Статья

Название статьи УПРАВЛЕНИЕ МИКРОСТРУКТУРАМИ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ДАТЧИКОВ ФИЗИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИН
Автор П.Г. Михайлов, Е.А. Мокров
Рубрика РАЗДЕЛ III. ВСТРАИВАЕМЫЕ СИСТЕМЫ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ МЭМС-ДАТЧИКОВ
Месяц, год 03, 2015
Индекс УДК 681.586
DOI
Аннотация Проанализированы методы и цели управления электрофизическими характеристиками (ЭФХ) элементов и структур датчиков физических величин (ДФВ). Показано, что для управления ЭФХ, с целью обеспечения временной и параметрической стабильностью, необходимо формирование постоянных или временных стабилизирующих обратных связей (ОС) в многоуровневой структуре ДФВ, используя при этом технологии математического моделирования. Конструктивно постоянные ОС в форме обратных преобразователей (ОП) или схемотехнических элементов формируются в процессе или после изготовления элементов и структур датчиков, а временные функционируют только в течение времени проведения той или иной технологической операции формирования элементов и структур ДФВ, например, при термообработке, диффузии, ионной имплантации и проч. Отмечено, что для микроэлектронных датчиков (МЭД) давления, температуры и иных параметров, не имеющих в своем составе подвижных элементов, вопросы разработки и применения ОП не нашли еще должного решения. В связи с этим, в таких датчиках для управления сенсорными структурами предлагается использовать полевые методы управления (управление с помощью физических полей). Рассмотрены обобщенные конструкции ОП, работа которых основана на полевых методах управления, апробированные в МЭД силовых параметров. Обратные преобразователи использованы на различных уровнях МЭД, начиная от отдельных сенсорных элементов (тензорезисторы) и заканчивая измерительной системой. Показано, что принцип действия полевых ОП основан на рассмотрении полупроводника в виде функциональной среды, которой можно управлять, путем использования целенаправленных внешних воздействий. Предложено в качестве внешних управляющих воздействий, использовать генерируемые физические поля различной природы. На примере пленочных структур проведено аналитическое и численное моделирование компенсации механических деформаций, вызванных температурными воздействиями на чувствительный элемент МЭД. Сделаны выводы о перспективности работ по обеспечению стабильности датчиков с помощью постоянных и временных обратных связей.

Скачать в PDF

Ключевые слова Датчик; чувствительный элемент; пленка; обратный преобразователь; обратная связь; полевое управление; система; уровень; микроэлектронный; характеристика; электро-физическая.
Библиографический список 1. Дорф Р, Бишоп Р. Современные системы управления. – М.: Лаборатория Базовых знаний, 2002. – 832 с.
2. Bhattacharyya, S.P., Datta A., Keel L.H. Linear control theory: structure, robustness and optimization. – CRC Press, Taylor & Francis Group, Boca Raton, 2009.
3. Янчич В.В. Пьезоэлектрические виброизмерительные преобразователи (акселерометры). Пьезоэлектрическое приборостроение. Т. 7. – Ростов-на-Дону: Изд-во ЮФУ, 2010. – 304 с.
4. Вавилов В.Д. Интегральные датчики. – Н-Новгород: Нижегородский гос. техн. ун-т, 2003. – 499 с.
5. Михайлов П.Г. Стабильность микроэлектронных датчиков и технологий. – Пенза: ПГУ 2003. – 231 с.
6. Распопов В.Я. Микромеханические приборы: Учебное пособие. – М.: Машиностроение, 2007. – 400 с.
7. Веремей Е.И. Линейные системы с обратной связью: Учебное пособие. – СПб.: Изд-во «Лань», 2013. – 448 с.
8. Михайлов П.Г. Микроэлектронные датчики: вопросы разработки // Микросистемная техника. – 2003. – № 1. – С. 4-7.
9. Клевцов С.И. Принципы преобразования физических сигналов в датчиках систем сбора и обработки информации. Ч. 1: Учебное пособие. – Таганрог: Изд-во ТТИ ЮФУ, 2007. – 96 с.
10. ГОСТ Р 51086-97 Датчики и преобразователи физических величин электронные. Термины и определения. Госстандарт России ИПК Издательство стандартов, 1997.
11. ГОСТ Р 8.673-2009 ГСИ Датчики интеллектуальные и системы измерительные интеллектуальные. Основные термины и определения. Госстандарт России ИПК Издательство стандартов 2009.
12. Михайлов П.Г. Микроэлектронные датчики, особенности конструкций и характеристик // Приборы и системы. Управление, Контроль, Диагностика. – 2004. – № 6. – С. 38-42.
13. Ожикенов К.А., Михайлов П.Г., Касимов А.О. Общие вопросы моделирования компонентов и структур микроэлектронных датчиков // Вестник Национальной академии наук Республики Казахстан. – 2014. – № 6. – С. 27-34.
14. Михайлов П.Г., Белозубов Е.М. Методы обеспечения стабильности микроэлектронных датчиков (системный подход) // Мир измерений. – 2007. – № 7. – С. 47-50.
15. Михайлов П.Г., Мокров Е.А. Скотников В.В., Петрин В.А.Сергеев Д.В., Чернецов М.А. Чувствительные элементы высокотемпературных датчиков давления. Материалы и технологии изготовления // Известия ЮФУ. Технические науки. – 2014. – № 4 (153). – С. 204-213.
16. Михайлов П.Г., Соколов А.В. Модели обратных преобразователей микроэлектронных датчиков // Цифровые модели в проектировании и производстве РЭС: Межвуз. сб. науч. тр. / Под ред. проф. Н. К. Юркова. – Пенза: Изд-во ПГУ, 2012. – Вып. 17. – С. 262-268.
17. Датчики теплофизических и механических параметров. Справочник под ред. Багдатьева Е.Е., Гориша А.В., Малкова Я.В. – М.: ИПРЖР, 1998.
18. Ожикенов К.А., Михайлов П.Г., Касимов А.О., Скотников В.В. Использование обратных преобразователей в микроэлектронных датчиках // Вестник Национальной академии наук Республики Казахстан. – 2014. – № 6. – С. 22-26.
19. Михайлов П.Г., Лапшин В.И., Сергеев Д.А. Моделирование и конструирование кремниевых чувствительных элементов емкостных датчиков давлений // Известия ЮФУ. Технические науки. – 2013. –- № 5. – С. 128-133.
20. Ching-Liang Dai. A capacitive humidity sensor integrated with micro heater and ring oscillator circuit fabricated by CMOS–MEMS technique // Sensors and Actuators: Chemical. – 2006. – № 116.
21. Викулин Н.М., Стафеев В.И. Физика полупроводниковых приборов. – М.: Радио и связь, 1990.
22. Hongsith N., Wongrat E. Sensor Response Formula for Sensor Based on ZnO Nanostructures. // Sens. Actuators. – 2010. – Vol. 144. – Р. 67-72.
23. Wongchoosuk C., Wisitsoraat A. Portable Electronic Nose Based on Carbon Nanotube-SnO2 Gas Sensors and Its Application for Detection of Methanol Contamination in Whiskeys // Sens. Actuators B. – 2010. – Vol. 147. – Р. 392-399.
24. Process to Realise a Cantilever on Fabric Using a Piezoelectric Layer to Detect Motion for Wearable Applications // Sens. Actuators. – 2013. – Vol. 203. – Р. 241-248.
25. Freund L.B., Suresh S. Thin Film Materials: Stress, Defect Formation and Surface Evolution. Cambridge: Cambridge University Press 2003. – 802 с.
26. Janssen G.C., Dammers A.J. Tensile stress in hard metal films // Appl. Phys. Lett. – 2003. – Vol. 83, № 16. – P. 3287-3289.
27. Поверхностные слои и внутренние границы раздела в гетерогенных материалах / Под ред. В.Е. Панина. Новосибирск: Изд-во СО РАН, 2006. – 520 с.
28. Huang Z.Y., Hong W. Nonlinear analyses of wrinkles in a film bonded to a compliant substrate // J. Mech. Phys. Solids. – 2005. – Vol. 53, № 9. – P. 2101-2118.
29. Pang Y, Huang R. Nonlinear effect of stress and wetting on surface evolution of epitaxial thin films // Phys. Rev. B. – 2006. – Vol. 74, № 7.
30. Huang R., Stafford C.M., Vogt B.D. Effect of surface properties on wrinkling of ultrathin films // J. Aerospace Eng. – 2007. – Vol. 20, № 1. – P. 38-40.
31. Huang R. Dynamics of wrinkle growth and coarsening in stressed thin films // Phys. Rev. E. – 2006. – Vol. 74, № 2.
32. Сергеев В.В. Напряжения и деформации в элементах микросхем. – М.: Радио и связь, 1988.
33. Михайлов П.Г., Ожикенов К.А. Механические и тепловые деформации в микромеханических структурах сенсорных элементов // Известия Национальной академии наук Республики Казахстан Серия физико-математическая. – 2014. – № 4. – С. 163-168.
34. Amarasinghe, R. Design and fabrication of miniaturized six-degree of freedom piezoresistive acceleromete // MEMS 2005: 18th IEEE International Conference on microelectromechanical systems. – Р. 351-354.
35. Chen Po-Jui, Rodger D. C., Humayun M. S. Unpowered spiral-tube parylene pressure sensor for intraocular pressure sensing // Sensors and Actuators Physical. – 2006. – № 127. – P. 276-282.
36. Михайлов П.Г. Методы управления механическими напряжениями в сенсорных элементах и системах микроэлектронных датчиков // Датчики и системы. – 2004. – № 9. – С. 10-12.

Comments are closed.