сРТ

j2 ST

Ux~ h Rt

(1.70)

где kp - теплопроводность поликремния, Т - рабочая температура, Ts - температура подложки, J - плотность тока, р - удельное сопротивление поликремния, S - коэффициент формы, Rt - термосопротивление между поликремниевой балкой и подложкой, а /г - толщина балки.

Термочувствительный элемент преобразователя может быть выполнен из различных материалов: металлических тонких пленок из Cr/Au, NiFe, Al; поликремния; монокристаллического кремния с п-или р-областями (Elwenspoek et al, 1989). Это устройство может также использоваться и в качестве детектора, для чего применяется пьезорезистивность поликремния.

1.4.8, Сравнение электромеханических преобразователей

В таблице 1.4 приведены некоторые сравнительные характеристики электромеханических преобразователей. Благодаря своей простоте наибольшее распространение в микросистемах получили электростатические преобразователи. Достоинством таких преобразователей является то, что в них управляющим сигналом является напряжение, легко регулируемое электрическим способом. Но они предъявляют высокие требования к условиям окружающей среды, поскольку существующие в них электростатические поля притягивают пыль,. что может пагубно сказаться на работе самого устройства, а также на связанных с ним КМОП-схемах. Электромагнитные и электродинамические преобразователи основаны на эффекте Лоуренца. Токопроводящая катушка в одном случае является стационарной, а в другом - подвижной. Такие преобразователи лучше всего подходят для случаев больших токов и больших напряжений. Они мало чувствительны к влажности и пыли, но имеют большую рассеиваемую мощность.

Характеристики преобразователей, основанных на пьезоэлектричестве, магнитострикции и электрострикции, сильно зависят от величины механических деформаций, возникающих в материалах под действием электрических или магнитных полей. Самая большая деформация достигается в электрострикционных преобразователях, тогда как максимальная сила генерируется в магнитострикционных приводах. И в электрострикционных, и в пьезоэлектрических материалах механическая деформация возникает под действием электрических полей, но в первом случае зависимость между силой и напряженностью приложенного поля является квадратичной, а во втором - линейной.

Таблица 1.4. Сравнение электромеханических преобразователей

Большинство электромеханических преобразователей являются нелинейными, поэтому и их передаточные функции - соотношения между электрическими параметрами (напряжением или током) и механическими величинами (силой и перемещением) - также являются нелинейными. Эта нелинейность вносит искажения в фильтруемый сигнал и может явиться причиной снижения точности. Для преодоления этой проблемы надо ограничить изменения сигнала очень малыми величинами около уровня постоянного напряжения. При таком подходе также обеспечивается линейность системы, поскольку отклик на такие небольшие изменения сигнала будет всегда линейным.

дит к неодинаковому нагреву двух плечей, и, следовательно, к их разному расширению. На основе геометрических размеров такой конструкции была построена ее эквивалентная модель (рис. 1.16 6). На рис. 1.16 в показано поперечное сечение рассматриваемого преобразователя, откуда виден состав используемых в нем материалов.

Эквивалентную модель можно описать дифференциальным уравнением второго порядка (Huang, Lee, 1999):

(70 Глава!. Микросистемы

1.5. Чувствительные элементы для микросистем

Для различных применений в микросистемах было разработано много типов микродатчиков и микроприводов. В этом разделе рассматриваются некоторые из наиболее распространенных принципов действия датчиков и приводов. Многие микродатчики основаны на сенсорных принципах, разработанных специально для микросистем (Fatikow, Rembold, 1997, Rai-Choudhury, 1997). Речь идет о химических, газовых, оптических, механических датчиках и о биосенсорах. Далее будут рассмотрены основные сенсорные механизмы, используемые в механических микродатчиках.

1.5.1. Пьезорезистивные чувствительные элементы

Основными компонентами пьезорезистивных элементов являются резисторы, меняющие свое сопротивление под действием внешнего давления. Пьезорезисторы используются для измерения таких физических параметров, как давление, сила, скорость потока. Также пьезорезистивные датчики могут использоваться как акселерометры.

Типичная структура пьезорезистивного микродатчика показана на рис. 1.17. Резисторы обычно крепятся на кремниевой диафрагме. Отклонение диафрагмы ведет к изменению геометрических размеров резисторов, в результате чего меняется их сопротивление.

В этом и заключается пьезорези-стивный эффект в кремнии:

пьезорезиетор

диафрагаа

Рис. 1.17. Структура пьезорези- где AR - изменение сопротивле-стивного датчика - исходное сопротивление,

V - коэффициент Пуассона, Al - изменение длины резистора, I - начальная длина резистора, Др - изменение удельного сопротивления резистора, р - начальное удельное сопротивление резистора. Для пьезорезистивных микродатчиков этого типа используют резисторы, сопротивление которых пропорционально внешнему давлению. В этом случае изменением удельного сопротивления пренебрегают, поскольку изменения геометрических размеров будет пропорционально приложенному давлению.

Другой тип пьезорезистивных микродатчиков показан на рис. 1.18. В таких датчиках фольга из полупроводникового полимера накладывается на электроды встречно-штыревого преобразователя. Если

1.5. Чувствительные элементы для микросистем

на электроды подано напряжение при отсутствии давления, сопротивление преобразователя составляет порядка мега ом. Под действием внешней силы по полимерной фольге течет ток, т. е. возникает параллельная цепь, что приводит к уменьшению сопротивления всего датчика (Witte, Gu, 1992). В этом случае сопротивление чувствительного элемента является обратно пропорциональным приложенному давлению.

фольга из

полупроводникового полимера

электроды встречно-штыревого преобразователя (ВШП)

Рис. 1.18. Пьезорезистивный чувствительный элемент, построенный на основе встречно-штыревого преобразователя и полупроводниковой полимерной фольги. Репродукция из книги М. Witte, Н. Gu, 1992, Рогсе and position sensing resistors: an emerging technology*, Proceedings of the International Conference on New Actuators, Bremen, 1992, VDI/VDE-Technologiezentrum Informationstech-nik, Berlin, Germany, 168-170, с разрешения VDI/VDE-Technologiezentrum Informationstechnik, Berlin

Рабочие характеристики пьезорезистивных микродатчиков зависят от температуры и давления. Чем выше температура, тем выше чувствительность датчиков. Любое остаточное напряжение, возникающее в датчике в процессе его изготовления, также оказывает влияние на его чувствительность. Пьезорезистивный датчик первого типа при высоких давлениях, когда деформация его диафрагмы превышает 10% ее толщины, становится нелинейным.

1.5.2. Емкостные чувствительные элементы

В емкостных чувствительных элементах деформация диафрагмы под действием давления, силы и т. д. приводит к изменению емкости, что, в cBoip очередь, вызывает изменение соответствующего электрического сигнала: частоты, вре- Электрод мени, заряда, напряжения. Структура типового емкостного микродатчика показана на рис. 1.19. В нем чувствительный конденсатор состоит из двух электродов,

один из которых расположен на Рис. 1.19. Структура емкостного гибкой диафрагме, а другой - на

датчика

Глава 1. Микросистемы

подложке. Такие датчики могут применяться для определения давления, силы, ускорения, скорости потока, перемещения, положения, ориентации и т.д.

В емкостных микродатчиках изменение емкости не является линейным по отношению к деформации диафрагмы. При определении малых значений емкости (порядка 1-3 пФ) необходимо размещать измерительную цепь на том же самом кристалле. По сравнению с пьезорезистивными чувствительными элементами, емкостные датчики обладают более высокой чувствительностью, большей стабильностью, но меньшим диапазоном измеряемых давлений (Rai-Choudhury, 1997)

1.5.3. Пьезоэлектрические чувствительные элементы

Эта группа датчиков основана на пьезоэлектрическом эффекте пье-зоматериалов. Когда внешняя сила действует на пьезоэлектрическую пленку, на ее поверхности возникает электрический заряд. На электродах, расположенных на пьезоэлектрическом диске толщиной t (рис. 1.20), при создании на нем механического давления Г возникает электрическое напряжение V:

V = gtT,

(1.72)

пьезоэлектрический диск

где д' - пьезоэлектрический электрод коэффициент напряжения. Пьезоэлектрические чувствительные элементы нашли широкое применение в датчиках давления и силы, в акселерометрах Рис. 1.20. Пьезоэлектрический чувстви- и спидометрах, в гидрофонах

тельный элемент .

и микрофонах.

1.5.4. Резонансные чувствительные элементы

Принцип действия резонансных чувствительных элементов станет понятным, если вспомнить эффект изменения собственной частоты струны под действием сил растяжения. В резонансных датчиках напряжение, возникающее в диафрагме из-за действия на нее внешнего давления, приводит к изменению собственной частоты резонатора. По этим вариациям собственной частоты можно судить о прикладываемом давлении.

1.5. Чувствительные элементы для микросистем

Собственная резонансная частота гибкого резонатора, закрепленного с обоих концов, определяется следующим выражением (Ike-da et al, 1990):

4.732/г f Е

2ж сР I 12р

1 + 0.2366 f ~

(1.73)

где / - собственная частота колебаний основной волны, I - длина резонатора, h - толщина резонатора, Е - модуль Юнга, р - плотность материала диафрагмы и е - деформация, возникающая в резонаторе. В резонансном датчике резонатор ведет себя как чувствительный элемент внутренних напряжений, связывающий полученную деформацию с резонансной частотой. Если ввести коэффициент тензочувствительности fcg/, определенный следующим обра-

бухяцмшедливо вкражение

1 + 0.2366 (fie

= kgfS.

si lit

(1.75)

В резонансном датчике длиной 1.2 мм, шириной 20 мкм и толщиной 5 мкм при деформации, равной 100 ррт, коэффициент тензочувствительности может быть порядка 3000, тогда как в пьезоре-зистивных элементах значение этого коэффициента близко к 2. На основе резонансных элементов можно разрабатывать очень чувствительные микродатчики, поскольку они обладают высоким коэффициентом тензочувствительности, который, фактически, определяет чувствител]ьность самого датчика. Однако технология изготовления резонансных датчиков, как правило, намного сложнее, чем пье-зорезистивных, к тому же резонансные тензодатчики необходимо герметизировать для защиты от влаги (Harada et al, 1999).

1.5.5. Чувствительные элементы на

поверхностных акустических волнах (ПАВ)

Чувствительные элементы на ПАВ являются важными представителями современных датчиков. Эта группа датчиков в последние