Туннельные и эмиссионные акселерометры на основе микроэлектромеханических систем

• Автор: Вопилкин, Евгений Александрович
• Шифр специальности: 05.27.01
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2012
• Место защиты: Нижний Новгород
• Количество страниц: 122 с. : ил.

Содержание
Введение

Глава 1. Микроэлектромеханические системы для датчиков физических величин

обзор литературы

1.1. Введение

1.2. Технология МЭМС

1.3. МЭМС двигатели

1.4. Модель акселерометра

1.5. Виды акселерометров

1.6. Туннельный МЭМС сенсор

Глава 2. Датчики туннельноэмиссионных акселерометров

2.1. Введение
2.2. Обсуждение конструкции и оптимальной геометрии электродов эмиссионного акселерометра
2.3. Экспериментальные исследования эмиссионного акселерометра
2.4. Выводы
Глава 3. Изготовление и исследование микроконсолей для применений в МЭМС датчиках физических величин
3.1. Введение
3.2. Изготовление микроконсолей на основе материалов с различным кристаллическим совершенством
3.3. Изучение механических свойств микроконсолсй с помощью атомносилового микроскопа
3.4. Обращение изгиба микроконсоли при введении дополнительных упругонапряженных слоев
3.5. Изгиб микроконсолей при изменении температуры
3.6. Исследование электромеханических свойств МЭМС с электростатическим управлением
3.7. Выводы Глава 4. Анизотропный ньезоэффект в микроэлектромеханических системах
на основе эпитаксиальных гетерострукгур ОаАзМЗАБ и .5.5
4.1. Введение
4.2. Пьезоэффект в кристалле СаА51
4.3. Формирование пьезоэлекгрических микроконсолей для МЭМС
4.4. Исследование статических и динамических смещений консолей
4.5. Выводы
Глава 5. Микроэлектромеханический туннельный датчик для акселерометра
5.1. Введение
5.2. Изготовление МЭМС структуры с туннельным зазором
5.3. Исследование характера токонереноса через зазор в МЭМС на основе структуры кремний на изоляторе
5.4. Исследование элекгромеханических свойств МЭМС с туннельным зазором
5.5. Выводы
Приложение 1. Технология критического высушивания
Приложение 2. Методика измерения разрешения акселерометра
Заключение
Список цитированной литературы


Направление изгиба микроконсолей зависит от их ориентации на плоскости СаА$(1). Максимальное статическое смещение достигает нм при частоте низшей резонансной моды около 0 кГц. Геометрия квазиплоских электродов обеспечивает максимальную чувствительность эмиссионного датчика смещения. Изгибом микроконсолей, изготовленных из монокристаллических и поликристаллических материалов, можно управлять путём магнетронного напыления на их поверхность металлических плёнок с различными внутренними упругими напряжениями. Напыление Та изгибает микроконсоль вниз, а Сг - вверх. Напыление N1 оказывает минимальное воздействие. На основе эпитаксиальных структур ОаАз и АЮаАв возможно создание МЭМС биморфного пьезодвигателя. Величина максимального смещения такого двигателя определяется электрическим нолем пробоя материала. Микроконсоли, ориентированные вдоль ортогональных осей [0] и [ПО], смещаются в противоположные стороны, что увеличивает величину их взаимного относительного перемещения в 2 раза. Возможно создание датчика смещений на основе МЭМС с нанометровым зазором между электродами, обеспечивающим протекание туннельного/эмиссионного тока, при сохранении заметной подвижности электродов относительно друг друга без применения активной системы поддержания величины туннельного/эмиссионного зазора. Technologies. ИФМ РАН. По теме диссертации имеется работ, из них статей в отечественных и зарубежных реферируемых журналах и сборниках, один патент на изобретение и 3 тезиса в сборниках докладов и трудов конференций. Диссертант принимал участие в постановке и решении задач, проведении измерений, обработке и обсуждении полученных результатов, а также в комплексном анализе влияния технологических факторов на всех стадиях формирования структур для оптимизации процессов с целью достижения их наилучших характеристик. В работах [А1,А2,А6-А] вклад автора является определяющим с точки зрения изготовления объекта исследования, построения измерительных систем, проведения измерений, в работах [АЗ-А5, АП-А ] -равноценным. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, приложения и списка литературы, включающего в себя список цитированной литерагуры и список работ автора по теме диссертации. В начале каждой главы дается краткий обзор состояния соответствующих исследований. Ро введении к диссертации обоснована актуальность темы исследований, показана ее научная значимость, сформулированы цели работы, представлены сведения о структуре и содержании работы, а так же приведены положения, выносимые на защиту. В первой главе описаны принципы работы и устройства акселерометров. Представлен обзор работ, демонстрирующих широкие возможности МЭМС технологии в создании высокочувствительных первичных датчиков физических величин. Вторая глава посвящена проблеме создания и исследования высокочувствительных туннельных и эмиссионных акселеромегров. Разработан и создан макет миниатюрного акселерометра, способного работать как в режиме туннельного тока, так и в режиме тока холодной эмиссии электронов в вакуум. Проведены теоретические расчёты оптимальной формы электродов для эмиссионного акселерометра. Показано, что оптимальной геометрией, для реализации максимальной чувствительности эмиссионного тока к смещению, является геометрия плоского конденсатора, обеспечивающая экспоненциальную зависимость тока от расстояния между электродами. Предложенная квазиплоская геометрия электродов реализована путём сближения двух скрещенных гладких металлизированных цилиндров на расстояние много меньше их радиуса. В качестве цилиндров выбраны стеклянные оптические волокна диаметром 0 мкм. Поведены измерения разрешающей способности акселерометра от частоты в туннельном и эмиссионном режиме. Показано, что на частотах до 6 кГц в туннельном режиме датчик имеет разрешение не хуже чем 0 мк^Гц1" и в режиме тока холодной эмиссии не хуже чем 1 м^Гц1,2. Экспериментально показано, что такой датчик может работать в эмиссионном режиме без обратной связи. Расстояние между электродами при этом сохраняется неограниченно долго.