Наноэлектромеханический преобразователь с автоэлектронной эмиссией

Полезная модель относится к области измерительной техники, в частности - к средствам измерения линейных ускорений, угловых скоростей и тепловых полей малой интенсивности в инфракрасной и терагерцовой области. Сущность наноэлектромеханического преобразователя с автоэлектронной эмиссией, содержащего полупроводниковую структуру с электронной схемой и, по меньшей мере, один чувствительный элемент, выполненный в виде консоли, размещенной на основании преобразователя с зазором относительно токопроводящей подложки, на поверхности которой, обращенной к консоли, сформирован, по меньшей мере, один вискер, заключается в том, что вискер сформирован на расстоянии от свободного конца консоли меньшим или равном Y1 определяемом по предлагаемой зависимости. Чувствительный элемент выполнен в виде биморфного элемента, размещенного на основании преобразователя с зазором относительно токопроводящей площадки, на поверхности которой, обращенной к биморфному элементу сформирован, по меньшей мере, одни вискер. Первый слой биморфного элемента выполнен из окисла ванадия, второй - из вольфрама. Два и более биморфных элемента объединены в матричную структуру на общем кристалле, на котором размещены контактные площадки строк и столбцов соответствующих биморфных элементов, и контактные площадки «земли», а электронная схема содержит соответствующие электронные ключи и мультиплексоры опроса строк и столбцов, связанные с общим видеовыходом. Технический результат от использования предлагаемой полезной модели, заключается в унификации различных типов датчиков с автоэлектронной эмиссией и уменьшения типоразмеров различных датчиков, основанной на том, что при измерении линейных ускорений, угловых скоростей и тепловых полей, в качестве чувствительного элемента используется консоль, размещенная в электрическом поле, а о текущем значении линейного ускорения, угловой скорости и температуры судят по изменению тока эмиссии в зависимости от механической деформации консоли при внешнем возмущающем воздействии.

Полезная модель относится к области измерительной техники, в частности - к средствам измерения линейных ускорений, угловых скоростей и тепловых полей малой интенсивности в инфракрасной и терагерцовой области.

В микромеханических гироскоп-акселерометрах - измерителях линейного ускорения и угловой скорости (см., например, патент США 5392650 от 28.02.95 г.) используются емкостные преобразователи механического перемещения инерционной массы из-за сил инерции или сил Кориолиса в напряжение.

В настоящее время емкостные преобразователи являются самыми высокоточными и имеют большой динамический диапазон измерения величин. В микромеханических акселерометрах и гироскопах, рабочие емкости составляют несколько пикофарад при размерах инерционной массы в районе 300×300 мкм, а чувствительность емкостного преобразователя определяется его выходными паразитными емкостями, предварительного усилителя обслуживающих элементов.

В преобразователях с наноразмерами рабочая емкость будет значительно ниже и составляет (0,1÷1) фентофарады и соответственно использование емкостных преобразователей практически невозможно.

Известны измерители тепловых полей в неохлаждаемом инфракрасном детекторе (см. пример, Uncooled Infrared Detectors Achieve New Performance Levels and Cost Targets Sofradis EC, Inc. Pesourece Center, 2009) на основе микроболометрических преобразователей.

Основным видом неохлаждаемых детекторов сегодня являются микроболометры. Инфракрасное излучение в диапазоне длин волн 7-13 мкм попадая на поверхность материала детектора микроболометра поглощается и его поверхность нагревается. В результате этого изменяется электрическое сопротивление материала, которое пропорционально температуре.

В настоящее время в микроболометрических детекторах получили применение аморфный кремний (a-Si) и оксид ванадия (VOx).

Микроболометры на основе аморфного кремния получили достаточно широкое распространение из-за низкой стоимости изготовления, но имеют худшие шумовые характеристики по сравнению детекторами на основе VOx.

Так известен болометрический детектор, устройство для обнаружения инфракрасного излучения с использованием такого болометрического детектора и способ для изготовления этого детектора (Патент РФ 2356017, МПК G01J 5/20, 14.10.2004). Болометрический детектор содержит чувствительную часть, имеющую один или несколько слоев чувствительного материала, удельное сопротивление которого изменяется с температурой, электроды изолированные друг от друга, также действуют как поглотители инфракрасного излучения. При этом указанные электроды находятся в контакте с чувствительным материалом на протяжении, по меньшей мере, одну опорную область, для позиционирования указанной чувствительной части, действующую как электрический проводник относительно схемы считывания, связанной с болометрическим детектором. Детектор также содержит, по меньшей мере, одну теплоизоляционную структуру, электрически и механически соединяющую каждую опорную область с чувствительной частью. Области чувствительного материала, не находящиеся в контакте с электродами, имеют, по меньшей мере, один гофр, ориентированный вдоль направления, перпендикулярного к плоскости, содержащей чувствительную часть болометрического детектора.

Недостатком указанного технического решения является невысокая точность измерения и узкий диапазон регистрации излучения.

Устранения этих недостатков можно обеспечить за счет использования в качестве преобразователя измеряемой величины (угловой скорости и линейного ускорения) в электрическое напряжение автоэлектронные преобразователи (см., например, патент РФ 51114, 2003 г.). В этом случае на земляной электрод (катод) в процессе изготовления наносится эмиссионный слой, с низкой энергией выхода электронов и являющийся источником электронов.

Нанесение углеродных (алмазоподобных) пленок на поверхность катода позволяет снизить работу выхода электронов, модифицировав, таким образом, эмитирующую поверхность и тем самым позволяет уменьшить величину прикладываемого напряжения.

Следует отметить, что, несмотря на кажущуюся привлекательность применения углеродных пленок в технологии изготовления наноэлектромеханических датчиков, их практическому использованию препятствует высокая чувствительность углеродных пленок к любым последующим операциям, в результате которых они теряют все свои вышеуказанные свойства.

Этот недостаток частично устранен в патенте РФ на полезную модель (см. патент 107593, МПК G01P 15/08, 20 августа 2011 г.) в котором представлен наноэлектромеханический акселерометр.

В этом случае, на катоде формируется эмитирующая поверхность (вискер) в виде параболоида вращения. Это позволяет увеличить ток эмиссии без деградации эмиссионных свойств.

Технический результат от использования предлагаемой полезной модели заключается в унификации различных типов датчиков с автоэлектронной эмиссией и уменьшения типоразмеров различных датчиков, основанной на том, что при измерении линейных ускорений, угловых скоростей и тепловых полей, в качестве чувствительного элемента используется консоль, размещенная в электрическом поле, а о текущем значении линейного ускорения, угловой скорости и температуры судят по изменению тока эмиссии в зависимости от механической деформации консоли при внешнем возмущающем воздействии.

Создание эмиссионного слоя (вискера) после формирования чувствительного элемента и упаковки его в корпус, позволяет использовать типовые технологические процессы при формировании и упаковке чувствительного элемента.

Для наноэлектромеханического преобразователя с автоэлектронной эмиссией, содержащего полупроводниковую структуру с электронной схемой и, по меньшей мере, один чувствительный элемент, выполненный в виде консоли, размещенной на основании преобразователя с зазором относительно токопроводящей подложки, на поверхности которой, обращенной к консоли, сформирован, по меньшей мере, один вискер, указанный технический результат достигается тем, что вискер сформирован на расстоянии от свободного конца консоли меньшим или равном Y1 определяемом по формуле

Y₁L-Lcos()+(Z₁+d₀)·ctg()

где d0 - расстояние от катода до нижней поверхности консоли, при касании конца консоли подложки;

Z1 - толщина первого проводникового слоя полупроводниковой структуры;

L - длина консоли;

- угловое перемещение консоли от положения без нагрузки до касания конца консоли подложки.

Кроме того, чувствительный элемент выполнен в виде биморфного элемента, размещенного на основании преобразователя с зазором относительно токопроводящей площадки, на поверхности которой, обращенной к биморфному элементу сформирован, по меньшей мере, одни вискер.

Кроме того, первый слой биморфного элемента выполнен из окисла ванадия, второй - из вольфрама.

Кроме того, два и более биморфных элемента объединены в матричную структуру на общем кристалле, на котором размещены контактные площадки строк и столбцов соответствующих биморфных элементов, и контактные площадки «земли», а электронная схема содержит соответствующие электронные ключи и мультиплексоры опроса строк и столбцов, связанные с общим видеовыходом.

Полезная модель поясняется чертежами.

На фиг.1 приведена конструкция чувствительного элемента наноэлектромеханического акселерометра (НМА) с автоэлектронной эмиссией.

На фиг.2 приведена конструкция наноэлектромеханического гироскопа-акселерометра (НМГА) с автоэлектронной эмиссией.

На фиг.3 приведена конструкция чувствительного элемента нанотермоэлектромеханического преобразователя (НТЭМП) с автоэлектронной эмиссией.

На фиг.4 приведена функциональная схема чувствительного элемента наноэлектромеханического датчика.

На фиг.5 приведена укрупненная схема технологии изготовления наноэлектромеханических датчиков (НМА и НМГА).

На фиг.6 приведена укрупненная схема технологии изготовления наноэлектромеханического датчика (НТЭМП).

На фиг.7 показан чувствительный элемент наноэлектромеханического преобразователя (НМА и НМГА) с автоэлектронной эмиссий при отсутствии возмущающего воздействия (ускорения).

На фиг.8 показан чувствительный элемент нанотермоэлектромеханических преобразователей (НМА и НМГА) с автоэлектронной эмиссий при действии вектора ускорения противоположно вектору Y.

На фиг.9 показан чувствительный элемент нанотермоэлектромеханических преобразователей (НМА и НМГА) с автоэлектронной эмиссий при действии вектора ускорения вдоль вектору Y.

На фиг.10 показан чувствительный элемент нанотермоэлектромеханического преобразователя (НТЭМП) с автоэлектронной эмиссий при отсутствии возмущающего воздействия (теплового потока).

На фиг.11 показан чувствительный элемент нанотермоэлектромеханического преобразователя (НТЭМП) с автоэлектронной эмиссий при Т>Т0

На фиг.12 показан чувствительный элемент нанотермоэлектромеханического преобразователя (НТЭМП) с автоэлектронной эмиссий при Т<Т0

На фиг.1 показано:

1 - сапфировая подложка (основание);

2 - катод;

3 - консоль;

4 - опора консоли;

5 - эмиссионный слой (вискер);

7, 9 - контактные площадки.

На фиг.2 показано:

1 - сапфировая подложка (основание);

2 - катод;

3 - консоль;

4 - опора консоли;

5 - эмиссионный слой (вискер);

6 - электроды возбуждения;

7, 8, 9, 10 - контактные площадки.

На фиг.3 показано:

1 - сапфировая подложка (основание);

2 - катод;

3 - консоль;

3.1 - Слой VOx;

3.2 - Слой W

4 - опора консоли;

5 - эмиссионный слой (вискер).

На фиг.4 показано:

11 - нагрузочный резистор;

12 - операционный усилитель;

13 - чувствительный элемент наноэлектромеханического измерительного преобразователя.

На фиг.5 показано:

1 - сапфировая подложка (основание);

3 - консоль;

5 - эмиссионный слой (вискер);

14 - жертвенный слой;

15 - крышка;

16 - корпус.

На фиг.6 показано:

1 - сапфировая подложка (основание);

3 - консоль;

3.1 - Слой VOx;

3.2 - Слой W

5 - эмиссионный слой (вискер);

14 - жертвенный слой;

15 - крышка;

15.1 - светофильтр;

15.2 - кварц.

16 - корпус.

На фиг.7 показано:

1 - сапфировая подложка (основание);

3 - консоль;

На фиг.8 показано:

1 - сапфировая подложка (основание);

3 - консоль;

На фиг.9 показано:

1 - сапфировая подложка (основание);

3 - консоль;

На фиг.10 показано:

1 - сапфировая подложка (основание);

3 - консоль;

3.1 - Слой VOx;

3.2 - Слой W

На фиг.11 показано:

1 - сапфировая подложка (основание);

3 - консоль;

3.1 - Слой VOx;

3.2 - Слой W

На фиг.12 показано:

1 - сапфировая подложка (основание);

3 - консоль;

3.1 - Слой VOx;

3.2 - Слой W

В процессе изготовления наноэлектромеханического преобразователя на основе поверхностной микромеханической технологии для кремниевого или сапфирового основания, предварительно создают соответствующую планарную интегральную схему, для чего сначала формируют контактные площадки на обратной стороне основания, затем создают первый проводниковый слой (Z1), после чего осуществляют формирование контура чувствительного элемента преобразователя и удаляют жертвенный слой, а завершают способ корпусировкой преобразователя и формированием вискеров. При корпусировке преобразователя в замкнутом объеме корпуса создают газовую среду с заданными параметрами, а формирование вискера осуществляют за счет подачи на электроды импульсов заданной формы. В качестве заданных параметров среды используют, например, давление и/или точку росы, а также другие технологические параметры в зависимости от требуемых метрологических характеристик преобразователя. На электроды чаще всего подают импульсы в форме полупериода синусоиды заданной амплитуды и частоты. Однако могут быть использованы и другие формы импульсов.

Наноэлектромеханический преобразователь с автоэлектронной эмиссией, в общем виде содержит полупроводниковую структуру (1, 5, 14) с электронной схемой (11, 12) и, по меньшей мере, один чувствительный элемент, выполненный в виде консоли 3, размещенной на основании 1 преобразователя с зазором относительно токопроводящей площадки (катода) 2, на поверхности которой, обращенной к консоли, сформирован, по меньшей мере, один вискер 5. Вискер 5 сформирован на расстоянии от свободного конца консоли меньшим или равном Y1 определяемом по формуле

Y₁L-Lcos()+(Z₁+d₀)·ctg()

где d0 - расстояние от катода 2 до нижней поверхности консоли 3, при касании конца консоли подложки;

Z1 - толщина первого проводникового слоя полупроводниковой структуры;

L - длина консоли 3;

- угловое перемещение консоли от положения без нагрузки до касания конца консоли 3 подложки. Чувствительный элемент может быть выполнен в виде биморфного элемента (3.1, 3.2), размещенного на основании преобразователя с зазором относительно токопроводящей площадки 2, на поверхности которой, обращенной к биморфному элементу сформирован, по меньшей мере, одни вискер 5. Первый слой биморфного элемента 3.1 может быть выполнен из окисла ванадия, второй 3.2 - из вольфрама. Два и более биморфных элемента могут быть объединены в матричную структуру (не показана) на общем кристалле, на котором размещены контактные площадки строк и столбцов (не показаны) соответствующих биморфных элементов, и контактные площадки «земли», а электронная схема может содержать соответствующие электронные ключи и мультиплексоры (не показаны) опроса строк и столбцов, связанные с общим видеовыходом.

Конструкция чувствительного элемента наноэлектромеханического акселерометра (НМА) с автоэлектронной эмиссией приведена на фиг.1. Чувствительный элемент сформирован на сапфировой подложке (основании) 1 и имеет консольную конструкцию 3, закрепленную на опоре 4. Формирование эмиссионного слоя (вискера) 5 происходит на поверхности катода 2, после упаковки кристалла в корпус. Электрическая связь кристалла с корпусом осуществляется через контактные площадки кристалла 7, 9.

Конструкция чувствительного элемента наноэлектромеханического гироскопа-акселерометра (НМГА) с автоэлектронной эмиссией приведена на фиг.2. Чувствительный элемент сформирован на сапфировой подложке (основании) 1 и имеет консольную конструкцию 3, закрепленную на опоре 4. Формирование эмиссионного слоя (вискера) 5 происходит на поверхности катода 2, после упаковки кристалла в корпус. Электроды возбуждения 6 служат для задания продольных колебаний консоли в плоскости подложки. Электрическая связь кристалла с корпусом осуществляется через контактные площадки кристалла 7, 8, 9, 10.

Конструкция нанотермоэлектромеханического преобразователя (НТЭМП) с автоэлектронной эмиссией приведена на фиг.3. Чувствительный элемент сформирован на сапфировой подложке (основании) 1 и имеет консольную конструкцию 3, закрепленную на опоре 4. Консоль 3 имеет биморфную структуру состоящую из двух слоев - окисла ванадия (VOx) 3.1 и вольфрама W 3.2.

Схема включения наноэлектромеханического преобразователя автоэлектронной эмиссией показана на фиг.4. Напряжение питания U подается через нагрузочный резистор 11 на чувствительный элемент 13. Операционный усилитель служит для согласования входа и выхода датчика.

На фиг.5, 6 приведена укрупненная схема технологии изготовления наноэлектромеханических датчиков (НМА, НМГА, НТЭМП). Схема состоит из четырех основных операций: формирование первого слоя, формирование контуров чувствительного элемента, удаление жертвенного слоя 14, упаковка кристалла наноэлектромеханического датчика (НМА, НМГА или НТЭМП) и инициализация.

На фиг.7 приведен чувствительный элемент НМА, НМГА при отсутствии внешнего возмущающего воздействия. При появлении вектора ускорения действующего вдоль оси Н происходит деформация чувствительного элемента: фиг.8 ускорение действует противоположно вектору Y, фиг.9 ускорение действует по направлению вектора.

На фиг.10 приведен чувствительный элемент НТЭМ при отсутствии внешнего возмущающего воздействия. При появлении разности температур Т>Т0 фиг.11 и Т<Т0 фиг.12 происходит линейное расширение материала консоли. Так как консоль чувствительного элемента НТЭМП имеет биморфную структуру, состоящую из оксида ванадия (VOx) и вольфрама (W) коэффициенты расширения которых различны, то происходит механическая деформация консоли, приводящая к изменения зазора d0.

Суть работы наноэлектромеханических датчиков заключается в изменении тока эмиссии вследствие изменения рабочего зазора d0. При этом ток эмиссии i будет пропорционален измеряемой физической величине

i_т=К_тT

где K_a=К_маК_эа

К_г=К_мгК_эг

К _т=К_мтК_эт

К_а , К_г, К_т - коэффициенты преобразования (масштабные коэффициенты) акселерометра, гироскопа и термоэлектронного преобразователя;

, , T - измеряемые величины: линейные ускорения, угловые скорости и температура;

К_ма, К _мг, К_мт - коэффициенты преобразования измеряемых величин (линейных ускорений, угловых скоростей и температуры) в механическое перемещение;

K_эa, K _эг, K_эт - коэффициенты преобразования механического перемещения консоли в величину тока эмиссии.

В итоге получаем технический результат от использования предлагаемой полезной модели, который заключается в унификации различных типов датчиков с автоэлектронной эмиссией и уменьшения типоразмеров различных датчиков, основанной на том, что при измерении линейных ускорений, угловых скоростей и тепловых полей, в качестве чувствительного элемента используется консоль, размещенная в электрическом поле, а о текущем значении линейного ускорения, угловой скорости и температуры судят по изменению тока эмиссии в зависимости от механической деформации консоли при внешнем возмущающем воздействии.

1. Наноэлектромеханический преобразователь с автоэлектронной эмиссией, содержащий полупроводниковую структуру с электронной схемой и, по меньшей мере, один чувствительный элемент, выполненный в виде консоли, размещенной на основании преобразователя с зазором относительно токопроводящей подложки, на поверхности которой, обращенной к консоли, сформирован, по меньшей мере, один вискер, отличающийся тем, что вискер сформирован на расстоянии от свободного конца консоли, меньшем или равном Y1, определяемом по формуле

Y₁L-Lcos()+(Z₁+d₀)·ctg(),

где d₀ - расстояние от катода до нижней поверхности консоли при касании конца консоли подложки;

Z₁ - толщина первого проводникового слоя полупроводниковой структуры;

L - длина консоли;

- угловое перемещение консоли от положения без нагрузки до касания конца консоли подложки.

2. Наноэлектромеханический преобразователь с автоэлектронной эмиссией по п.1, отличающийся тем, что чувствительный элемент выполнен в виде биморфного элемента, размещенного на основании преобразователя с зазором относительно токопроводящей площадки, на поверхности которой, обращенной к биморфному элементу, сформирован, по меньшей мере, одни вискер.

3. Наноэлектромеханический преобразователь с автоэлектронной эмиссией по п.2, отличающийся тем, что первый слой биморфного элемента выполнен из окисла ванадия, второй - из вольфрама.

4. Наноэлектромеханический преобразователь с автоэлектронной эмиссией по п.2, отличающийся тем, что два и более биморфных элемента объединены в матричную структуру на общем кристалле, на котором размещены контактные площадки строк и столбцов соответствующих биморфных элементов, и контактные площадки «земли», а электронная схема содержит соответствующие электронные ключи и мультиплексоры опроса строк и столбцов, связанные с общим видеовыходом.