Виды изделий микросистемной техники

Микросистемная техника (МСТ) – это научно-техническое направление, целью которого является создание в ограниченном объеме твердого тела или на его поверхности микросистем, представляющих собой упорядоченные композиции областей с заданным составом, структурой и геометрией. Статическая или динамическая совокупность таких композиций обеспечивает реализацию процессов генерации, преобразования, передачи энергии и движения в интеграции с процессами восприятия, обработки, трансляции и хранения информации при выполнении запрограммированных операций и действий в требуемых условиях эксплуатации. Выполнение операций производится с заданными функциональными, энергетическими, временными и надежностными показателями.

В настоящее время отсутствует устоявшаяся классификация видов МСТ в

связи со стремительным развитием этого научно-технического направления и

наличием разработок, основанных на использовании комбинаций физических

принципов и функций. Основываясь на сложившихся направлениях разработок МСТ и выделяя основной физический принцип действия

микросистем, можно привести следующую структуру направлений разработок и соответствующие им классы микросистем (рис. 4.60).

Специфическими отличительными особенностями МСТ являются следующие конструктивно-технологические характеристики:

- низкая материало- и энергоемкость;

- активное использование третьего измерения;

- интеграция электрических и оптических связей с механическими;

- интеграция физико-химических и технологических базисов;

- интеграция исполнительно-технологических и контрольно-диагностических процедур в микрообъемах и на поверхности твердого тела;

- использование интегрально-групповых принципов производства;

- высокая надежность и повторяемость характеристик;

- высокая мобильность, производительность, оперативность и т. п.;

- высокая управляемость на основе интеграции схем управления, обработки, преобразования и самодиагностики;

- широкое использование традиционных поверхностных, объемных, корпускулярно-лучевых процессов.

Отмеченные характеристики дают наибольшую эффективность в аэрокосмической технике, в связи с тем, что средства МСТ позволяют значительно уменьшить габариты и массу аэрокосмических объектов, снизить энергопотребление, повысить надежность и т. д. Состав двух комплексов космических систем, построенных на базе средств МСТ, приведен на рис. 4.61.

Конструктивно-технологические особенности различных видов МСТ, приведенных на рис. 4.60 рассмотрим с использованием публикаций [1-3мст].

Электромеханотроника. Данное направление включает в себя разработки в широкой области электромеханических систем, в которых гальванические связи находятся в тесном взаимодействии с механическими, в результате

чего создаются МСТ в виде микроэлектромеханических приборов (датчиков

давления, акселерометров, микродвигателей, микрогироскопов, мини- и микророботов и др.) .

Примеры микромеханических элементов конструкций и микроэлектро-механических устройств приведены на рис. 4.62.

Микроэлектромеханические системы (МЭМС) являются сложными многослойными конструкциями, состоящими из полупроводниковых, диэлектрических и проводящих слоев. Кремний, как самый популярный полупроводниковый материал, имеет массу достоинств и неоспоримые преимущества перед многими другими материалами, используемыми для изготовления на их основе микромеханических устройств.

В кремниевых соплах для струйных принтеров (рис. 4.62,а) размер отверстия составляет 20 мкм, причем на одной кремниевой пластине получают одновременно до 300...500 таких сопел, что способствует снижению разброса размеров отверстий.

Пьезорезистивный датчик давления (рис.4.62 ,б) размером 3х3 мм и толщиной 0,4 мм имеет упругую диафрагму с размерами 1х1 мм и толщиной в пределах 10...20 мкм. Размещенные по краям мембраны диффузионные пьезорезисторы соединены в мостовую схему. При приложении давления мембрана изгибается, на ее внешней поверхности возникают напряжения, вследствие чего меняются сопротивление тензорезисторов и выходное напряжение мостовой схемы. Чувствительность и точность такого датчика соответствуют лучшим образцам подобных приборов при гораздо меньших (примерно на порядок) размерах. Это позволяет использовать их в аэрокосмической промышленности, автомобилях, медицине.

Кремниевый акселерометр (рис. 4.62 , в) по размерам сопоставим с датчиком давления, однако у него вместо мембраны используется упругая кремниевая балка толщиной 10...20 мкм. На свободном конце балки размещена инерционная масса, а в месте соединения балки с основанием выполнены тензорезисторы. По своему классу и областям применения акселерометр аналогичен кремниевому датчику давления.

В емкостном датчике давления (рис. 4.62 , г) упругая диафрагма используется как подвижная обкладка плоского конденсатора, перемещающаяся при приложении давления. Неподвижная обкладка конденсатора обычно формируется в виде тонкой металлической пленки, напыленной на изолирующую стеклянную пластину. Под действием давления В изменяется емкость датчика. Толщина упругой мембраны лежит в диапазоне от одного до нескольких

микрометров. Площадь составляет несколько квадратных миллиметров.

Приведенные примеры не исчерпывают номенклатуру изделий микромеханики. Кремниевые детали используются в качестве чувствительных элементов прецизионных роботов, термопечатающих головок, микромеханических модуляторов света, двигателей, гироскопов и целого ряда других устройств.

Общие требования для деталей изделий микромеханики:

• допуск на габаритный размер чувствительного элемента должен составлять 2...5 мкм; толщина - 5...20 мкм с допуском, не превышающим 10 " данного размера;

• толщина основания, исходя из соображений жесткости устройства, должна составлять не менее 0,4...0,5 мм, т.е. для получения упругого чувствительного элемента необходимо удалять до 95... 99 % толщины заготовки.

Микроколебательные системы, основанные на гироскопическом эффекте (акселерометры и гироскопы), имеют широкие перспективы применения в системах ориентации в пространстве.

Конструкции микрогироскопов, несмотря на общие принципы их построения, отличаются большим разнообразием. Наиболее сложную конструкцию имеют микрогироскопы, ориентированные на использование кремниевой технологии. Все они содержат несколько подвижных механических систем, которые могут колебаться во взаимно перпендикулярных плоскостях. Колебания в одной плоскости являются вынужденными. Наведенные колебания в другой плоскости появляются тогда, когда микрогироскоп поворачивается.

К достоинствам микрогироскопов колебательного типа можно отнести:

- габаритные размеры микромеханической колебательной системы 5 – 10 мм (и менее) при точности изготовления 1 – 2 мкм;

- возможность совместного изготовления микромеханической части гироскопа и электронной схемы обработки сигналов в едином технологическом цикле;

- достаточно высокую точность определения угловых скоростей и ускорений; случайная составляющая собственного ухода гироскопа может составлять до 1 угл. град/ч. Максимальная измеряемая угловая скорость 200 угл. град/с при погрешности измерения 0,05%.

Конструктивные схемы микрогироскопов приведены на рис. 4.63.

Конструкции микрогироскопов, несмотря на общие принципы их построения, отличаются большим разнообразием. Наиболее сложную конструкцию имеют микрогироскопы, ориентированные на использование кремниевой технологии.

Конструктивная схема микрогироскопа, приведенная на рис. 4.63,a образована соединением двух маятников, конструктивно выполненных в виде внешнего 1 и внутреннего 2 плоских элементов, соединенных между собой и с основанием при помощи торсионов 3 и 4, оси которых перпендикулярны друг другу. Для увеличения кинетического момента на внутреннем элементе расположена дополнительная масса 5. С помощью электростатических датчиков силы наружному элементу 1 сообщаются угловые колебания относительно оси Y. Эти

колебания через торсионы 3 передаются и на внутренний элемент, сообщая ему колебательный кинетический момент. При вращении прибора относительно оси X возникают силы Кориолиса, которые заставляют колебаться внутренний элемент относительно оси X. Амплитуда этих колебаний, измеряемая расположенным под внутренним элементом емкостным преобразователем, будет пропорциональна измеряемой угловой скорости.

Планарная конструкция микрогироскопа с двумя чувствительными массами приведена на рис. 4.63,б. Здесь основу конструкции составляют две чувствительные массы 1, подвешенные на растяжках 2 в рамке 3. В свою очередь, рамка укреплена на корпусе прибора через торсионы 4. С помощью электростатических датчиков силы 5 гребенчатой структуры чувствительным массам сообщаются плоские противофазные колебания со скоростью V. При наличии измеряемой угловой скорости w рамка с чувствительными массами под действием разнонаправленных сил Кориолиса F₁ и F₂ начинает совершать колебания относительно корпуса. Как и в приборе первого типа, амплитуда колебаний измеряется с помощью емкостных датчиков перемещений, расположенных под чувствительными массами.

Характерным примером МЭМС являются планарные микродвигатели с бесконтактным (электростатические воздушные планарные двигатели) и контактным способом передачи энергии (пьезоэлектрические, электротепловые, электростатические диэлектрические и электростатические сегнетоэлектрические планарные двигатели).

Эффективные электромагнитные двигатели создаются на основе волоконной технологии путем формирования базовых элементов конструкции из стекловолоконного пакета, который утоньшается вытягиванием с последующим избирательным травлением стекла с образованием полостей. Полученные полости при формировании обмотки двигателя заполняются металлом или выполняют функцию полости для микроротора.

Важнейшей областью приложения микросистемной технологии являются микрожидкостные системы. Микрожидкостные системы (МЖС) предназначены для проведения различных химических и физических процессов с малыми объемами жидких реагентов. При этом типичные размеры элементов МЖС составляют от нескольких микрометров до нескольких миллиметров, а типичные потоки жидкости – от нескольких микролитров до десятков миллилитров в минуту. Среди основных изделий МЖС можно выделить микронасосы, клапаны, вспомогательные элементы (смесители, элементы ввода и вывода, теплообменники, датчики и др.). К достоинствам МЖС необходимо отнести способности работать с очень малыми объемами с высочайшей скоростью и точностью, контролировать температурный режим реакции и др. В иностранной литературе к таким системам относят также микроустройства, оперирующие с газами.

Особую актуальность для приборостроения имеют разработки в области создания микроэлектронных мультисенсорных устройств различного назначения. В основу этого направления положены принципы построения преобразователей различных физических величин в электрические сигналы, а также новые способы извлечения полезной информации из этих сигналов, базирующиеся на совместной интеллектуальной обработке всей совокупности сигналов, поступающих из мультисенсорной системы.

Микрооптоэлектроника- наиболее развитый, имеющий много направлений раздел электроники, основанный на использовании оптоэлектронных и электронно-оптических преобразований в создании миниатюрных устройств для хранения, передачи, приема и преобразования информации, которую несет световой поток.

Микроакустоэлектроника – использует колебания низких звуковых частот, упругих ультразвуковых колебаний в пьезодиэлектриках и пьезополупроводниках для создания миниатюрных частотоизбирательных устройств и устройств обработки сложных радиосигналов (фильтров, линий задержки, устройств корреляционной обработки сигнала).

Механотроника – направление, объединяющее микроэлектромеханику и микроэлектронику. В каждом мехатронном устройстве можно выделить три части: силовую (энергетическую) систему, осуществляющую механические перемещения, информационную систему и систему управления. Информационная система позволяет получать информацию о состоянии всех элементов энергетической системы и связывает их с системой управления. В функцию информационной системы входит преобразование информации (фильтрация, перевод из аналоговой формы в цифровую и т.п.). Управление мехатронным устройством осуществляется электронной микропроцессорной системой, реализованной на одном ЧИПе, путем воздействия на силовой электрический преобразователь и корректируется по сигналам датчиков. Для изготовления микромеханических компонентов и датчиков на основе кремния и кварца используются как традиционные методы полупроводниковой технологии: литография, химическое осаждение слоев из газовой фазы, эпитаксия (легирование, травление и др.), так и специальные методы: анизотропное жидкостное химическое и изотропное электрохимическое глубокое травление, анодное или электростатическое соединение кремния со стеклом и др. Преимущества микроэлектронной технологии позволяют уменьшить объем обработки информации в мехатронных устройствах и упростить сопряжение датчиков с электрическими цепями.

Микроэлектроника. Освоенная технология микропрофилирования монокристаллического кремния, совмещенная с технологией производства интегральных микросхем, дает широкие возможности для построения интегрированных на одном или нескольких полупроводниковых кристаллах многофункциональных устройств с применением также элементов микрооптики и интегральной оптики. Такие системы, имеющие унифицированные выходные сигналы, могут быть сопряжены с вычислительной техникой для сбора, обработки и накопления информации. Информационно-управляющие, измерительно-вычислительные и т.п. системы, сопряженные, например, посредством мультиплексных каналов с периферийной контрольно-измерительной аппаратурой, позволяют создавать функционально-законченные бортовые и наземные комплексы с новыми, более высокими эксплуатационно-техническими характеристиками.

Еще одним уровнем интеграции и соответственно уменьшения собственных массогабаритных характеристик является создание функционально-законченных электронных устройств (измерительных, управляющих и др.) в виде микросборок, изготовленных по принципу многоуровневых структур на основе кремниевых или других коммутационных плат.

Основные параметры некоторых конструктивов коммутационных плат и микросборок представлены в табл. 4.54.

Таблица 4.54

Основные параметры некоторых конструктивов коммутационных плат и микросборок

Микромагнитоэлектроника – это раздел электроники, основанный на использовании электрических , оптических и магнитных явлений в слабых ферромагнитах и феррополупроводниках с целью создания миниатюрных устройств для записи, хранения, перемещения дискретной информации (устройств памяти, устройств с оптической записью и считыванием – магнитных доменов, сдвигающих регистров и др.).

Микротермоэлектроника – это раздел электроники, основанный на использовании электротепловой аналогии для создания миниатюрных частотоизбирательных устройств, работающих на сверхнизких частотах, а также тепловых матриц для термопечатающих устройств и др.

Микрокриоэлектроника – раздел электроники, основанный на использовании явлений и эффектов в сверхпроводниках при температурах, близких к абсолютному нулю с целью создания миниатюрных устройств для хранения больших объемов информации.

Микрохимоэлектроника – раздел электроники, основанный на использовании ионов, как носителей информации, для создания малогабаритных источников напряжения большой мощности, запоминающих устройств на сверхнизких частотах, датчиков акустических и механических воздействий и др.
Микробиоэлектроника – раздел электроники, основанный на моделировании и применении явлений, свойств и процессов, присущих и происходящих в живой природе в отдельных организмах и органах.