Глава 1. Микросистемы

годы нашла широкое применение в различных областях науки и техники: от детектирования газов и паров до измерений напряжений (Campbell, 1998). Сравнительно недавно в литературе появилось сообщение о разработке приводов на ПАВ для микросистем (Campbell, 1998). Первоначально устройства на ПАВ использовались в радарах и системах связи в качестве фильтров и линий задержек, но в дальнейшем оказалось очень перспективным применять чувствительные элементы на ПАВ для определения ряда физических величин: силы, давления, электрических и магнитных полей, химических компонентов. Обычно устройства на ПАВ представляют собой пьезоэлектрическую подложку, на поверхности которой расположены встречно-штыревой преобразователь (ВШП) и рефлекторы. ВШП - главный элемент любых устройств на ПАВ. Его основной задачей является преобразование электрической энергии в механическую и наоборот с целью генерации и детектирования ПАВ. Вид акустических волн, возбуждаемых в пьезоэлектрическом материале, зависит, главным образом, от свойств самого материала, от среза кристалла и структуры электродов, используемых для преобразования электрической энергии в механическую. Были исследованы возможности применения в качестве датчиков различных типов акустических устройств, основанных на ПАВ Рэлея и на поперечных ПАВ с горизонтальной поляризацией (SH-ПАВ), на плоских акустических волнах и плоских волнах изгиба, а также на волнах Лзмба.

Волну Рэлея можно разложить на две составляющие: перпендикулярную и параллельную поверхности. Вторая составляющая совпадает с направлением распространения волны. В движении частиц в волне Рэлея, если их рассматривать в векторной плоскости, также присутствуют два компонента. Частицы перемещаются по эллиптической траектории, и их движение можно разложить на две составляющих: перпендикулярную и параллельную поверхности. Электромагнитное поле, связанное с распространением волны Рзлея, имеет то же самое направление. Скорость волны определяется материалом подложки и срезом кристаллов. Мощность ПАВ ограничивается зоной шириной в несколько длин волн, прилегающей к поверхности (Campbell, 1998).

При использовании других срезов кристаллов вместо волны Рэлея можно получить SH-ПАВ. В этом случае перемещение частиц происходит в двух направлениях: поперечном распространению волны и параллельном плоскости поверхности. Рабочая частота здесь определяется конструктивными особенностями ВШП и скоростью распространения поперечной волны с горизонтальной поляризаци-

1.5. Чувствительные элементы для микросистем

ей в материале подложки. На устройства, основанные на данном типе волн, возлагают большие надежды при разработке датчиков для работы в жидких средах и биосенсоров (Kondoh, Matsui, Sh-iokawa, 1993, Nakamura, Kazumi, Shimizu, 1977, Shiokawa, Moriizumi, 1987). Датчики на SH-ПАВ могут использоваться для определения удельной массы, вязкости, проводимости и диэлектрической проницаемости окружающей жидкой среды. Конструкция датчиков на поперечных плоских акустических волнах с горизонтальной поляризацией похожа на устройства на волнах Рэлея, но подложка в них тоньше, обычно ее толщина составляет несколько длин акустических волн. ВШП генерируют поперечные волны с горизонтальной поляризацией, распространяющиеся в объеме под углом к поверхности. Эти волны отражаются от поверхностей пластины при перемещении внутри подложки между ВШП. Рабочая частота определяется толщиной подложки и конструктивными особенностями ВШП. Датчики на этом типе волн используются для измерений в жидких средах. В них есть возможность использовать в качестве чувствительной зоны всю нижнюю поверхность пластины, что является их достоинством.

Волны Лэмба, также называемые плоскими акустическими волнами, являются упругими волнами, распространяющимися в пластине ограниченной толщины. Они применяются в медицинских системах для мониторинга структур и акустических потоков.

ВШП состоит из двух гребенчатых элек- d

тродов, размещенных на пьезоэлектрической подложке (рис. 1.21). Когда на электроды подается напряжение, возникает электрическое поле, что приводит к появлению на пьезоэлектрической подложке динамических напряжений, которые, в свою Очередь, запускают упругие волны. Эти

волны состоят из волн

Рэлея, распространяю-

Рис. 1.21. Шаг между зубцами гребенчатых электродов и его влияние на длину акустической волны. Репродукция из книги V.K. Varadan, V.V. Varadan, 1997, Microsensors, actuators, MEMS, and electronics for smart structuresi>, in P. Rai-Choudhury (ed.), Handbook of Microlithography, Micromachin-ing, and Microfabrication, Volume 2: Micromachin-ing and Microfabrication, SPIE Optical Engineering Press, 617-688, с разрешения SPIE Optical Engineering Press

Щихся перпендикулярно к электродам со скоростью vr.

76 Глава 1- Микросистемы

Если на электроды ВШП подать гармонический сигнал, равный V = voexpijcjt), появившаяся волна механического напряжения начнет распространяться по поверхности кристалла в двух направлениях. Для обеспечения усиления интерференции и синфазности напряжений расстояние между соседними зубцами ВШП должно быть равно половине длины упругой волны Лд:

(1.76)

Соответствующая частота, называемая частскгой синхршшэацив, определяется следующим соотношением: . .

Vr Ля

(1.77)

На этой частоте достигается максимальная эффективность ВШП при преобразовании электрической энергии в акустическую и наоборот. Точное определение характеристик пьезоэлектрического поля, управляемого ВШП, довольно трудоемкий процесс (Varadan, Varadan, 1997). На практике анализ ВШП часто выполняется методами цифрового моделирования. Частотная характеристика ВШП упрощенно может быть представлена в виде дельта-функции (Varadan, Varadan, 1997).

Принцип действия чувствительных элементов на ПАВ основан на том, что время распространения ПАВ между двумя ВШП зависит от изменений некоторых физических величин.

к источнику

расстояние между центрами ВШП к детектору

~55одинаковое расстояние Яд между зубцами

постоянное перекрытие зубцов

Рйс. 1.22. Схема прибора на ПАВ с ВШП. Репродукция из книги V.K.

Varadan, V.V. Varadan, 1997, Microsensors, actuators, MEMS, and electronics for smart structures*, in P. Rai-Choudhury (ed.), Handbook of Microlithography, Micromachining, and Microfabrica-tion, Volume 2: Micromachining and Micro fabrication, SPIE Optical Engineering Press, 617-688, с разрешения SPIE Optical Engineering Press

Один из ВШП, показанный на рис. 1.22, является входным устройством и используется для преобразования сигнала изменяющегося

1.5. Чувствительные элементы для микросистем

напряжения в механические ПАВ. Другой ВШП работает как выходной приемник и применяется для преобразования колебаний механических ПАВ обратно в электрический сигнал. Поскольку эти два ВШП имеют одинаковую природу, каждый из них может быть и входным, и выходным устройством.

На основе акустических чувствительных элементов разрабатываются надежные и сравнительно недорогие датчики для различных областей применения. Уникальной особенностью акустических датчиков является прямая зависимость их выходных характеристик от изменения ряда физических и химических параметров, таких как масса, напряжение, деформация, для жидкостей: плотность, вязкость, проводимость и диэлектрическая проницаемость (Grate, Martin, White, 1993).

Более того, анизотропная природа пьезоэлектрических кристаллов позволяет, меняя углы среза, получать уникальные характеристики чувствительных элементов, реализованных на их основе. Например, в акселерометрах на ПАВ применяются кварцевые кристаллы с ST-срезом, обладающие практически нулевым температурным коэффициентом (Varadan, Varadan, 1996), что обеспечивает незначительный уход частоты при изменении температуры. Также отметим, что, меняя ориентацию срезов кристалла, можно реализовывать разные виды поверхностных акустических волн. При этом для каждого конкретного случая применения возможно подобрать оптимальную ПАВ, и с учетом этого уже разрабатывать датчик. Другими преимуществами пьезоэлектрических материалов являются их низкие внутренние потери, равномерная плотность и упругость, а также хорошие механические свойства (Grate, Martin, White, 1993). При разработке акустических датчиков важным является выбор устройства для преобразования ПАВ, в которых заключена информация об изменениях измеряемых физических параметров в выходной электрический сигнал (Canipbell, 1998). Любое малое возмущение, появляющееся в акустических волнах, должно вызывать значительный отклик в преобразованном выходном электромагнитном сигнале, йозможность реа.1изации этого заключена в огромной разности скоростей распространения акустической и электромагнитной волн. Например, если приложенное к электродам ВШП переменное напряжение имеет частоту 1 ГГц, а скорость распространения ПАВ по пьезоэлектрической подложке равна 3488 м/с, длину волны ПАВ можно определить при помощи соотношения:

, V 3488М-С-1 6

\л = =-,-- = 3.488 X 10 м = 3.488 мкм.

/ 1х109с~1

78 Глава 1. Микросистемы

Для электромагнитной волны будет справедливо следующее:

с 3 X Ю'м-с рде с>-!€1?орость света. Отношение между длинами воян равно:

Ля 3.488 X 10 м

0.3м

= 1.162 X 10-.

Отсюда видно, что акустические датчики имеют высокую чувствительность, поскольку любые отклонения свойств ПАВ отразятся на их скорости распространения, что приведет к значительному изменению выходного электрического сигнала.

1.6. Материалы для микросистем

В микросистемах используется широкий спектр материалов. Помимо кремниевых композиций здесь используются еще четыре группы материалов: металлы, сплавы металлов, керамика и полимеры (Larson, 1999).

1.6.1. Металлы и металлические сплавы

Тонкие пленки из металла используются при производстве интегральных схем уже длительное время. Но в настоящее время наряду с этим для некоторых микросистем требуется изготовление микроструктур из толстых металлических пленок (Larson, 1999). Такие структуры формируются либо по электролитической технологии, либо методом фотолитографии (Romankiv, 1997, Taylor et al, 1994). Электролитический способ применяется для нанесения пленок из никеля, золота и меди, а для изготовления 3D микроэлементов из нержавеющей ехали используется фотолитография (Taylor et al, 1994). Толстые металлические пленки применяются для формирования либо самих микроустройств, либо шаблонов для изготовления деталей из керамики и полимеров.

Для производства микросистем были также разработаны специальные металлические сплавы и соответствующие технологические процессы. Тонкие пленки из CoNlMn были использованы в качестве магнитных материалов при изготовлении магнитных приводов. Для получения магнитных электромеханических микроустройств, таких

1-6. Материалы для микросистем

как микродвигатели, микроприводы, микросенсоры и интегрированные силовые преобразователи, на кремниевую подложку электролитическим методом наносились толстые пленки из пермалоя на основе NiFe. Это позволило реализовывать однокристальные микромощные системы, состоящие из магнитных микроустройств и интегральных схем (Ahn, Allen, 1998). Для изготовления ряда микродатчиков и микроприводов на подложку из кремния методом напыления наносились пленки из сплавов на основе TiNi, обладающие свойством запоминания формы (Ohta et al, 1998). Толстые пленки из TbFe и SmFe использовались для реализации магнитострикционных приводов (Honda, Aral, Yamaguchi, 1997).

1.6.2. Полимеры

В микросистемах полимеры широко применяются и в качестве структурных, и в качестве функциональных материалов. В первом случае используются такие свойства полимеров, как их эластичность, некоторые оптические характеристики и биосовместимость. Для построения полимерных микросистем могут использоваться тонкие и толстые полимерные пленки, а также 3D полимерные микроструктуры. В таблице 1.5 приведены некоторые структурные полимеры и соответствующие технологические процессы изготовления микросистем на их основе.

Следует отметить, что полимеры, перечисленные в таблице 1.5, могут быть использованы при построении чувствительных элементов и приводов для микросистем одновременно и в качестве структурных, и в качестве функциональных материалов. Полимерные тен-зодатчики и конденсаторы могут служить чувствительными элементами для пьезорезистивных и емкостных микродатчиков (Varadan, Varadan, 1995), а электростатические полимерные микроприводы строятся на основе мембранных структур из полиимида (Minami, Morishita, Esashi, 1999). Важным также является то, что были разработаны специальные микротехнологии для производства микросистем на: пачимерной подложке. Групповые технологии изготовления полимерных микроустройств не входят в рассмотрение данной книги.

Структурные полимеры, используемые в полимерных микросистемах, обладают ограниченными возможностями при построении датчиков и приводов, поэтому в последние годы здесь происходит активное внедрение функциональных полимеров (Carraway, 1991). В таблице 1.6 приведены некоторые функциональные полимеры, применяемые при изготовлении микросистем.