи с металлическими мембранами имеют небольшие вносимые потери, уровни напряжения переключения, совместимые с твердотельными переключателями, высокую скорость переключения и хорошую линейность.

На рис.5 показан мембранный переключатель.

Рисунок 5 - Простой однофазный однонаправленный мембранный переключатель [1].

Когда на мембрану действуют управляющие силы, она начинает отклоняться вниз, при этом зазор между нижним управляющим электродом и мембраной уменьшается. При критической величине зазора механическая система становится нестабильной, и мембрана резко падает на нижнюю пластину (управляющий электрод). Когда управляющие силы перестают действовать, силы растяжения возвращают мембрану в исходное состояние [1].

  1.  Виды механизмов управления исполнительными элементами устройств МСТ

В устройствах МСТ основными принципами активации исполнительных механизмов являются: электростатический, магнитный, пьезоэлектрический и электротермический. Из-за низкого энергопотребления самым распространенным является электростатический исполнительный механизм.

Электростатический исполнительный механизм

Электростатические устро - очень маленькие устройства, обычно не превышающие 100 мкм в длину, управляемые при помощи электростатических полей. Существуют две общие формы электростатических переключателей: с резистивным соединением (металл - металл) для получения омического контакта и с емкостным соединением (металл - диэлектрик - металл), в котором используется отношение емкостей во включенном и выключенном состоянии.

Эквивалентная схема, показанная на рис.6, помогает понять принцип действия электростатических микропереключателей.

Рисунок 6 - Эквивалентная механическая модель,

в которой g - зазор между электродами, К - модуль упругости, V - напряжение [1].

Эквивалентная схема консольного переключателя представляет собой ключ в виде конденсатора, у которого одна из параллельных пластин подвешена при помощи идеальной линейной пружины над второй фиксированной и заземленной пластиной. Такая система имеет только одну степень свободы - расстояние между верхней подвижной пластиной и нижней закрепленной пластиной. Металлические части переключателя висят над нижним металлическим электродом, образуя конденсатор с двумя параллельными пластинами. При подаче напряжения смещения между верхним и нижним электродами происходит перераспределение зарядов, приводящее к появлению электростатических сил между металлическими поверхностями. Эти силы, вне зависимости от полярности приложенного напряжения, заставляют свободно подвешенный контакт двигаться по направлению к нижнему электроду. Поскольку консоль начинает прогибаться, в ней возникают силы упругости, направленные в противоположных направлениях.

Как только приложенная сила достигает порогового значения срабатывания, что происходит, когда электростатические силы становятся больше сил упругости, консоль резко падает на нижний электрод, замыкая при этом электрические контакты. Консоль возвращается в исходное положение после того, как приложенное напряжение станет ниже порогового значения размыкания контактов, которое обычно бывает много ниже напряжения срабатывания. Такое гистерезисное поведение характерно для всех микропереключателей.

Мембранный переключатель, также как и консольный ключ, может быть представлен в виде конденсатора, у которого одна из параллельных пластин подвешена при помощи идеальной пружины над закрепленной заземленной пластиной.

Когда на переключатель подается напряжение, мембрана начинает отклоняться вниз, при этом зазор уменьшается, а электростатическое давление на мембрану увеличивается. При критической величине зазора механическая система становится нестабильной, и мембрана резко падает на нижнюю пластину. Когда электростатическое поле отключается, силы растяжения возвращают мембрану в исходное состояние. Коэффициент развязки ключа в разомкнутом состоянии определяется величиной паразитной емкости между мембраной в верхнем положении и нижней линией передач. Развязка между входом/выходом может быть улучшена при помощи дополнительного диэлектрического слоя, нанесенного на линию передач, который одновременно с этим снижает залипание между контактами (рис.7).

Рисунок 7 - Мембранный ключ с диэлектрическим слоем [1].

Без подачи напряжения ключ обладает высоким импедансом, благодаря воздушному зазору между нижней и верхней металлическими пластинами. При подаче напряжения электростатические силы заставляют мембрану отклоняться вниз, и когда разность потенциалов достигает порогового значения, мембрана занимает положение, показанное на рис. 7б. В этом положении мембрана лежит прямо на диэлектрическом слое, между полезным сигналом и нижней линией передач образуется емкостная связь. Эта емкостная связь переводит ключ в состояние с низким импедансом между верхним и нижним электродами. Отношение импеданса в выключенном и включенном состояниях прямо пропорционально отношению емкостей во включенном и отключенном состояниях. Тонкий диэлектрический слой также служит для уменьшения эффекта залипания между двумя металлическими слоями, который присутствует во всех ключах с непосредственным соединением металлических контактов.

Преимущество электростатических исполнительных механизмов заключается в отсутствии потребления  тока,  а  недостаток - в  высоком  напряжении  срабатывания,  обычно 5 - 100 В. Электростатические ключи применяются в системах, для которых важным является низкая потребляемая мощность. Важное достоинство электростатического управления состоит в том, что энергия в цепи управления тратится только в процессе переключения, а разомкнутое или замкнутое состояние удерживается за счет внутренних упругих сил.

Магнитный исполнительный механизм

При магнитостатическом управлении замыкание и размыкание ключа производится за счет изменения магнитного поля. Этот метод требует незначительных значений управляющего напряжения. Однако в конструкции мембраны необходимо использовать магнитные материалы, а также обеспечивать управление напряженностью магнитного поля.

Включение магнитных приводов может выполняться без подачи внешней электроэнергии при помощи постоянных магнитов или полутвердых ферромагнитных материалов. Высокая плотность магнитной энергии позволяет развивать довольно большие усилия и длительное время удерживать контакты в замкнутом состоянии. Несмотря на то, что при уменьшении размеров происходит ослабление магнитной силы, при величине зазора более 1 мкм магнитный привод все же превосходит электростатический по величине производимых усилий. Поэтому магнитные приводы являются весьма перспективными устройствами для создания микроустройств.

При магнитостатическом управлении замыкание и размыкание ключа производится за счет изменения магнитного поля. На рис. 8 показана схема микрореле консольного типа с нормально открытыми контактами. Здесь реле срабатывает при протекании через катушку тока достаточной амплитуды. При этом возникает магнитный поток, концентрируемый на нижней стороне магнитных сердечников, который приводит к возникновению силы, действующей на верхнюю магнитную пластину. Эта сила заставляет верхнюю пластину опуститься вниз к электромагниту, замыкая при этом контакты А и В, как показано на рис. 8, в результате чего реле переходит во включенное состояние.

 

Рисунок 8 - Схема микрореле с однослойной катушкой [1].

Поскольку верхняя пластина изготовлена из проводящего материала, ток через нее может протекать от одного контакта к другому. Когда по катушке перестает протекать ток, восстанавливающие силы подвесного крепления верхней пластины возвращают ее в исходное положение, контакты размыкаются, и реле переходит в выключенное состояние. Важное достоинство электростатического и магнитостатического управления состоит в том, что энергия в цепи управления тратится только в процессе переключения, а разомкнутое или замкнутое состояние удерживается за счет внутренних упругих сил.

Электротермический исполнительный механизм

В электротермических переключателях применяются материалы с различными значениями коэффициента теплового расширения. Такие материалы расширяются под действием тепла, подведенного к ним, вызывая тем самым требуемое механическое перемещение мембраны или консоли. По такой схеме возможно получение больших деформаций и значительной плотности энергии. Однако электротермические переключатели имеют очень низкое быстродействие и поэтому являются малоприменяемыми на высоких частотах.

Пьезоэлектрический исполнительный механизм

В ключах с пьезоэлектрическим управлением перемещение обеспечивается материалом с пьезоэффектом.

Кристаллы пьезоэлектриков содержат состоящие из поляризуемых атомов и молекул домены, ориентированные произвольным образом, если в процессе изготовления они не попадали в зону действия электрического поля. При механическом воздействии на такие материалы, их дипольный момент почти не изменяется. Однако, если в процессе изготовления на стадии охлаждения эти материалы поместить в электрическое поле, внутренние домены выстроятся в направлении этого поля. Внешнее сжатие таких материалов приводит к деформации кристаллической решетки и изменению ориентации доменов, что вызывает перераспределение зарядов внутри самого материала, что приводит к изменению длин и углов внутримолекулярных связей, а так же к перемещению электронов. Все это является причиной механических деформаций материала. И, наоборот, при приложении к таким материалам электрического поля происходят изменения внутри доменов, что вызывает механическое растяжение / сжатие самого материала. Это явление получило название обратного пьезоэффекта.

По сравнению с другими электромеханическими системами пьезоэлектрические переключатели работают с небольшими входными напряжениями, но при этом обычно имеют низкую эффективность электромеханического преобразования [1].

  1.  Анализ материалов для изготовления устройств МСТ

2.4.1 Основные материалы для изготовления устройств МСТ

Фактически при создании микросистем выделяются две группы материалов: конструкционные (стекло, монокристаллический, поликристаллический, пористый кремний, диоксид и нитрид кремния, полиимид, вольфрам, никель, медь, золото, алмазо-подобный углерод) и «активные, умные» (никель/титан, пермаллой, кварц, окись цинка, пьезокерамика, материалы группы A3B5, A4B6). Конструкционные материалы используются для формирования несущих конструкций, токоразводки, смазки. «Активные умные» материалы выполняют за счет электростатических, электромеханических, пьезоэлектрических, магнитных, оптических явлений и эффекта памяти функции источников движения, механизмов передачи движения, сенсорных и активирующих сред [2].

Для устройств МСТ необходимыми для изготовления материалами являются:

- Полупроводниковый материал для исходной подложки;

- Материал для исполнительного механизма устройства МСТ – консоли или мембраны;

- Полупроводниковый материал для изготовления контактов устройств МСТ;

- Диэлектрик для защиты контактов.

Материалы для построения микроструктур должны обладать соответствующими назначению физическими и химическими свойствами. К тому же они должны удовлетворять механическим требованиям: выдерживать высокое разрушающее напряжение, быть устойчивыми к пластическим деформациям, обладать низким уровнем ползучести и усталости, быть износостойкими. Защитные материалы также должны обладать хорошими механическими характеристиками для того, чтобы в процессе изготовления микросистемы не произошла поломка ее внутренних структур. Под механическими характеристиками здесь понимается хорошая адгезия и низкое остаточное напряжение для предотвращения деформации микроустройств при расслоении и/или раскалывании [1].

Полупроводники

Полупроводниковые материалы используются в микроэлектронике в качестве исходных подложек.

Среди одноэлементных полупроводников кремний является самым широко используемым материалом. При определенных условиях этот материал может менять свои электрические, механические и оптические свойства. Кремний обладает хорошими физико-механическими характеристиками, такими как модуль упругости и предел прочности на растяжение, а также имеет наименьший коэффициент теплового расширения. По совокупности электрофизических свойств,  отработанности технологических процессов кремний занимает ведущее место среди полупроводниковых материалов, используемых в микроэлектронике.. На методах, построенных на использовании кремния, основаны многие нанотехнологии, в том числе и технологии изготовления микросистем.

Среди сложных полупроводников наиболее распространенным является GaAs. На его основе реализованы многие оптические и быстродействующие приборы [1].

Альтернативным вариантом технологии на кремнии является технология, основанная на использовании в качестве подложки фотоситаллов. Фотоситалл – стеклокристаллический материал, получаемый путем искусственной кристаллизации стекло со светочувствительными добавками. Фотоситалл обладает высокой механической и термической стойкостью. Под воздействием ультрафиолетового излучения возможно формирование в фотоситалле участков, отличающихся от неосвещенных растворимостью в жидкостных травителях [3].

Металлы

В качестве материалов контактов в микроэлектронике применяются металлы: золото, алюминий, медь, хром и др. Основные требования  к материалам металлизации – хорошие электрические характеристики (проводимость, удельное электрическое сопротивление и др.). В случае материала металлизации микропереключателя  к этому требованию добавляются хорошие механические эксплуатационные характеристики, хорошая коррозионная стойкость. В таблицах 5 и 6 приведены механические и электрические свойства широко применяемых в качестве контактных материалов металлов.

Таблица 1. Механические свойства металлов [3,4,5]

Металл

Плотность,

г/см2

Модуль Юнга,

ГПа

Модуль сдвига,

1010 н/м2

Коэффициент

Пуассона

Al

2,58

70,8

2,45

0,359-0,369

Au

19,3

77,5

2,91

0,422

Cu

8,92

129

7,7

0,300

Таблица 2. Электрическая проводимость и удельное сопротивление металлов [1]

Металл

Удельное электрическое сопротивление,

мкОм*м

Проводимость,

107 См/м

Al

0,028

3,816

Au

0,009

4,098

Cu

0,017

5,813

Золото обладает высокой химической стойкостью, малым электросопротивлением, хорошо паяется и сваривается с выводами навесных компонентов микросхем. К его недостаткам, помимо высокой стоимости, следует отнести низкую адгезию к диэлектрической подложке. Поэтому золото используют в комбинации с другими материалами: адгезионным подслоем хрома, нихрома, титана.

Медь – один из наиболее часто используемых материалов. Она характеризуется высокой электропроводностью, хорошо сочетается с другими материалами при создании многослойных проводников. Медь по свойствам приближается к серебру и сохраняет присущий серебру недостаток – высокую миграционную подвижность. Кроме того, медь склонна к окислению [4].

Основными недостатками меди и золота является цена, так как они являются сравнительно дорогими и дефицитными материалами и поэтому должны расходоваться экономно. В ряде случаев медь как проводниковый материал заменяют другими металлами, чаще всего алюминием.

Алюминий обладает неплохими электропроводящими характеристиками. Удельное сопротивление алюминия в 1,6 раза больше удельного сопротивления меди, но алюминий в 3,5 раза легче меди. Алюминий на воздухе активно окисляется и покрывается тонкой оксидной пленкой с большим сопротивлением, которая предохраняет алюминий от дальнейшей коррозии. Благодаря малой плотности алюминия обеспечивается большая проводимость на единицу массы. К тому же по сравнению с медью алюминий намного больше распространен в природе и характеризуется меньшей стоимостью [1].

2.4.2 Материалы исполнительных элементов устройств МСТ

Так как исполнительные механизмы переключателей подвергаются постоянным механическим нагрузкам, то материал балочной структуры должен удовлетворять механическим требованиям: выдерживать высокое разрушающее напряжение, быть устойчивым к пластическим деформациям, обладать низким уровнем ползучести и усталости, быть износостойким. К тому же материал балочной структуры должен обладать хорошими диэлектрическими свойствами и быть совместим с современными технологиями изготовления микропереключателей [5].

В последнее время наблюдается активное внедрение нитрида кремния в качестве материала исполнительных элементов микросистем. Благодаря отличному сочетанию физико-механических, оптических, электро- и теплофизических свойств пленки нитрида кремния оказывается незаменимым материалом мембранных и балочных элементов в микроисполнении [1].

Важным параметром для исполнительных механизмов устройств МСТ является величина остаточных напряжений. При формировании тонкопленочных элементов необходимо производить выбор материалов и технологических режимов их нанесения и обработок, таким образом, чтобы избежать нежелательных напряжений в слоях конструкций. Особенно это важно в технологии «жертвенных» слоев, поскольку после их вытравливания напряжения в формируемых над подложкой элементах приводит к их деформированию, а в ряде случаев – к разрушению структур [6].

В классической микромеханике, ориентированной на базовые кремниевые микротехнологии, в настоящее время преобладает поверхностная технология с «жертвенным» слоем. В ее основе лежат два основных процесса нанесения «жертвенного», а затем и рабочих слоев и удаление через отверстия в рабочем слое «жертвенного» для формирования объемных полостей между рабочим слоем  и подложкой [3]. Для построения микросистем по поверхностной технологии используются те же материалы, что и при изготовлении большинства интегральных схем [1]:

- Поликремний/диоксид кремния. В этом случае применяется химическое осаждение поликремния из газовой фазы при низком давлении для построения микроструктур и паров оксида для формирования защитных слоев. Раствор HF легко растворяет оксид, не оказывая влияния на поликремний. Для электроизоляции совместно с этими материалами часто используется нитрид кремния.

- Полиимид/алюминий. Здесь полиимид применяется как структурный материал, а алюминий как защитный. Для растворения алюминиевого защитного слоя используются кислотные реагенты.

- Нитрид кремния/поликремний. Нитрид кремния играет роль структурного материала, а поликремний - защитного. В этой комбинации материалов при проведении анизотропного травления кремния для растворения поликремния используются КОН и EDP.

- Вольфрам/диоксид кремния. Здесь происходит осаждение паров вольфрама для построения микроструктур и паров оксида для реализации защитных слоев. Для удаления защитного оксидного слоя применяется раствор HF.

В качестве основного материала наиболее распространена структура кремний на диоксиде кремния, где в качестве «жертвенного» слоя выступает диоксид кремния. В настоящее время в технологии кремниевой поверхностной микромеханики в качестве «жертвенных» слоев начинают использовать пористый кремний. Предпочтение по термомеханическим свойствам и устойчивости к воздействиям экстремальных факторов имеет композиция алмазо-подобных материалов карбид кремния - нитрид алюминия, в которой карбид кремния является основным рабочим материалом, а нитрид алюминия выполняет функцию «жертвенного» слоя или элементов несущей конструкции, обладающих изолирующими и пъезоэлектическими свойствами [3].

В качестве материала «жертвенного» слоя широкое распространение получил полиимид. Преимуществами этого материала являются возможность формирования тонких слоев, хорошая адгезия поверхности и селективность травления. К тому же травление полиимида возможно сухим методом в плазме кислорода [1].

2.5 Технологии изготовления устройств МСТ

Разработка методов микрообработки кремния обеспечила быстрый прогресс в области микросистем. Под термином микрообработка кремния подразумевается формирование микроскопических механических элементов внутри кремниевой подложки или на ее поверхности. Существует несколько технологий микрообработки кремния:

- Объемная микрообработка, при которой элементы системы вытравливаются внутри кремниевой подложки;

- Поверхностная микрообработка, при которой микромеханические слои формируются из пленок, осажденных на поверхности подложки;

- LIGA-технология и трехмерная (3D) микрообработка, позволяющие формировать трехмерные функциональные микроструктуры для микросистем, обладающие высоким коэффициентом формы.

В рамках технологии микросистем развиваются следующие технологические направления [1]:

- групповая технология поверхностной микромеханики на основе процессов тотального нанесения и избирательного удаления слоев.

- групповые технологии объемной микромеханики, реализуемые в виде  технологии глубинного объемного травления, технологии матричного микрокопирования (LIGA-технология).

- технологии индивидуального формообразования методами локального стимулирования роста (полимеризации), а также алмазного фрезерования.

Следует обратить внимание на тот факт, что использование при создании микросистем групповых принципов производства создает предпосылку снижения себестоимости продукции, которая может быть доступна более широкому кругу потребителей в сфере науки, образования, здравоохранения, а так же в промышленности [3].

2.5.1 Объемная технология

Объемная технология является самым распространенным методом микрообработки кремния. Технология используется для изготовления механических микроструктур внутри подложки из монокристаллического кремния методом селективного удаления (вытравливания) материала подложки. При помощи этой технологии можно получать микроструктуры толщиной от долей микрона до толщины всей подложки (200... 500 мкм) с поперечными размерами от долей микрона до величины ширины/длины самой подложки [1].

Объемная технология заключается в выборочном удалении кремния с одной стороны подложки для формирования мембран, бороздок, отверстий и других структур (рис. 9) [7]. Существуют два вида объемной микрообработки кремния: жидкостное (влажное) травление и сухое травление, которые различаются фазовым состоянием используемого травильного реагента. Для жидкостного травления используются жидкие травильные реагенты, представляющие собой водные растворы химических реактивов, а для сухого травления применяются реагенты в виде паров и плазмы [1].

 

Рисунок 9 - Объемная микрообработка кремния: (а) изотропное травление, (б) анизотропное травление,

(в) анизотропное травление с внутренним барьерным слоем, (г) диэлектрическая мембрана,

полученная методом объемной микрообработки с обратной стороны подложки,

(д) селективное жидкостное травление, (е) анизотропное сухое травление [1].

Скорость травления при помощи травильных реагентов зависит от ориентации кристаллов в кремниевых пластинах. В большинстве случаев жидкостное травление выполняется на обратной стороне подложки, в то время как плазменное травление происходит на передней стороне. За последние годы была разработана вертикальная объемная микрообработка кремния, получившая название SCREAM (травление монокристаллического кремния с металлизацией), которая является комбинацией анизотропного и изотропного плазменного травления [1].

Жидкостное травление происходит путем погружения подложки в травильную ванну или ее опрыскиванием травильными реагентами, которые могут быть щелочами или кислотами. Жидкостное травление может быть изотропным или анизотропным в зависимости от используемых травильных реагентов и структуры материала подложки. Если материал аморфный или поликристаллический, жидкостное травление всегда бывает изотропным (рис.9а). Во время жидкостного травления кислотными растворами травильных реагентов происходит только частичное удаление резиста. Это связало с тем, что для микросистем практически никогда не применяется глубокое травление. Для монокристаллического кремния возможно использование анизотропного травления. Форма получаемых структур определяется скоростью травления, которая зависит от ориентации кристаллов кремния. Самой низкой скоростью травления обладает кремний с ориентацией (111). Таким образом. при выборе кремниевых подложек с разной ориентацией кристаллов получают различные объемные структуры (рис.9б и 9в).

Сухое травление происходит за счет химического и физического взаимодействия между ионами газового травильного реагента и атомами кремниевой подложки. Наиболее распространенными методами сухого объемного травления кремния являются плазменное и реактивное ионное травление (RIE), проводящиеся в реакционных камерах низкого давления, где для запуска химических реакций требуется подвод внешней энергии. Анизотропное сухое травление широко используется при изготовлении микросистем, поскольку дает возможность формирования сложных геометрических структур, часто при меньшем химическом загрязнении окружающей среды по сравнению с жидкостным травлением. При помощи анизотропного сухого травления возможно изготовление глубоких, произвольно ориентированных кремниевых структур (рис. 9e) [7].

При сборке микросистемных устройств, изготавливаемых по объемной технологии, требуется использование дополнительных методов крепления отдельных элементов к подложке. В то время как поверхностная технология позволяет реализовывать монолитные микросистемы [1].

2.5.2 Поверхностная технология

Поверхностная технология заключается в построении микроструктур на поверхности кремния путем осаждения тонких пленок защитных (жертвенных) и структурных слоев и удаления в конце процесса защитных слоев для получения требуемой механической структуры (рис. 10) [8].

Рисунок 10 - Последовательность этапов типовой поверхностной микрообработки кремния [1].

Геометрические размеры микроструктур, изготовленных по поверхностной технологии, могут быть на несколько порядков меньше, чем у микроструктур, полученных по объемной технологии. Главным преимуществом компонентов, реализованных при помощи методов поверхностной микрообработки кремния, является простота их интеграции с интегральными схемами, поскольку они могут быть выполнены на одной подложке. Но следует отметить, что из-за малых размеров элементов, получаемых по поверхностной технологии, их масса будет также мала, что может привести к невозможности их использования в ряде случаев в качестве механических датчиков и приводов.

Для поверхностной микрообработки кремния могут применяться методы сухого травления. Предпочтительнее использовать плазменное травление кремниевой подложки с использованием комбинации хлористых и фтористых газов в качестве травильных реагентов, поскольку при этом можно получить высокую селективность травления. Однако, при плазменном травлении наблюдается высокое подтравливание маскирующего слоя, происходящее из-за атомов фтора, входящих в состав травильных реагентов. Такой метод изотропного травления иногда сравнивают с вертикальным травлением, при котором удаление части материала выполняется за счет ионной бомбардировки. В этом случае применение реактивного ионного травления поликристаллического кремния с использованием комбинации хлористых и фтористых газов в качестве травильных реагентов и фоторезиста для маскирующего слоя, позволяет создавать почти вертикальные профили микроструктур без подтравливания маски. Таким образом, применяя метод хлористого/фтористого плазменного травления, можно создавать прямоугольные кремниевые структуры глубиной до 30 мкм из поликремниевых пленок на кремниевой подложке [1].

2.5.3 Технология LIGA

Название технологии LIGA происходит от немецкой аббревиатуры Roentgen Lithography Galvanik Abformung, что означает комбинацию рентгеновской литографии, гальванотехники и прессовки (формовки) [9]. Технология LIGA была разработана для построения микроустройств с высоким коэффициентом формы (отношением высоты к ширине) и 3D структур.

Она состоит из рентгеновской литографии для облучения маскировочного слоя, гальванопластики для формирования металлических частей и литья для производства пластиковых, металлических, керамических и комбинированных микроэлементов. Благодаря применению современных методов рентгеновской литографии можно реализовывать микроструктуры высотой до сотен микрон и даже до миллиметра, при этом поперечные размеры будут оставаться в пределах нескольких микрон [10].

При помощи технологии LIGA стало возможно при построении сложных микросистем использовать различные материалы, позволяющие реализовывать датчики и приводы с высоким коэффициентом формы, обладающие электрическими, магнитными, пьезоэлектрическими, оптическими и изоляционными свойствами, чего нельзя было сделать методами объемной и поверхностной микрообработки кремния. Кроме того при объединении технологий защитных слоев и LIGA стало возможным построение современных микросистем с подвижными микроструктурами. Однако высокая стоимость производства микроустройств по технологии LIGA из-за цены рентгеновского оборудования тормозит процесс ее распространения. Другим недостатком LIGA процесса является то, что микрокомпоненты, изготовленные при его применении, не бывают в полной мере трехмерными, поскольку третье измерение всегда является зависимым. Для сложных современных микросистем необходимы 3D компоненты, обладающие достаточно большой толщиной, чего уровень LIGA технологии обеспечить не может, следовательно, для прогресса в области микроустройств требуется ее дальнейшее совершенствование.


3. Разработка типовой конструкции исполнительного элемента устройства МСТ

  1.  Расчет конструкции исполнительного элемента устройства МСТ
    1.  Расчет конструкции и основных характеристик исполнительного элемента микрооптоэлектромеханической системы (МОЭМС)

Для расчета основных характеристик исполнительного элемента электростатического микрозеркала, необходимо определить его максимальный угол отклонения.

На рисунке 11 представлена модель движения исполнительного элемента. При подаче отклоняющего напряжения, упругие подвесы микрозеркала скручиваются вдоль своей продольной оси, и исполнительный элемент поворачивается в сторону отклоняющего электрода до касания с основанием МОЭМС. На рисунке, А – сторона исполнительного элемента, d – зазор между исполнительным элементом и основанием МОЭМС, Ymax - угол поворота микрозеркала под действием электростатического крутящего момента силы.

Рисунок 11 – Угол отклонения исполнительного элемента МОЭМС

При помощи геометрических методов нахождения углов, определяем углы поворота микрозеркала по двум осям.

Напряжение замыкания, при котором произойдет контакт структуры микрозеркала и отклоняющего электрода:

,        (1)

где Ymax – угол поворота микрозеркала под действием электростатического крутящего момента силы, K - жесткость крепления упругих подвесов, lп – длина упругого подвеса, d – зазор между исполнительным элементом и основанием МОЭМС, ε – относительная диэлектрическая проницаемость, ε0 – электрическая постоянная, Wэл – ширина части отклоняющего электрода, расположенной под структурой микрозеркала.

Момент инерции упругого подвеса прямоугольного сечения по оси X:

,           (2)

где bп – ширина упругого подвеса, cп – толщина упругого подвеса.

Момент инерции упругого подвеса прямоугольного сечения по оси Y:

.           (3)

Полярный момент инерции упругого подвеса прямоугольного сечения:

.          (4)

Модуль сдвига:

,          (5)

где E – модуль Юнга и ν - коэффициент Пуассона для кремния.

Вычисляем жесткость крепления упругих подвесов K1 и К2 по двум осям:

.          (6)

Вычисляем необходимое напряжение замыкания микрозеркала Uзам1 и Uзам2 по двум осям.

Электростатическая сила, возникающая между отклоняющим электродом и структурой микрозеркала, Fэл1 и Fэл2:

,        (7)

где Lэл – длина части отклоняющего электрода, расположенной под структурой микрозеркала.

Длины части отклоняющего электрода, расположенные под структурой микрозеркала Lэл1 и Lэл2 вычисляются по следующей формуле

,       (8)

где Lхорда, соединяющая концы дугообразного неподвижного электрода, R – радиус дуги.

Электростатический крутящий момент силы, действующий на упругие подвесы микрозеркала Mэл1 и Mэл2 считается по формуле:

,          (9)

где l – расстояние от упругого подвеса до точки приложения внешней силы.

Под действием электростатического крутящего момента силы микрозеркало отклоняется от первоначального положения за счет кручения упругих подвесов.

- закон Гука,         (10)

где - угловая жесткость упругого подвеса, γ – угол поворота упругого подвеса под действием электростатического крутящего момента силы [11].

  1.  Расчет конструкции и основных характеристик исполнительного элемента радиочастотного микропереключателя (РМП)

В качестве исполнительных элементов РМП могут применяться как круглые, так и прямоугольные в плане мембраны. Теория тонких пластин давно и глубоко разработана, так же, как и варианты их использования в качестве мембран [12]. Рассмотрим расчет основных характеристик исполнительного элемента РМП на примере квадратной мембраны  с жестко защемленными концами.

Подвес исполнительного элемента РМП – инерционной массы (ИМ) представляет собой различные комбинации упругих элементов типа балок (стержней), преобладающее большинство которых подвержено деформациям изгиба (элементы "работают" на изгиб), рис. 12.

Для всех видов мембран при условии, что сила приложена в центре ИМ по оси у (рисунок 13), нагружение упругих элементов соответствует единичному параллельному смещению одного из концов упругого элемента. Этой же схеме нагружения соответствует и случай приложения силы вдоль оси x.

Рисунок 12 - Схема закрепления исполнительного элемента РМП [12].

Рисунок 13 - Схема исполнительного элемента РМП [12].

Если центр масс и геометрический центр пластины ИМ совпадают и сила приложена по оси у в центр масс (ЦМ), то жесткость подвеса, состоящего из четырех балок, при действии силы вдоль оси х, определяется формулой:

,         (11)

где k – коэффициент жесткости балки; E – модуль упругости; J – момент инерции поперечного сечения балки; l – длина упругой балки.

Момент инерции вычисляется по формуле:

,           (12)

где bп – ширина упругого подвеса, cп – толщина упругого подвеса.

Цилиндрическая жесткость пластины:

         (13)

где ν - коэффициент Пуассона

Очевидно, максимальное перемещение соответствует центру мембраны с координатами х = А/2; z = А/2.

Определим жесткость мембраны в направлении оси у и частоту основного тона мембраны:

(здесь S=A2)      (14)

        (15)

где т = Scnρ - масса мембраны (ρ -  плотность материала мембраны).

Напряжение замыкания исполнительного элемента (для электростатического принципа активации):

         (16)

где g0 = 5·10-6 м - расстояние между электродами, ε0 - относительная диэлектрическая проницаемость (принять равной для воздуха).

Мембрана с жестким центром

Рассмотрим в качестве исполнительного элемента РМП квадратную мембрану (пластину) с размерами А×А по контуру, имеющую жесткий недеформируемый центр с размерами а×а. Тогда вышеописанные формулы примут следующий вид.

Максимальное перемещение недеформируемого жесткого центра () равно:

.         (17)

Жесткость в направлении оси у определяется формулой:

.          (18)

Очевидно, что места максимального напряжения мембраны располагаются по внешнему контуру ее защемления и по контуру ее границы с жестким центром.

Частота собственных колебаний мембраны с жестким центром определяется формулой:

,          (19)

где Gy - жесткость мембраны, вычисляемая по формуле (18); mц, mп -соответственно масса жесткого центра и упругой перемычки.

При установке дополнительных масс на жестком центре их значение добавляется к значению массы жесткого центра [12].

  1.  Расчётная оценка теплового режима термомеханического актюатора

На данный момент существует несколько конструкций актюаторов с управлением напряжением, отличающихся друг от друга способом приведения в движение подвижного элемент. Среди них: термомеханический метод, пьезоэлектрический метод, электростатический метод, электромагнитный и др. Анализ данных показал, что для использования в устройствах микророботехники наиболее важными параметрами являются подъёмная сила, скорость передвижения подвижного элемента и величина его перемещения. По совокупности свойств наиболее выигрышно смотрится биморфный тип актюатора, основанный на температурном расширении входящих в него материалов, а именно полиимидных V-образных канавок, выполненных в монокристаллическом кремнии. Работа устройства происходит по принципу преобразования электрической энергии в тепло, энергия которого в дальнейшем преобразуется в движение. Исходя из этого, задача определения теплового режима работы актюатора является одной из основных при его разработке. Если быть более точным, то задача определения теплового режима является основной составной общей задачи определения степени влияния электроэнергии на выходные параметры актюатора, а именно: максимальный и минимальный углы отклонения, а также динамика отклонения подвижного элемента актюатора во времени.

Целью расчёта является определение времени на нагрев актюатора и мощности, необходимой для этого нагрева.

В целях упрощения модели будем считать, что тепло к полиамидному слою приходит от поверхности кремния полностью без учёта процессов теплопередачи. То есть будем считать, что если слой кремния полностью нагрелся до определённой температуры, то и слой полиимида за пренебрежимо короткое время примет ту же температуру. Излучение также не будем учитывать.

Удельные сопротивления применяемых в качестве резистора материалов:  Ом∙м (нихром), Ом∙м (вольфрам),  Ом∙ м (нитинол).

- сопротивление резистивного слоя;       (20)

- сопротивление одного резистора,        (21)

где  - длина одного резистора,

- площадь поперечного сечения резистора;      (22)

- сопротивление одного резистора (для поликремния),    (23)

где  Ом/□ - удельное сопротивление поликремния на квадрат (в данном случае квадрат 200х200 мкм),

- количество квадратов в одном резисторе.      (24)

Для последовательного соединения:

,          (25)

Для параллельного соединения:

         (26)

Зная сопротивления, найдём мощность, выделяемую на резистивном слое:

,           (27)

,          (28)

где  - время, необходимое для передачи телу количества теплоты ;

         (29)

где - количество теплоты, необходимое для нагрева резистора с температуры  до температуры  (без учёта теплопередачи от слоя резистора слою кремния); с - удельная теплоёмкость резистора;  - масса резистора;  - начальная и конечная температуры, примем исходя из условий технического задания

.

Дж/(г∙К) (нихром),  Дж/(г∙К) (вольфрам),  Дж/(г∙К) (нитинол),  Дж/(г∙К) (поликремний).

,         (30)

где г/м3 (нихром),  г/м3 (вольфрам),  г/м3 (нитинол),  г/м3 (поликремний) – плотность резистивного слоя.

Тогда найдём время нагрева резистора с температуры окружающей среды до температуры в  К без учёта взаимодействия резистора с окружающей средой и другими слоями конструкции (то есть ). Зависимость времени нагрева от напряжения, подаваемого на резистор, представлена на рисунках 14 и 15.

Рисунок 14 – Время нагрева резисторов от напряжения, поданного на них

Рисунок 15 – Время нагрева резисторов от напряжения, поданного на них

При рассмотрении явления передачи тепла от резистора к кремниевому слою пренебрежём эффектами, возникающими на границах различных сред и будем считать, что кремнию и полиимиду отдаётся вся мощность, выделяемая на резисторах. Также пренебрежём конвекцией от поверхности актюатора. Так как тепло, необходимое для нагрева резистора, мы уже определили, то, сложив его с теплом, необходимым для нагрева слоя кремния и полиимида, можно будет определить время нагрева всего актюатора без учёта потерь на конвекцию, то есть .

Дж/(г∙К)  (кремний),  Дж/(г∙К)  (полиимид) - удельная теплоёмкость слоёв,

г/м3 (кремний),  г/м3 (полиимид) – плотность слоёв,

,        (31)

.        (32)

Видим, что полученное время на нагрев всей конструкции сильно зависит от материала изготовления резистора.

На последнем шаге в расчёте теплового режима работы актюатора с управлением напряжением необходимо учесть эффект конвективного теплообмена от поверхности устройства. Формула для определения потерь мощности на процесс конвективного теплообмена на единицу площади тела, контактирующего с окружающей средой:

Вт/м2,         (33)

   (34)

где  - площадь поверхности микропривода, контактирующей с окружающей средой.

- потери мощности для рассматриваемой конструкции.    (35)

Исследуемый актюатор приводится в движение за счёт эффекта расширения и сужения материала под воздействием температуры. Поэтому в конструкции используются материалы с различными коэффициентами температурного расширения, чтобы исключить деформацию всего актюатора в целом и сосредоточить её на определённых элементах: балках, выполненных из полиимида.

Найдём зависимости угла поворота подвижного элемента актюатора от температуры (а, следовательно, и напряжения).

Чтобы найти отклонение подвижного элемента, то есть всей системы, необходимо для начала найти отклонение на одну канавку (балку полиамида). Затем, в зависимости от количества таких канавок, можно будет найти общее отклонение.

Так как толщина полиимидного слоя в балке не большая, составляет около 25-35мкм, то эффектом расширения/сужения материала по толщине (ось Y) под воздействием температуры пренебрежём. Также пренебрежём этим эффектом в направлении глубины микропривода (ось Z). Будем считать что этот эффект происходит только в направлении, параллельном длине микропривода (ось X). То есть при расчётах заменим реально объёмное расширение на линейное. Будем считать, что явление теплового расширения не распространяется на слои кремния и металлизированный слой резистора, так как материалы этих слоёв имеют очень малые по сравнению с полиимидом температурные коэффициенты линейного расширения, а следовательно, их деформации будут незначительны.

Запишем выражение для определения температурного коэффициента линейного расширения:

,           (36)

,           (37)

,           (38)

где  и  - конечная и начальная температуры исследуемого объекта,  и  - конечная и начальная длины исследуемого объекта.

Тогда:

,          (39)

,          (40)

- ТКЛР для полиимида (справочная величина),

Найдём угол, на который отклоняется подвижный элемент актюатора, если в его конструкции имеется только одна канавка с полиамидом, полиамид в которой имеет глубину мкм, размер мкм.

Рисунок 16 – Деформация полиимида в канавке актюатора

,      (41)

         (42)

- угол отклонения подвижного элемента на одну канавку с полиимидом, без учёта сил тяжести конструкции и иных внешних воздействий.

Учитывая то, что в конструкции имеется несколько канавок с полиамидом, то рассчитаем общий угол отклонения на примере всё того же опытного образца с количеством канавок :

          (43)

Таким образом, видим, что угол поворота явно зависит от количества канавок в конструкции актюатора, но практически не меняется при изменении толщины полиимида на дне канавки. Ширина же канавки остаётся постоянна из-за особенностей изготовления актюатора (из-за постоянства угла травления кремния).

  1.  Расчет типового емкостного датчика давления

Емкостные преобразователи давления имеют ряд преимуществ перед тензорезистивными преобразователями, в частности, высокую чувствительность и высокую температурную стабильность. До недавнего времени емкостные преобразователи давления изготавливались в виде отдельных кристаллов. Со схемой обработки такой преобразователь соединялся с помощью проволочных соединений, что приводило к появлению паразитных емкостей, которые отрицательно влияли на параметры преобразователя, снижая его чувствительность. Отличительными чертами датчика давления, интегрирующего на одном кристалле емкостной чувствительный элемент и обрабатывающую электронику, являются небольшие размеры, высокая чувствительность, небольшая потребляемая мощность и возможность создания компактных систем мониторинга давления.

Определим прогиб центра мембраны:

          (44)

где w0 – максимальный прогиб центра мембраны, d – толщина диэлектрика между обкладками емкостного элемента (в нашем случае это зазор между мембраной и сенсорным элементом).

dmax определяется из условия:

          (45)

где с – емкость чувствительного элемента, S = A2 – площадь мембраны, ε - диэлектрическая проницаемость, А - длина стороны мембраны.

 (46)

Для квадратной изотропной жестко закрепленной диафрагмы формулу, описывающую относительные прогибы центра диафрагмы можно записать в виде:

        (47)

    (48)

       (49)

          (50)

         (51)

где h – толщина мембраны, q – равномерная поперечная нагрузка (давление), ν – коэффициент Пуассона, E – модуль Юнга. Для кремния модуль Юнга равен 18,9 ГПа, коэффициент Пуассона равен 0.266.

В соответствии (46), выбираем d (мкм).

Эмпирическая формула, описывающая прогибы центра квадратной жестко закрепленной мембраны, представлена в виде:

       (52)

      (53)

Механические напряжения Тх и Тy в квадратных диафрагмах в линейном приближении:

        (54)

        (55)

Процесс обработки полученного значения давления осуществляется в схеме преобразования сигналов, которая представляет собой систему из нечетного количества автогенераторов (обычно от одного до пяти).

Так как в качестве схемы преобразователя мы используем систему из автогенераторов, то необходимо выполнение следующего условия:

Частота генерации fген < fmax = 2 МГц (для БМК).

         (56)

где N – число контуров генерации, t – длительность импульсов.

N = 2∙n+1           (57)

где n – число контуров.

n = 1, 2, 3…m

t = U∙с/I            (58)

где U – напряжение питания схемы обработки, с – ёмкость исполнительного элемента,   I – потребляемый ток системы автогенераторов [12].

  1.  Расчёт линейных размеров пассивных элементов схемы преобразования

Пленочные элементы, такие как резисторы, конденсаторы, индуктивности, проводники, линии с распределенными параметрами и другие, находят широкое применение в конструкциях интегральных схем и микросборок.

  1.  Расчет тонкопленочных резисторов

Конструкция пленочных резисторов должна учитывать особенности топологической структуры функционального пленочного узла (размеры подложки, количество и расположение выводов и т.д.), величину номинала, характеристики используемых материалов, технологию производства, требуемую и возможную точность воспроизведения номинала, условия эксплуатации микросхем.

Электрические характеристики и величины номинала зависят от конструкции резистора, материала подложки, резистивной пленки и контактных площадок, а также в сильной степени от технологии изготовления.

Наиболее распространенным является метод термического испарения в вакууме, достоинства которого заключаются в следующем:

1. Возможность получения резистивных пленок с широки диапазоном изменения удельного поверхностного сопротивления.

2. Относительная простота технологического контроля, обеспечивающая хорошую воспроизводимость номиналов резистора.

3. Совместимость технологических процессов получения резистивных, проводящих и диэлектрических пленок.

4. Высокая производительность при напылении тонкопленочных элементов.

При получении тонких пленок тугоплавких металлов, сплавов и окислов используются такие способы как катодное ионно-плазменное распыление, осаждение из газовой и паровой фазы. Широкий диапазон изменения номиналов резисторов, используемых в пленочных микросхемах, вызывает необходимость применять материалы резистивных пленок с различными удельными поверхностными сопротивлениями, которые могут обеспечить хорошую адгезию к подложке, температурный коэффициент линейного расширения (ТКЛР), близкий к ТКЛР подложки, относительно низкую температуру испарения, высокую температурную и временную стабильность пленочных резисторов, постоянство химического состава (стехиометрию), отсутствие взаимодействия резистивной пленки с подложкой и пленками других материалов, таблица3.

Таблица 3. Основные параметры материалов тонкопленочных резисторов [13].

Наименование

материала

ρS,

Ом/м

Диапазон значений сопротивлений, Ом

ТКR·104, град-1

в интервале

ΔT= (-60-+125)°C

Максимально допустимая

удельная мощность

рассеянияР0, Вт/см2

Сплав РС – 3001

800 – 3000

50 – 30000

0,2

2

Сплав РС – 3710

100 – 2000

10 – 20000

2 – 5

2

Сплав РС – 1714

50 – 500

5 – 5000

7 – 10

-

Сплав РС – 4206

200 – 2000

20 – 20000

2

-

Сплав РС – 5406

5 – 100

0,5 – 1000

0,5

-

Кермет К-50С

1000 – 10000

100 – 100000

- 5 - +3

2

КС – 500

1000 – 3000

100 – 30000

0,5

-

Специальный сплав № 3 ОЖО.021.010.ТУ

350 – 500

100 – 50000

2

2

Нихром

50 – 300

5 – 3000

2,5

-

Тантал ТВЧ

10 – 100

1 – 1000

- 2

3

Хром

500

50 – 30000

0,6

1

Сплав

500

50 - 30000

± 2

2

Каждый резистор кроме резистивной пленки содержит контактные площадки. Конструкция и техпроцесс изготовления контактных площадок должны обеспечивать:

1. Минимальное переходное сопротивление между резистивными пленками и контактами.

2. Хорошую адгезию контактной площадки к подложке.

3. Равномерное распределение линий тока в контактном переходе.

4. Отсутствие выпрямляющего контакта между материалами резистивной пленки и контактной площадкой.

5. Химическую инертность материалов друг к другу.

6. Хорошие условия для присоединения навесных проводников к тонкой пленке контактной площадки.

Исходными для расчета пленочных резисторов данными являются:

- номиналы резисторов R, входящих в заданную электрическую схему;

- допуски на номиналы γR;

- диапазон рабочих температур ΔT = Tmax ~ Tmin;

- точность выполнения линейных размеров Δb, мкм;

- технологические ограничения;

- мощность рассеяния на каждом резисторе Рi.

В зависимости от заданной точности изготовления резисторов выбирают тот или иной метод формирования их конфигурации. В частности, при γR ≥ 10 % можно воспользоваться масочным методом, а при γR ≤ 5 % - фотолитографическим. Выбрав метод формирования конфигурации, определяют Δl, Δb и технологические ограничения. Максимальные значения рассеиваемых на каждом резисторе мощностей берутся по результатам расчета, исходя из заданного электрического режима работы схемы.

Рекомендуется следующая последовательность проведения расчета.

1. Определяется отношение (Rmax / Rmin) в схеме. Если данное отношение превышает 50, то в некоторых случаях целесообразно изготавливать резисторы из двух различных материалов. Для этого резисторы, входящие в состав данной схемы, разбивают на две группы так, чтобы Rmax первой группы было меньше, a Rmin второй группы - больше значения сопротивления, численно равного удельному электрическому сопротивлению, определяемому как

,         (59)

где Ri - номинал i-го резистора; n - число резисторов в схеме.

После разбивки по формуле (59) рассчитывают ρSопт для каждой группы резисторов в отдельности. Если же отношение (Rmax / Rmin) ≤ 50, то рекомендуется все резисторы выполнять из одного материала.

2. Выбирается материал резистивной пленки (табл. 3) с удельным электрическим сопротивлением рS, ближайшим к вычисленному ρSопт, с учетом рекомендуемого диапазона номинальных значений резисторов. При этом необходимо, чтобы температурная погрешность была мала, а удельная мощность рассеяния Р0 велика.

3. Рассчитываются погрешности.

Суммарная относительная погрешность γR может быть представлена как сумма относительных погрешностей

γR = γКф + γρs + γRT + γCT + γK          (60)

здесь γКф - погрешность коэффициента формы; γρs - погрешность воспроизведения удельного электрического сопротивления резистивной пленки, в первом приближении можно определить γρs 0,5 γR; γRT – температурная погрешность; γCT – погрешность, связанная со старением пленки; γK – погрешность переходных сопротивлений контактов.

Две последние составляющие формулы (60) важны для прецизионных резисторов и составляют в среднем не более 1 – 2 %.

Температурная погрешность равна

γRT = aR·+Τ ,            (61)

где aR - температурный коэффициент сопротивления материала пленки, его значение определяется выбранным материалом пленочного резистора (табл. 3); ΔΤ задано.

Рассчитывается γКф

γКф = γR - γρs - γRT - γCT - γK          (62)

4. Определяется коэффициент формы Кфi каждого резистора

Кфi = Ri / ρS           (63)

где Ri - номинал i-гo резистора.

Если 1 < Кф ≤ 10, то резистор рекомендуется выполнять прямоугольной формы, длина l которого больше ширины b. При 0,1 ≤ Кф < 1 - то же, но l < b; если 10 ≤ Кф ≤ 50, то резистору придают форму меандра. Конструкции резисторов с Кф < 0,1 занимают большие площади на подложке и поэтому не рекомендуются. Наиболее распространенные конструкции пленочных резисторов схематично показаны на рисунке 17.

Рисунок 17 – Конфигурации наиболее распространенных пленочных резисторов:

а – прямоугольной формы, б – в виде нескольких полосок, в – меандр [13].

5. Определяется ширина резисторов, имеющих Кф > 1. Расчетное значение ширины каждого резистора bрасч

bрасч ≥ max (bтехн , bточн , bР ),          (64)

здесь bтехн минимальное значение ширины, определяемое технологическими факторами; bточн определяется заданной точностью изготовления; bP – значение ширины, обеспечивающее необходимую мощность рассеяния

bточн ≥ [(Δb + Δl / Кф )] / γКф ,          (65)

где Кф берется в долях единицы;

,            (66)

здесь Р0 - допустимая удельная мощность рассеяния резистора;

Ррас - мощность, рассеиваемая на резисторе.

За ширину резистора b принимают ближайшее к bрасч большее значение, кратное шагу координатой сетки Н, принятому для чертежа топологии. Рекомендуется выбирать Н = 0,01 мм.

6. Определяется длина резисторов, имеющих Кф ≥ 1.

Расчетное значение lрасч для каждого резистора с Кф > 1 .

lрасч ≥ max (lтехн , lточн , lР),

lточн = (Δl + Δb· Kф )/ γКф

           (67)

За длину резистора принимают ближайшее к lрасч большее значение, кратное Н.

7. Определяется ширина резистора с Кф < 1.

Расчетное значение ширины каждого резистора определяется по формуле

bрасч = l / Кф            (68)

Полученные значения bрасч округляются в большую сторону с точностью до Н.

Таким образом получают b каждого резистора.

8. Определяется длина резисторов с 1 ≤ Кф ≤ 10.

Расчетное значение длины резисторов прямоугольной формы определяется по формуле

lрасч = b・ Кф            (69)

За длину резистора l принимают ближайшее к lрасч значение, кратное Н.

При использовании конструкции, показанной на рисунке 17.б, сумма длин резистивных полосок должна равняться длине lрасч, определенной по приведенной выше формуле.

9. Рассчитываются геометрические размеры резисторов с Кф > 10.

Размеры пленочного резистора типа меандр приведены на рисунке 18.

Рисунок 18 – Размеры пленочного резистора типа меандр [13].

Условные обозначения: b – ширина резистора; a – расстояние между резистивными полосками; t – шаг одного звена меандра, равный t = a+b; LM – длина контура меандра; ВМ – ширина контура меандра; lср – длина средней линии меандра; n = LМ / t – число звеньев меандра

Расчет меандра ведется после определения ширины b резистора в следующей

последовательности:

а) определяется длина средней линии lср как lср = b・Кф

б) задается расстояние а с учетом технологических ограничений при масочном методе формирования конфигурации аmin = 200 мкм, при фотолитографическом аmin = 25 мкм. Обычно выбирают а = b;

в) определяется оптимальное число звеньев noпт при условии, что площадь, занимаемая меандром, минимальна. Это достигается в том случае, когда меандр вписывается в квадрат

         (70)

Если отношение (lср / b) ≥10, то вместо приведенной формулы пользуются приближенной формулой

          (71)

Вычисленную величину nопт округляют до ближайшего целого.

г) определяется длина меандра

L = n(a + b)            (72)

д) определяется ширина меандра

           (73)

Расстояние а выбирается из конструктивных соображений. Оно должно удовлетворять условию: (B – b) /a ≤ 10. Если это условие не выполняется, то необходимо изменить величину а и вновь вычислить nопт , L и В.

е) выполняется коррекция размеров меандра с учетом того, что в резисторах типа меандр плотность тока в участках изгибов неравномерна.

Суть коррекции заключается в условной разбивке фигуры меандра на ряд последовательно включенных сопротивлений прямолинейных участков и сопротивлений уголков (изгибов)

          (74)

где Rи - сопротивление изгиба; m - число изгибов; lΣ - суммарная длина прямолинейных участков.

Для изгибов под прямым углом, показанных на рисунке 18, сопротивление RИ

Rи = 0, 55·ρS

Расчетная длина прямолинейных участков резистора определяется как

           (75)

Величина l1 на рис. 3.3 определяется по формуле

           (76)

Окончательные искомые размеры меандра (рис. 18) LM и ВM равны

ВM = l1 + 2b

LM = n·b + n·а.

10. Рассчитываются площади, занимаемые резисторами.

Для резистора прямоугольной формы

S = (l +2·Δh)·b ,            (77)

для резистора типа меандр

SM = (LM + 2·Δh )·BM ,           (78)

где h - размеры перекрытий элементов, расположенных в разных слоях [13].

  1.  Расчет диффузионных резисторов

Расчет ширины и длины резистора

Исходными данными для определения геометрических размеров резистора являются: номинал R и допуск на номинал γR = ΔR/R, удельное поверхностное сопротивление ps, средняя мощность рассеяния Р, допустимая мощность рассеяния P0= 1-5 Вт/мм2, минимальный габаритный размер резистора, определяемый разрешающей способностью технологии, температурный диапазон работы резистора: ТМAX и ТМIN, а также другие конструкторско - технологические ограничения и рекомендации для проектирования. В соответствии с номиналом R выбирается определенная конфигурация резистора. Для высокоомных резисторов (1-10 кОм) рекомендуются конфигурации, приведенные на рисунке 19, а,б, для низкоомных резисторов (50 -200 Ом) - конфигурация, показанная на рисунке 19,г, для резисторов с номиналом от 200 Ом до 1 кОм - конфигурация, соответствующая изображенной на рисунке 19, в.

Рисунок 19 – Конфигурация диффузионных резисторов. L1- размер контактного окна,

L2- размер контактной области [13].

Расчет резисторов начинают с определения ширины резистора. За расчетное значение ширины резистора bрас принимают наибольшее значение из значений {bтехн, bточн, bp}, где bтехн - минимальная технологическая ширина резистора. bтехн > = (4-5) мкм; bР - ширина, определяемая мощностными характеристиками резистора; b определяют в соответствии c существующими допусками.

Таким образом, bр> = {bтехн, bточн, bР}.

Полная относительная погрешность величины сопротивления определяется суммой погрешностей γRКФpsT, что соответственно важно представить как

,         (79)

где КФ - коэффициент формы резистора, определяемый как

           (80)

,           (81)

есть относительная погрешность коэффициента формы резистора; γpS= ΔR/R - относительная погрешность воспроизведения удельного поверхностного сопротивления (для типовых технологических процессов планарно - эпитаксиальной технологии она обычно составляет 0,05 - 0,1); αR - температурный интервал работы резистора, определяемый как ΔТ= TMAX - TMIN, относительная температурная погрешность γТ= αR*ΔT.

Находим относительную погрешность коэффициента формы:

       (82)

после чего определяем (83)

,          (83)

где Δb и Δl - абсолютные погрешности ширины и длины резистивной полоски, обусловленные точностью технологического процесса. Обычно эти погрешности составляют 0,05 - 0,5 мкм.

Ширина, определяемая мощностными характеристиками резистора, находится из выражения (1.27)

          (84)

Таким образом, из трех значений bтехн, bточн, bp наибольшее и будет bрас. Далее определяют топологическую ширину резистора bтоп ,так как ее значение используется при проектировании топологического чертежа. Однако при определении bтоп, учитывают изменения спроектированных размеров после изготовления резисторов (у реального резистора ширина больше, чем у спроектированного), а также возможность упрощения самой процедуры проектирования, в частности, bтоп=bрас - 2(Δтрав + Δу), где Δтрав - погрешность, вносимая растравливанием окон перед диффузией, в процессе фотолитографии; Δу - погрешность, вносимая уходом диффузионного слоя под маскирующий окисел в боковые стороны; Δтрав = 0,1-0,3 мкм; Δу = 0,5-0,7 мкм.

Окончательно за bтоп принимаются ближайшие к вычисленным целые значения, кратные шагу координатной сетки.

Чтобы максимально уменьшить погрешность номинала резистора, определяют реальную ширину резистора bреал= bтоп +2(Δтрав + Δу). После этого определяют расчетную длину резистора (85)

lрас=bреал*(КФ-nК),           (85)

где n - количество контактных окон у резистора, обычно n = 2; К – поправочный коэффициент, учитывающий сопротивление, обусловленное растеканием электрического тока у контактных областей резистора. К определяется из номограмм K(L1 / b), K(L2 / b), K(b/L2) при заданных соотношениях L1: b и L1:L2 на рис. 1.12,а - г соответственно для иных конструкций контактных областей резисторов; L1 и L2 - размеры контактных областей (рисунки 20 и 21).

Рисунок 20 – Значения коэффициентов К для расчета высокоомных диффузионных резисторов [13].

Рисунок 21 – Значения коэффициентов К для расчета низкоомных диффузионных резисторов [13].

Если резистор изогнут, либо имеет форму меандра, то его расчетная длина определяется из соотношения

,      (86)

где Nизг - количество изгибов резистора под углом π/2; n - число контактных окон резистора одинаковой конфигурации (обычно n > 2, если имеется соединение двух или более тел резисторов), К - поправочный коэффициент, учитывающий сопротивление растекания у контактной пластины, который находится аналогично ранее описанному из рисунков 19, 20, 21, где i - номер контактного окна.

Для проектирования топологического чертежа определяют топологическую длину резистора:

,        (87)

при этом погрешность изготовления резистора увеличивается, так как реально полученный резистор будет иметь меньшую длину, чем спроектированный. Окончательно за lТОП принимаются ближайшие к вычисленным целые значения, кратные шагу координатной сетки, что упрощает проектирование топологии резисторов. Реальная длина резистора определяется из соотношения

.        (88)

После определения топологических размеров резисторов проводят поверочный расчет, пользуясь критерием γRRреал, т.е. если заданная погрешность номинала резистора больше реальной, то расчет выполнен правильно, если неравенство не выполняется, то расчет топологических размеров следует провести заново. Для определения γRреал резистора без изгибов нужно найти

,        (89)

а для резистора в виде меандра с n =2

,        (90)

, тогда  [14].      (91)

3.2.3 Тонкопленочные конденсаторы

Конденсаторы являются широко распространенными элементами пленочных микросхем. По конструктивному признаку тонкопленочные конденсаторы (ТПК) можно разделить на три группы: однослойные, многослойные и гребенчатые.

Большинство характеристик ТПК (величина номинала, стабильность, рабочее напряжение, температурная и временная стабильность, частотные свойства, добротность, полярность, надежность и др.) зависят от выбранных материалов и технологии изготовления.

Материал, применяемый для изготовления диэлектрических слоев, должен иметь хорошую адгезию к материалам подложки и обкладок, не вступать с ними в химические реакции. Диэлектрическая пленка должна быть достаточно плотной, иметь высокую электрическую прочность, малые диэлектрические потери, незначительную величину температурного коэффициента линейного расширения (ТКЛР), сравнимую с ТКЛР подложки, иметь высокую диэлектрическую проницаемость и не разлагаться при нагревании. Лучше других этим требованиям удовлетворяют характеристики диэлектриков, приведенных в таблице 4.

Таблица 4. Основные характеристики диэлектрических материалов тонкопленочных конденсаторов [13].

Наименование

материала

Материал

обкладок

Удельная

емкость С0,пФ/cм2

Рабочее

напряжение

U, B

ε на частоте f = 1кГц

tg δ на

f= 1кГц

Uпр·106

В/cм

fраб,

МГц

ТКС, град–1В интервале

ΔT=(-60 ÷+125)С

Моноокись

кремния

Алюминий

А99

5000 –

10000

30–60

5 –6

0,01 - 0,02

2 –3

500

2

Моноокись

германия

5000-

15000

5-10

11 – 12

0,005 -

0,007

1,0

-

3

Боросиликатное

стекло (БСС)

2500 –

15000

8–24

4

0,001 –

0,0015

3 – 4

300

0,35

Стекло электровакуумное

С41-1

15000 -

40000

6,3– 12,6

5,2

0,002 –

0,003

3 – 4

300

0,5 – 1,8

Пятиокись

тантала

Тантал

ТВЧ

60000 –

100000

15 – 10

23

0,02

2

-

7

Алюминий

А99

200000

3

Кроме материалов, приведенных в этой таблице, для изготовления ТПК могут применяться окислы тантала, двуокись титана, титанат бария и др. Эти материалы имеют большие значения ε, чем окись кремния SiO или окись германия GeO и на их основе можно изготовлять ТПК большой емкости. Однако из-за больших диэлектрических потерь добротность таких конденсаторов низка, в связи с чем их можно применять только в низкочастотных цепях и цепях постоянного тока. ТПК с диэлектриком из титаната бария, кроме того, имеют большое значение ТКЕ. Все большее применение для изготовления ТПК находят окислы редкоземельных металлов: лантана, иттрия и др. Для обеспечения наименьших потерь на высоких частотах, обкладки ТПК чаще всего напыляют из материалов с низким электрическим сопротивлением. Материал обкладок должен легко испаряться, иметь низкую подвижность атомов при образовании пленки и невысокую энергию испаренных частиц (во избежание диффузии и внедрения атомов металла в диэлектрик).

Практика показала, что для нанесения обкладок ТПК наилучшим материалом является алюминий, применение которого обеспечивает более высокий процент выхода годных ТПК по сравнению с другими металлам. Это объясняется сравнительно низкой температурой испарения алюминия и невысокой подвижностью его атомов на поверхности подложки. Удельное поверхностное сопротивление алюминиевой пленки достаточно мало и при ее толщине 2500-5000 Å находится в интервале 0,2-0,06 Ом/квадрат. Это обеспечивает высокую добротность ТПК.

Рекомендуется одновременно с изготовлением обкладок ТПК наносить и тонкопленочные проводники. При этом ускоряется и упрощается техпроцесс изготовления микросхем и сокращается расход алюминия.

Следует помнить, что при температуре выше 180°С в алюминиевых пленках образуются игольчатые кристаллы, способные в ряде случаев проколоть тонкую диэлектрическую пленку. Поэтому температуру подложки и термообработки нельзя выбирать слишком высокой.

Использование многослойных тонкопленочных структур, хотя и позволяет увеличить удельную емкость ТПК, ограничено тем обстоятельством, что с ростом числа слоев увеличивается сложность технологического процесса изготовления конденсаторов, увеличивается процент брака и снижается их надежность.

Конденсаторы с малой величиной емкости рекомендуется проектировать в виде двух пересекающихся проводящих полосок, разделенных слоем диэлектрика.

Желательно чтобы все конденсаторы, расположенные на одной подложке, были изготовлены на основе одной диэлектрической пленки.

Нижняя обкладка ТПК должна выступать за край верхней не менее чем на 200 мкм, а диэлектрик - не менее чем на 200 мкм за край нижней обкладки. Выводы обкладок ТПК в местах коммутации с другими элементами должны выступать за слой диэлектрика не менее чем на 500 мкм.

Для повышения точности и надежности ТПК необходимо выбирать наиболее простую форму обкладок. Суммарная площадь, занимаемая ТПК на микроплате, не должна превышать 2 см2, минимальная площадь ТПК равна 0,5 х 0,5 мм2.

Емкость пленочного конденсатора определяется по формуле

(пФ),         (92)

где d - толщина диэлектрика, см; S - площадь перекрытия верхней и нижней обкладок, см2, она называется активной площадью конденсатора; ε0 – электрическая постоянная вакуума; ε0 = 8,854·10-12 Ф/м; ε - относительная диэлектрическая проницаемость материала диэлектрика.

Емкость на единицу площади называется удельной емкостью конденсатора С0

         (93)

Конструкция пленочного конденсатора определяется площадью S (возможные варианты конструкции показаны на рисунке 22).

При S≥5 мм2 используется конструкция (рис. 22), у которой площадь верхней обкладки меньше, чем нижней.

При 1≤ S≤ 5 мм2 используется конструкция, представляющая собой пересечение пленочных проводников (рис. 22).

При 0,1≤S≤1 мм2 используются конструкции, представляющие собой последовательное соединение конденсаторов или конденсатор с диэлектриком – подложкой (рис. 22).

При S<0,1 мм2 используется гребенчатая конструкция (рис. 22), расчет емкости проводится по эмпирической формуле (93).

Рисунок 22 – Разновидности конструкций тонкопленочных конденсаторов:

а – с активной площадью перекрытия обкладок S>5 мм2; б – с S = 1– 5 мм2;

в, г – с S<1 мм2; д – гребенчатая; е – в виде двух параллельно расположенных

проводящих пленок; 1 – диэлектрик; 2 – нижняя обкладка; 3 – верхняя

обкладка; 4 – подложка [13].

Расчет тонкопленочных конденсаторов без подстроечных секций.

Исходными данными для расчета ТПК являются следующие параметры:

- номинальная величина емкости ТПКС, пФ;

- диэлектрическая проницаемость ε;

- рабочее напряжение на ТПК Uраб, В;

- допустимая относительная погрешность емкости γСдоп, %;

- удельная емкость С0, пФ/см2;

- абсолютные производственные погрешности изготовления размеров верхней обкладки Δl и Δb, мм;

- погрешность установки и совмещения масок Δlу, мм;

- максимальная температура окружающей среды t, °C;

- предполагаемая длительность работы микросхемы Т, час.

Проектирование однослойных ТПК следует начинать с выбора материала диэлектрической пленки (таблица 4). Практика показывает, что диэлектрические пленки толщиной 2000 – 3000 Å и менее, нередко оказываются не сплошными, и ТПК на их основе являются ненадежными элементами. Многие конденсаторы с такой толщиной диэлектрика после изготовления оказываются негодными из-за замыкания обкладок.

Минимальная толщина диэлектрического слоя рассчитывается по формуле

,          (94)

где Кз – коэффициент запаса электрической прочности ТПК и обычно равен 2÷4, Епр – электрическая прочность материала диэлектрика, В/см.

В связи с этим, в тех случаях, когда значение d, полученное на основе вышеприведенной формулы, оказывается меньше 3000 Å, за расчетные значения толщины пленки диэлектрика принимается величина d ≥ 3000 Å.

Суммарная относительная погрешность емкости конденсатора определяется по формуле

,         (95)

где γC0 - относительная погрешность удельной емкости, характеризующая ее воспроизводимость, зависит от материала и погрешности толщины диэлектрика;

γS - относительная погрешность активной площади конденсатора, зависящая от точности геометрических размеров, формы и площади верхних обкладок;

γCt - температурная погрешность, которая зависит от ТКС материала диэлектрика;

γCcT - относительная погрешность, обусловленная старением пленок конденсатора, зависит от материалов. Обычно она не бывает выше 2-3%.

        (96)

,         (97)

где S, L, В - соответственно площадь, длина и ширина верхней обкладки;

γS - минимальна, если обкладки имеют форму квадрата. Если форма отклоняется от квадрата, γS увеличивается.

Для учета этих отклонений используют коэффициент формы обкладок

КФ = L / B .            (98)

Тогда относительная погрешность γS при ΔL =ΔB определяется по формуле

          (99)

Для обеспечения заданной точности емкости необходимо выполнение условия

γS ≤ γSдоп , где

                    (100)

Из (98) и (99) следует, что при выбранном из топологических соображений значении коэффициента формы, площадь верхней обкладки равна

                     (101)

Если в (100) выполняется равенство, то получаем выражение для удельной емкости

                    (102)

В частном, наиболее характерном случае, когда КФ = 1 (т.е. обкладки квадратной формы), приведенные выражения (99), (100) и (101) упрощаются

                      (103)

                      (104)

                     (105)

На основании выше приведенных рассуждений, рекомендуется следующий порядок расчета тонкопленочного конденсатора.

1. Выбирают материал диэлектрика по рабочему напряжению Uраб в соответствии с данными таблицы 4. Из нее определяют ε, tg δ, ЕпрС (ТСК).

2. Вычисляют температурную погрешность

γСt = αС ( Tmax – 20),                      (106)

где Тmax - максимально допустимая температура.

3. Определяют относительную погрешность активной площади конденсатора

                    (107)

4. Рассчитывают минимальную толщину диэлектрика, исходя из необходимости обеспечения электрической прочности

dmin = ( KЗ · Uраб )/ Епр ,                      (108)

где KЗ - коэффициент запаса.

5. Определяют удельную емкость конденсатора, исходя из необходимости обеспечения его электрической прочности

С0эл = ( 0,0885· ε )/ d                      (109)

6. Определяют удельную емкость конденсатора, исходя из требуемой точности его изготовления

                     (110)

7. Выбирают минимальное значение удельной емкости С0, учитывая электрическую прочность и точность изготовления

С0 ≤ min { С0эл , С0точн}                      (111)

8. Определяют коэффициент, учитывающий краевой эффект

К = 1 при (С / C0) ≥ 5 мм2

К = 1,3 – 0,06 · (С / C0) при 1 ≤ (С / C0) < 5 мм2

9. Вычисляют площадь верхней обкладки

SВО = (С / C0) · К                      (112)

10. Определяют размеры верхней обкладки конденсатора

LB = BB =                      (113)

Размеры LВ и ВВ округляют до величины, кратной шагу координатной сетки.

11. Определяют размеры нижней обкладки конденсатора

LH = ВН = LB + 2q ,                      (114)

где q - величина перекрытия обкладок.

12. Определяют размер диэлектрика конденсатора

LД = ВД = LН + 2f ,                      (115)

где f - величина перекрытия нижней обкладки и диэлектрика.

13. Рассчитывают площадь конденсатора на подложке

S = SД = LД ·BД                       (116)

На основании полученных результатов выбирают конструкцию пленочного конденсатора (таблица 4). При необходимости вместо квадратной формы обкладок используют прямоугольную форму. Для этого задаются одной из сторон конденсатора, рассчитывают коэффициент формы обкладок н вычисляют размеры обкладок прямоугольной формы [13].


Библиографический список

1. В.Варадан, К.Виной, К.Джозе. ВЧ МЭМС и их применение.-Москва.Техносфера, 2004 г. -528 с.

2. В.В.Лучинин, Ю.М.Таиров, А.А.Васильев. Особенности материаловедческого и технологического базиса микросистем. -  МСТ, 1991, № 1.

3. Е.Н.Пятнышев, М.С.Лурье, И.В.Попова. Специфика технологии микромеханических устройств.- Прикладная физика, 2000 г., № 2.

4. В.В.Пасынков, В.С.Сорокин. Материалы электронной техники – 2-е изд., перераб.и доп. – М.: Высш.шк., 1986.- 367с.

5. R.R.Tummala, E.J.Rymazewski. Microelectronics Packaging Handbook. – Van Nostrand Reinhold, 1998.

6. У.Моро. Микролитография: в 2-х ч. Ч.1: Пер.с англ. – М.: Мир,1990. – 605с.

7. C.L. Goldsmith, S.Eshelman, D.DennstonPerformance of low loss RF MEMS capacitive switches», IEEE Microwave and Guided Wave Letters 8, 1999.

8. G. Stix. Trends in micromechanics: micron machinations. - Scientific American (November 1992), 1992.

9. А.Борзенко. Технология MEMS. – Byte Россия, 2006 г., № 1.

10. Л. Белов. Переключатели сверхвысокочастотных сигналов. – Электроника: Наука, Технология, Бизнес. 2006, № 1.

11. Лысенко И.Е. Проектирование сенсорных и актюаторных элементов микросистемной техники. – Таганрог: ТРТУ, 2005. – 103 с.

12. Распопов B.Я. Микромеханические приборы: учебное пособие. - M.: Машиностроение, 2007. –

400 c.: ил.

13. Романова, М.П. Проектирование гибридно-пленочных интегральных микросхем: учебное пособие – Ульяновск: УлГТУ, 2006. – 73 c.

14. Романова, М. П. Проектирование и технология микросхем: учебное пособие - Ульяновск: УлГТУ, 2005. - 83 с.


Содержание

Введение

  1.  Курсовое проектирование по дисциплине «Интегральные устройства радиоэлектроники»
    1.  Цель и задачи курсового проектирования
    2.  Тематика курсового проекта
    3.  Содержание и объем курсового проекта
    4.  Порядок выполнения курсового проекта
  2.  Анализ устройств и исполнительных элементов МСТ
    1.  Общие сведения об устройствах МСТ и принципах их изготовления
    2.  Исполнительные элементы устройств МСТ
    3.  Виды механизмов управления исполнительными элементами устройств МСТ
    4.  Анализ материалов для изготовления устройств МСТ
      1.  Основные материалы для изготовления устройств МСТ
      2.  Материалы исполнительных элементов устройств МСТ
    5.  Технологии изготовления устройств МСТ
      1.  Объемная технология
      2.  Поверхностная технология
      3.  Технология LIGA
  3.  Разработка типовой конструкции исполнительного элемента устройства МСТ
    1.  Расчет конструкции исполнительного элемента устройства МСТ
      1.  Расчет конструкции и основных характеристик исполнительного элемента микрооптоэлектромеханической системы (МОЭМС)
      2.  Расчет конструкции и основных характеристик исполнительного элемента радиочастотного микропереключателя (РМП)
      3.  Расчёт и анализ технологии изготовления актюатора
      4.  Разработка конструкивно-технологического варианта емкостного датчика давления
    2.  Расчёт линейных размеров пассивных элементов схемы преобразования
      1.  Расчет тонкопленочных резисторов
      2.  Расчет диффузионных резисторов
      3.  Тонкопленочные конденсаторы

Библиографический список

Содержание

Приложения

Приложение 1. Техническое задание на разработку изделия


Приложения

  1.  Техническое задание на разработку изделия
  2.  Наименование и области применения.

Наименование и условное обозначение изделия; краткая характеристика области его применения; общая характеристика объекта, в котором используется изделие; возможность использования изделия для постановки на экспорт.

  1.  Основание для разработки.

Наименование документа, на основании которого выполняется разработка, дата его утверждения.

  1.  Цель и задачи разработки.

Макет для научных исследований; макет эскизного проекта; макет технического проекта; опытный образец; прибор для серийного производства; прибор для лабораторной работы; комплект конструкторской документации для использования в учебном процессе; программа выпуска изделий. Организация: предприятие или кафедра. Изготовитель.

  1.  Источники разработки.
    1.  Перечень научно-исследовательских, хоздоговорных работ, экспериментальных образцов или макетов, на базе которых выполняется разработка; литература, в которой приводится электрическая схема, описание принципа работы.
    2.  Конструкторские аналоги.

Прототип и характеристика изменений и улучшений. (В случае их отсутствия, указать, что разрабатывается впервые). Литература с описанием аналогов,

  1.  Технические (тактико-технические) требования,
    1.  Состав изделия и требования к его конструкции.

Наименование, количество, назначение составных частей;

габаритные, установочные размеры изделия и его частей; масса изделия и его частей; способы зашиты от атмосферных воздействий; требования к защите и исключению помех; требования к ЗИП; требования к размещению органов управления, индикации и настройки; виды покрытий.

  1.  Показатели назначения.

Потребляемая мощность; чувствительность; диапазон частот; точность и пр.; параметры, определяющие целевое назначение изделия,

  1.  Требования к надежности.

Требования к долговечности, сохраняемости и длительности использования; требования к ремонтопригодности; требования к вибро- и ударопрочности, к устойчивости от влияния внешних полей.

  1.  Требования к уровню унификации и стандартизации.

Требования к использованию стандартных, унифицированных узлов, блоков; показатели уровня унификации и стандартизации.

  1.  Требования к безопасности.

Требования к обеспечению безопасности при монтаже, эксплуатации, ремонте.

  1.   Эстетические, эргономические требования.

Требования технической эстетики, эргономики, удобства

обслуживания,

  1.  Условия эксплуатации (использования).

Условия, при которых должна обеспечиваться работоспособность изделия; допустимое воздействие климатических условий (температуры, влажности, атмосферного давления, агрессивных сред и т.д.); допустимое воздействие механических нагрузок (вибрационных, ударных и пр,); требования к средствам защиты от вредных испарений, коррозии и т,п.

  1.  Дополнительные требования.

Специфические требования к изделию, другие специальные требования.

  1.  Требования к транспортировке и хранению.

Условия транспортировки и виды транспортных средств; необходимость и способы крепления при транспортировке; расстояние транспортировки; скорости передвижения; требования к необходимой защите от ударов при нагрузке и выгрузке; места хранения; способы хранения в различных условиях.

  1.  Стадии разработки. Сроки завершения разработки конструкторской документации, изготовления опытных образцов,
  2.  Комплектность документации, порядок приемки, сроки.

Перечень конструкторской документации опытных образцов; сроки завершения разработки и представления к защите.

  1.  Приложения;
    1.  Схемы электрические структурная, функциональная или принципиальная.
    2.  Макет изделия.
    3.  Прототип изделия и его описание.
    4.  Специальная литература, необходимая для разработки.
    5.  Перечень рекомендуемых стандартов.
    6.  Другие необходимые данные.

Примечание. Все численные параметры изделия в ТЗ должны быть указаны с допусками и единицами измерения (если есть). Знак «-» (минус) не допускается и заменяется словом «минус». Например, «220±10 В», «500 мВт, не менее», «от 20 до 30 мА», «3 кг, не более», «от минус 40.до + 65С», «не более минус 60дБ».


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

81979. Великі українці. Маленькі історії про великі істини 94 KB
  Історико-пізнавальний проект передбачав підготовку учнів 5-8 класів на протязі двох місяців. Діти готували матеріал про одного або двох із запропонованих їм творчою групою (до якої входили вчителі та учні) представників із числа Великих українців (до їх числа входили українці обрані самими дітьми).
81980. Велетні чарівники 95.5 KB
  Формувати науковий світогляд та початкове уявлення про астрономію; дати елементарне уявлення про Всесвіт закріпити знання про воду та її значення розширити знання про повітря; розвивати пізнавальні інтереси вміння бачити красу і захоплюватися нею.
81981. ТО СВІТЛИЙ ВЕЛИКДЕНЬ ГОСПОДНІЙ ДИТЯЧИЙ ЗВЕЛИЧУЄ СПІВ 74 KB
  У нашого українського народу існує повір’я, що від тих батьків, які не дотримуються звичаїв, родяться діти, що стають вовкулаками. Вовкулака – це завжди похмурий, завжди чимось незадоволений чоловік; в день святого Юрія він перекидається вовком, бігає разом з іншими звірами по лісі...
81982. Великодні свята в Україні 891 KB
  Практична: розвивати комунікативні навички учнів у учнів; формувати вміння підтримувати бесіду використовуючи лексику з даної теми; розвивати культуру спілкування; вчити учнів виконувати проектпрезенту вати результати проектних досліджень; розвивати навички групової роботикри тичного...
81983. Проект з французької мови: Чому Великдень є улюбленим святом дітей? 182.5 KB
  Завдання: Збагатити знання про історію та традиції святкування Пасхи. Дібрати французькі та українські прислів’я та приказки до цього свята та зробити порівняльну характеристику. Скласти вітальні привітання до свята Великодня. Оформити проект до цього свята.
81984. ВЕРНІСАЖ РОКУ 257.5 KB
  Ознайомити учнів із поняттям текст формувати уявлення про текст як форму зв’язного висловлювання його характерні ознаки; розвивати вміння визначати тему тексту добирати заголовок до тексту відповідно до його змісту; збагачувати словниковий запас учнів; розвивати усне і писемне мовлення...
81985. Веселі старти 39 KB
  Мета. Створити атмосферу свята. Виховувати любов до фізкультури та спорту: розвивати руховий апарат, фізичні уміння та навички, зміцнювати здоров’я, виховувати почуття дружби, колективізму. Обладнання. М’ячі, скакалки, кубики, обручі, стрічки, дротики.
81986. ВЕСНА МИЛІША ВСІХ 72 KB
  Добрий день вам, люди добрі, що сидять в нашій господі. Раді з святом вас вітати, щастя і добра бажати. З початком весни, з першою весняною травичкою, ніжними квітами й дзвінким співом пташок приходить до нас і жіноче свято – 8 Березня. Це свято наших мам і бабусь.
81987. Я – перша квіточка весни 91 KB
  Хто ж із них переможе? Цього ми поки що не знаємо... Але, напевно, кожен із нетерпінням чекає на початок конкурсу. Ведуча 2. Насамперед потрібно визначитись, в якому порядку учасниці будуть змагатися, потрібно провести жеребкування.