Емкостные МЭМС-датчики
Основные физические принципы формирования выходного сигнала датчиков ускорения, а также других инерциальных датчиков (гироскопов, инклинометров, датчиков вибрации) – пьезорезистивный и ёмкостной. В первом случае, в местах максимальной концентрации механических напряжений ионной имплантацией или осаждением создаются области, меняющие своё сопротивление при изменении в них деформации (пьезорезисторы). Второй, ёмкостной метод не требует дополнительных технологических операций. Он основан на эффекте изменения ёмкости конденсатора при изменении конфигурации его электродов. Другие физические эффекты: электромагнитные, магнитные, конвекционные, магнитостриктивные и т.д. применяются в современных микросистемах редко [1]-[2].
Изменение ёмкости может происходить по двум причинам: изменение расстояние между обкладками (рис. 1а) и изменение площади обкладок (рис. 1б).
Рис. 1: Основные принципы изменения ёмкости – изменение зазора (а) и изменение площади перекрытия (б)
В обоях случаях в современных датчиках используют гребенчатую структуру для увеличения изменения ёмкости. Изменение ёмкости (dC/dx) при одинаковом перемещении и не зависимо от метода тем больше, чем больше толщина структуры (см. Рис. 1, параметр а). При прочих равных условиях желательно, чтобы зазор между подвижными электродами был маленький. Это даёт большее относительное изменение емкости при малых перемещениях.
Таким образом, для производства датчиков, использующих емкостной принцип, необходима технология, с помощью которой можно создавать объёмные структуры с наибольшей толщиной и минимальным зазором между подвижными и неподвижными частями датчика. Наиболее подходит для этих целей плазмохимическое травление.
Сравнение жидкостного и плазмохимического травления
Наиболее популярным методом для получения различных структур долгое время являлся метод жидкостного травления (рис. 2).
Достоинства данного метода:
- метод известен давно и использовался для создания большого количества датчиков;
- высокая скорость травления с возможностью контролировать процесс, изменяя температуру и концентрацию;
- дешёвые материалы для травления, простое оборудование, не требуется высококвалифицированный персонал;
- малочувствителен к небольшим дефектам на поверхности.
Рис. 2: Жидкостное травление как метод создания микросистем (а-в). Датчик давления (г) и микрозеркало (д), созданные с помощью данного метода. Источник изображений г) и д) – Хемнитцкий технический университет
Несмотря на все вышеизложенные характеристики, метод имеет следующие недостатки, важные для производства современных датчиков:
- требуется большая площадь на кристалле;
- минимальные размеры структуры 10 мкм (ограничение в связи с подтравливанием маски);
- трудно совместим с другими процессами (адгезия и пр.);
- подходит не для всех материалов;
- проблемы с контролем глубины травления.
Как альтернативу старой технологии для создания современных МЭМС-датчиков выгодно использовать плазмохимическое травление, которое имеет следующие преимущества:
- минимальные размеры структуры – порядка 2 мкм. Зазоры между электродами – до 1 мкм;
- полная независимость от ориентации кристалла;
- глубокое травление с большим аспектным отношением ширины структуры к её толщине.
Рис. 3: Плазмохимическое травление, как метод создания микросистем (а-в). Гребенчатый электрод, созданный с помощью этой технологии (г), установка плазмохимического травления MPS1400. Источник изображения г): www.microfab.de
Выигрывая на качестве полученных структур, мы имеем следующие отрицательные стороны:
- дорогое оборудование, требуется высококвалифицированный персонал;
- повышенные требования к чистоте процесса;
- медленный многооперационный метод, требующий отладки процесса.
Тем не менее, на сегодняшний день данный метод наиболее подходящий для создания микросиситем сложной формы. Большинство мировых лидеров, занимающихся производством МЭМС-устройств, используют данную технологию. Именно с ее использованием изготовлены МЭМС-устройства, разработанные ООО «Совтест АТЕ» совместно с европейскими партнёрами компании (рис. 4). В качестве примера можно привести двухосевой прецизионный инклинометр (датчик угла) широкого применения. Измерительный элемент – прецизионный датчик угла – обеспечивает высокую повторяемость и стабильность, выполнен на основе технологии МЭМС.
Устройство предназначено для измерения углов наклона объекта в диапазоне ±30°, измерение проводится по двум независимым осям. Инклинометр имеет малое значение нелинейности во всем диапазоне измерения. Данная система имеет широкую область применения и может быть использована при диагностике рельсового пути, для измерения крена летательного объекта или в миниатюрных системах навигации. Подтверждая статус инжиниринговой компании, сегодня ООО «Совтест АТЕ» ведет ряд других научных разработок с использованием опыта зарубежных коллег.
Рис. 4: Примеры датчиков ускорения, изготовленных с помощью плазмохимического травления. Источники фотографий: Технический университет Хемнитц а), Моторола б) Самсунг в)
Список литературы
[1] Нано- и микросистемная техника. От исследований к разработкам, Техносфера, 2005 г., 592 стр.
[2] Ж. Аш «Датчики измерительных систем», в 2 томах, Год выпуска: 1992, Мир,
Получите подробную информацию о технических характеристиках, ценах и условиях поставки оборудования, направив официальный запрос с сайта.