close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

Результаты соревнований;doc

код для вставкиСкачать
XXVII сессия Российского акустического общества,
посвященная памяти ученых-акустиков
ФГУП «Крыловский государственный научный центр»
А. В. Смольякова и В. И. Попкова
Санкт-Петербург,16-18 апреля 2014 г.
К. А. Строганов
Открытое акционерное общество «Авангард», г. Санкт-Петербург, Кондратьевский
пр. 72
www.avangard.org
тел. +7 (812) 543-90-76 доб. 24-93
Сенсор на основе МЭМС-ПАВ технологии
Рассматривается возможность создания сенсора с применением
совмещенной МЭМС-ПАВ технологии для создания нового класса устройств.
Предлагаемый сенсор на основе совмещенной МЭМС-ПАВ технологии
представляет собой микромеханическое устройство с ПАВ элементом.
Получение информационного сигнала от этого сенсора осуществляется
считывающим
устройством
посредством
приема
и
обработки
переотраженного радиосигнала.
Ключевые слова: поверхностные
чувствительный элемент, пассивный
акселерометр, МЭМС
акустические волны, сенсор,
датчик физических величин,
ВВЕДЕНИЕ
Устройства на поверхностных акустических волнах (ПАВ) широко применяются для
фильтрации и задержки радиосигналов, в радиолокации для формирования сигналов с
линейной частотной модуляцией и для согласованной фильтрации, а также для
частотной стабилизации в автогенераторах гармонических сигналов с частотами от
100 МГц до 3 ГГц [1, 2]. Такие устройства являются одними из основных компонентов
сложных радиолокационных комплексов, а также приемо-передающих устройств,
используемых в различных видах беспроводной связи.
В настоящее время на Российском рынке полностью отсутствуют беспроводные
датчики физических величин отечественного производства. Прогнозируется создание
на основе ПАВ устройств высокочувствительных преобразователей обладающих
достоинствами функциональных ПАВ устройств [3-7]. Успешные исследования и
дальнейшая разработка предлагаемого чувствительного элемента и вывод его на
массовый рынок позволит существенно снизить затраты разработчиков приборов и
систем в которых требуются предлагаемые в настоящем проекте датчики на основе
интегрированной технологии микромеханики и акустоэлектроники. Кроме того, за счет
преимуществ датчиков – пассивности и беспроводного съема информации,
расширяются функциональные возможности систем потребителей.
Одной из актуальнейших задач акустоэлектроники и микросистемотехники является
создание новых чувствительных элементов (сенсоров), в том числе акустоэлектронных,
XXVII сессия РАО, Санкт-Петербург, 16-18 апреля 2014 г.
2
_________________________________________________________________________________________
для производства на их основе различных пассивных датчиков физических величин,
опрашиваемых по радиоканалу, а также производства систем радиочастотной
идентификации на основе пассивных ПАВ меток.
1. ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ СЕНСОРА
Акустоэлектронные устройства используют ПАВ, распространяющиеся в твердом
упругом теле за счет эффекта природного пьезоэлектричества (прямой и обратный
пьезоэффект). Прямой и обратный пьезоэффекты, на основе которых работают
акустоэлектронные устройства, свойственны ряду природных и искусственных
материалов, таких как кристаллический кварц, ниобат лития, танталат лития, пленки
ZnO и AlN. Все эти материалы обладают рядом специфических свойств и
характеристик, принципиальных для возбуждения на них ПАВ. Основным
конструкционным материалом акустоэлектроники является кварц. Кремний же по
своим упругим свойствам во многом выигрывает у кварца, но возникает проблема –
кремний не обладает пьезоэлектрическими свойствами. Вместе с тем пьезоэффект
необходим для возбуждения акустических волн. Поэтому, в случае использования
непьезоэлектрического материала (например, сапфир, кремний), возбуждение
акустических волн осуществляется с помощью преобразователя, состоящего из
электродов и пьезоэлектрического слоя. В этом случае для эффективной передачи
возбуждаемой волны преобразователь должен иметь хороший акустический контакт с
непьезоэлектрической средой распространения акустической волны. Применение такой
пленки на кремнии позволяет решить эту проблему. Кроме того, структура пленка
ZnO/кремний позволяет построить ПАВ резонаторы на частоты до 3 ГГц без
применения субмикронной литографии. Среда распространения упругих волн не всегда
обладает пьезоэлектрическими свойствами. [1, 2].
В последнее время особое внимания уделяется созданию на основе ПАВ устройств
датчиков физических величин, таких как: температура, давление, деформация,
ускорение и т.д. Прогнозируется создание на основе ПАВ устройств высоко–
чувствительных преобразователей обладающих достоинствами функциональных ПАВ
устройств описанных выше [3-6].
При физическом или химическом воздействии на такой ЧЭ приводит изменение
параметров среды распространения ПАВ. Вследствие этого могут возникать
поверхностные напряжения, изменяющие плотность и размеры материала в
поверхностном слое. Это приводит к изменению времени распространения ПАВ между
двумя точками на поверхности ЧЭ как из-за изменения расстояния между этими
точками, так и из-за изменения фазовой скорости ПАВ, вызванной изменениями
упругости и плотности.
Явление пьезоэффекта используется для активации ЧЭ и получения отклика от
воздействия. Вся конструкция может быть выполнена в едином кристалле. Активные,
чувствительные компоненты и подложка могут быть изготовлены из одного
пьезоэлектрического материала.
_________________________________________________________________________________________
К. А. Строганов
Сенсор на основе МЭМС-ПАВ технологии
XXVII сессия РАО, Санкт-Петербург, 16-18 апреля 2014 г.
3
_________________________________________________________________________________________
ЧЭ выполняется на поверхности подложки пьезоматериала, с напыленными на нее
электродами, которые чаще всего образуют встречно-штырьевую структуру –
встречно-штырьевой преобразователь (ВШП), по форме напоминающую гребенку.
Рисунок электродов создается методом фотолитографии. Расстояние между
электродами одинаковой полярности задается равными длине акустической волны
(10 мкм и менее). ЧЭ может быть выполнен либо в виде резонатора, либо линии
задержки (ЛЗ) на ПАВ [5, 7].
Резонатор, представленный на рисунке 1а состоит из пьезоэлектрической подложки
(обозначено на рисунке – 1), на поверхности которой располагаются два акустических
отражателя (обозначено на рисунке – 2) с шагом  (  – длина акустической волны на
рабочей частоте), ограничивающих резонансную область. Между этими решетками
расположен ВШП, который служит для ввода и вывода электрической энергии в
резонатор. При подаче между двумя гребенками ВШП переменного электрического
напряжения частотой f из-за пьезоэффекта вблизи поверхности пьезоподложки
возникают периодически меняющиеся по знаку механические напряжения, приводящие
к возбуждению ПАВ Релея [1, 2]. Эффективность такого преобразования электрической
энергии в акустическую волну максимальна в том случае, если время распространения
ПАВ на расстоянии, равное одному периоду ВШП, равно одному периоду
возбуждающего электрического напряжения. Эта частота называется частотой
акустического синхронизма (синхронной):
fС 
v
,
(1)

где, v  скорость распространения ПАВ в приповерхностном слое толщиной
порядка  .
а
б
Рис. 1. ЧЭ на ПАВ, а – резонатор на ПАВ, б – ЛЗ на ПАВ.
1 – подложка пьезоматериала; 2 – отражающая структура; 3 – встречно-штыревой
преобразователь
На рисунке 2 и 3 приведены типичные АЧХ ЧЭ на ПАВ на основе резонатора и ЛЗ.
_________________________________________________________________________________________
К. А. Строганов
Сенсор на основе МЭМС-ПАВ технологии
XXVII сессия РАО, Санкт-Петербург, 16-18 апреля 2014 г.
4
_________________________________________________________________________________________
Рис. 2 – Типичная характеристика проводимости резонатора серии РК601
Рис. 3. Типичные амплитудно-частотные характеристики линий задержки.
а - АЧХ узкополосной ЛЗ, б - АЧХ широкополосной ЛЗ с преобразователями
дисперсионного типа.
Собственные частоты резонаторов определяются расстоянием между отражателями,
их дисперсионными свойствами и скоростью распространения ПАВ. Резонансную
частоту невозмущенного резонатора f 0 можно найти из соотношения:
f0 
VПАВ
,
2  d0
(2)
где VПАВ  невозмущённое значение фазовой скорости ПАВ, d0 –расстояние между
соседними электродами.
_________________________________________________________________________________________
К. А. Строганов
Сенсор на основе МЭМС-ПАВ технологии
XXVII сессия РАО, Санкт-Петербург, 16-18 апреля 2014 г.
5
_________________________________________________________________________________________
Линия задержки, представленная на рисунке 2б включает в себя два ВШП
(обозначено на рисунке – 3) расположенных друг относительно друга на расстоянии L,
акустическая волна от первого преобразователя со скоростью v проходит путь по
пьезоподложке ко второму преобразователю, затрачивая на это время tз = L/v.
В основном применяются простейшие ЛЗ на плоских подложках с прямолинейным
распространением ПАВ и однородными преобразователями. Под однородным
преобразователем понимается преобразователь с постоянным периодом и перекрытием
соседних электродов. Исходя из ограничений на размеры подложек, на скорости ПАВ и
размеры ВШП, можно найти, что на простых подложках из пьезокварца и других
пьезокристаллов можно реализовать ЛЗ с временами задержки в пределах от 1 до
100 мкс, ЛЗ ПАВ можно реализовать с использованием не пьезоэлектрических
подложек (стекло, металлы, керамика и т.д.), возбуждая в них ПАВ пленочными
пьезопреобразователями.
2. НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКИЙ ЗАДЕЛ
Данная работа основана на выполненных ранее ряда работ, проведенных в
ОАО «Авангард» в рамках ГОЗ в 2010 г. ОКР «Полувал-Б», и ОКР по разработке
акселерометров для навигационных систем в рамках Союзного государства РоссияБеларусь ОКР «Микросистемотехника». В рамках первой работы разрабатывались
акустоэлектронный преобразователь линейного ускорения консольного типа на ПАВрезонаторе трех типономиналов, были изготовлены образцы, основные параметры
которых представлены в таблице 1 [4-7]. В рамках второй работы разрабатывался
микромеханический акселерометр на основе МЭМС технологии [8].
Таблица 1. Параметры акустоэлектронных преобразователей
Наименование параметра,
единица измерения
Типоряды
Буквенное
обозначение
АПЛУ 25
АПЛУ 50
АПЛУ 100
Диапазон преобразований, g
dg
±25
±50
±100
Порог чувствительности, g
εg
0,3
0,6
0,9
ε
5
5
5
f
50
75
100
Uпит
5
5
5
Нелинейность передаточной
характеристики, не хуже, %
Частотный диапазон преобразования, Гц
Напряжение питания, В
Амплитуда выходного сигUвых
1
1
1
нала, не более, В
Ниже представлены фотографии разработанных устройств и конструкции
чувствительных элементов. В 1-м случае (рисунки 4-6) - консоль с ПАВ резонатором
специальной формы, включенного в цепь обратной связи генератора, выходной сигнал
- частота. Во 2-м случае (рисунки 7-8) маятниковая конструкция, изготовленная из
кремния и плата обработки сигнала внутри корпуса. В данном случае переменным
является конденсатор, который под воздействием ускорения меняет свою емкость.
_________________________________________________________________________________________
К. А. Строганов
Сенсор на основе МЭМС-ПАВ технологии
XXVII сессия РАО, Санкт-Петербург, 16-18 апреля 2014 г.
6
_________________________________________________________________________________________
Рис. 4. Фото макета АПЛУ
Рис. 5. Модель чувствительного элемента на ПАВ
_________________________________________________________________________________________
К. А. Строганов
Сенсор на основе МЭМС-ПАВ технологии
XXVII сессия РАО, Санкт-Петербург, 16-18 апреля 2014 г.
7
_________________________________________________________________________________________
Рис. 6. Градуировочная характеристика макетного образца для ускорения ±25g,
чувствительность 3 кГц/g
Рис. 7. Пылевлагозащищённый корпус, в котором находятся МЭМС чувствительный
элемент (маятниковая конструкция, изготовленная из кремния) и плата обработки
сигнала
_________________________________________________________________________________________
К. А. Строганов
Сенсор на основе МЭМС-ПАВ технологии
XXVII сессия РАО, Санкт-Петербург, 16-18 апреля 2014 г.
8
_________________________________________________________________________________________
Рис. 8. Модель чувствительного элемента ММА
3. ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ СЕНСОРА НА ОСНОВЕ МЭМС-ПАВ ТЕХНОЛОГИИ
В данной работе предлагается использовать интегрированную технологию
микромеханики и акустоэлектроники для разработки МЭМС-ПАВ акселерометра (Рис.
9). ЧЭ акселерометра, изготовленного по интегрированной технологии, представляет
собой кремниевую подложку на которой с помощью МЭМС технологии выполнена
кремниевая консоль специальной формы, обеспечивающей равномерное распределение
механической деформации и
инерционная масса. Пьезоэлектрическая пленка,
нанесенная на кремниевую консоль делает возможной разработку акустоэлектронного
резонатора на ПАВ. Принцип работы ЧЭ основан на изменении резонансной частоты
резонатора за счет изгиба консоли, происходящего при воздействии ускорения вдоль
оси чувствительности. Опрос датчика осуществляется с помощью стороннего
считывающего устройства путем передачи зондирующего радиоимпульса и приема
отклика. Зондирующий сигнал принимается планарной антенной, преобразуется с
помощью встречно-штыревых преобразователей за счет явления обратного
пьезоэффекта в упругую поверхностную акустическую волну. Решетки отражателей
образуют резонансную полость.
_________________________________________________________________________________________
К. А. Строганов
Сенсор на основе МЭМС-ПАВ технологии
XXVII сессия РАО, Санкт-Петербург, 16-18 апреля 2014 г.
9
_________________________________________________________________________________________
Рис. 9. Чувствительный элемент МЭМС-ПАВ сенсора
Для определения оптимальных конструктивных вариантов исполнения
чувствительных элементов, для расчета механических элементов и структуры ПАВ
резонатора используется математическое моделирование методом конечных элементов.
В предыдущих разработках акустоэлектронных акселерометров основным
конструкционным материалом был кварц. Кремний по своим упругим свойствам во
многом выигрывает у кварца, но возникает проблема – кремний не обладает
пьезоэлектрическими свойствами. Применение пьезоэлектрической пленки ZnO на
кремнии позволяет решить эту проблему. Кроме того, структура пленка ZnO/кремний
позволяет построить ПАВ резонаторы на частоты до 3 ГГц без применения
субмикронной литографии. За счет повышения рабочей частоты повышается
чувствительность датчика, и уменьшаются его размеры. А разница между
коэффициентами температурного расширения подслоя SiO2 и кремниевой подложки
существенно решают проблему термостабилизации резонатора.
На рисунке 10 приведен принцип съема информационного сигнала.
_________________________________________________________________________________________
К. А. Строганов
Сенсор на основе МЭМС-ПАВ технологии
XXVII сессия РАО, Санкт-Петербург, 16-18 апреля 2014 г.
10
_________________________________________________________________________________________
Рис. 10. Съем информационного сигнала МЭМС-ПАВ сенсора
Анализ характеристик МЭМС-ПАВ акселерометра по сравнению с аналогами
показывает, что такой сенсор будет конкурентно способен, а по некоторым параметрам
даже превосходит своих конкурентов.
Основные преимущества беспроводного МЭМС-ПАВ акселерометра следующие:
• Высокая чувствительность;
• Малые размеры (до 10 мм);
• Не требует источника питания;
• Съем информации по радиоканалу;
• Простая технология изготовления;
• Не высокая стоимость производства датчика.
На данный момент проводятся теоретические и экспериментальные исследования
возможности разработки чувствительного элемента акселерометра на различные
диапазоны ускорений на основе интегрированной технологии микромеханики и
акустоэлектроники. Изготовлены резонаторы на структуре «пленка ZnO/кремниевая
подложка». Акустические и пьезоэлектрические свойства чувствительных элементов,
влияние внешних воздействующих факторов (температуры, давления, влажности,
агрессивных сред) исследуются методом измерений характеристик с использованием
векторного анализатора цепей.
4. ПРИМЕНЕНИЕ
Сенсоры, в т.ч. акселерометры на основе интегрированной технологии
микромеханики и акустоэлектроники решают проблему получения интересующей
информации от объектов, где условия не позволяют использование других типов
датчиков, передача информации в которых осуществляется по проводным или
оптоволоконным линиям,
где нет возможности использования источников
электропитания. Например, динамически подвижные объекты или объекты,
_________________________________________________________________________________________
К. А. Строганов
Сенсор на основе МЭМС-ПАВ технологии
XXVII сессия РАО, Санкт-Петербург, 16-18 апреля 2014 г.
11
_________________________________________________________________________________________
находящихся в неблагоприятных для оператора условиях (токсичная атмосфера,
радиационное или химическое заражение и т.п.).
Акселерометры на основе МЭМС-ПАВ технологии планируется применять в
автомобильной промышленности, в навигации, для мониторинга зданий и сооружений
в труднодоступных местах. Также акселерометр может найти применение в авиации, в
беспилотных летательных аппаратах.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Совмещение таких преимуществ ПАВ и МЭМС, как высокая надежность, отсутствие
энергопотребления, простая технология изготовления совместимая с производством ИС
и, как следствие - невысокая стоимость производства, возможность использования
корпусов для автоматизированного поверхностного монтажа, возможность выполнения
различных операций обработки сигналов, реализация заданных технических
характеристик с высокой точностью – все это обеспечивают широкое применение и
массовую потребность в этих устройствах на рынке. Каждый год выходит множество
публикации как по тематике МЭМС, так и публикации, связанные с ПАВ технологией.
Интерес как к МЭМС, так и к ПАВ устройствам не исчезает.
На основании того, что технология приборов ПАВ в значительной степени
базируется на прогрессивных приемах, применяемых при производстве изделий
микроэлектроники с использованием процессов фотолитографии, групповых процессов
планарной обработки подложек и т. п. можно с уверенностью сказать, что синтез
технологий акустоэлектроники и МЭМС будет перспективен. Это создает предпосылки
для возможности разработки и производства высококачественных датчиков на основе
ПАВ с использованием МЭМС технологии.
Применение ЧЭ на ПАВ с элементами технологии МЭМС в системах, построенных
на их основе, позволит существенно расширить функциональные возможности таких
систем, повысить их основные тактико-технические характеристики, гарантированно
обеспечить требуемый уровень надежности и стойкости к воздействию внешних
возмущающих факторов.
ЛИТЕРАТУРА
1. Дмитриев В. Ф. Устройства интегральной электроники: Акустоэлектроника.
Основы теории расчета и проектирования: Учеб. пособие / ГУАП.- СПб.,2006. – 169
с.
2. Морган Д. Устройства обработки сигналов на поверхностных акустиче¬ских
волнах: Пер. с англ.— М.: Радио и связь, 1990. – 416 с.
3. Строганов К.А. Preliminary program and abstracts of XIV International Conference for
Young Researchers "Wave Electronics and its Applications in the Information and
Telecommunication Systems", Saint-Petersburg, Russia, 2011, p. 29;
4. Калинин В. А., Пащенко В. П., Строганов К. А. Преобразователь линейного
ускорения консольного типа для эксплуатации в специальных условиях // Журнал
«Вопросы радиоэлектроники» Серия общетехническая (ОТ), Москва, 2012 год
выпуск 1, с. 131-141.
_________________________________________________________________________________________
К. А. Строганов
Сенсор на основе МЭМС-ПАВ технологии
XXVII сессия РАО, Санкт-Петербург, 16-18 апреля 2014 г.
12
_________________________________________________________________________________________
5. Рыжиков М.Н., Строганов К.А., Шимко А.Ю. Моделирование преобразователя
линейного ускорения консольного типа на ПАВ-резонаторе // Сборник научных
трудов аспирантов, соискателей и студентов магистерской подготовки ОАО
«Авангард», 2010 г., с. 78-88;
6. Строганов К.А. Датчики линейного ускорения и сопоставление их с
акселерометрами на ПАВ // Сборник докладов II научно-технической конференции
по радиоэлектронике для молодых специалистов в ОАО «Авангард», 2009 г;
7. Рыжиков М. Н., Строганов К. А., Шимко А. Ю. Математическое и физическое
моделирование преобразователя линейного ускорения консольного типа на ПАВрезонаторе. Сборник докладов XXIX всероссийской научно-практической
конференции молодых ученых и специалистов "Датчики и системы-2010",
посвященной 50-летию НИИФИ г. Пенза 30-31 марта 2010 г.
8. Тимошенков С.П., Калугин В.В., Кочурина Е.С., Анчутин С.А., Калинин В.А.,
Строганов К.А. Микроакселерометры на различные диапазоны измерения линейных
ускорений для систем инерциальной навигации // Журнал «Нано- и микросистемная
техника», Москва, 2012 год №8, с. 32-35
_________________________________________________________________________________________
К. А. Строганов
Сенсор на основе МЭМС-ПАВ технологии
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа