Туннельные и эмиссионные акселерометры на основе микроэлектромеханических систем
Диссертация
Впервые проведены прямые статические измерения проявлений поперечного пьезоэлектрического эффекта в микроконсолях, направленных по ортогональным диагональным осям и, изготовленных на основе эпитаксиальных слоев ОаАэ и АЮаАБ. При подаче постоянного напряжения обнаружено взаимно противоположное движение микроконсолей длиной до 100 мкм, определены константы пьезоэлектрического модуля, совпадающие… Читать ещё >
Содержание
- 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. В иды акселерометров
- 1. 6. Туннельный МЭМС сенсор
- Глава 2. Датчики туннельно-эмиссионных 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 микроконсолей с помощью атомно-силового микроскопа
- 3. 4. Обращение изгиба микроконсоли при введении дополнительных упруго-напряженных слоев
- 3. 5. Изгиб микроконсолей при изменении температуры
- 3. 6. Исследование электромеханических свойств МЭМС с электростатическим управлением
- 3. 7. Выводы
- Глава 4. Анизотропный пьезоэффект в микроэлектромеханических системах на основе эпитаксиальных гетероструктур GaAs/AlAs и Alo^Gao^As/AlAs
- 4. 1. Введение
- 4. 2. Пьезоэффект в кристалле GaAs (OOl)
- 4. 3. Формирование пьезоэлектрических 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 токопереноса через зазор в МЭМС на основе структуры кремний на изоляторе
- 5. 4. Исследование электромеханических свойств МЭМС с туннельным зазором
- 5. 5. Выводы
Список литературы
- Feynman Richard P. There’s Plenty of Room at the Bottom //Caltech Engineering and Science. V.23. — 5. — 1960. — P.22−36.
- Kim J.M. Electrostatically driven low-voltage micromechanical RF switches using robust single-crystal silicon actuators /J.-М. Kim, S. Lee, J.-H. Park, C.-W. Baek, Y. Kwon and Y.-K. Kim //J. Micromech. Microeng. 2010. — V.20. — N.9. — P.95 007.
- Телец B.A. Микроэлектромеханические инерционные преобразователи физических величин: типовые варианты исполнения. //МСТ. 2004. — № 2. -С.2−5.
- Ilic В. Attogram detection using nanoelectromechanical oscillators /В. Ilic, H. G. Craighead, S. Krylov, W. Senaratne, C. Ober, and P. Neuzil //J. Appl. Phys. 2004. — V.95. — No.7. — P.3694.
- Liu C.-H. A high-precision, wide-bandwidth micromachined tunneling accelerometer. /С.-Н. Liu and T. W. Kenny. //J. of Microelectromech. System, -2001, — 10. -P.425−433.
- Gabrielson T. B. Mechanical-thermal noise in micromachined acoustic and vibration sensors. //IEEE Transactions on Electron Devices. 1993. — 40. — P.903−909.
- Физические величины /Под ред. И. С. Григорьева, Е. З. Мейлихова, М. Энергоатомиздат.1991. 1232с.
- Simmons J. G. Generalized Formula for the Electric Tunnel Effect between Similar Electrodes Separated by a Thin Insulating Film //J. Appl. Phys. 1963. — V.34. -P.1793−1803.
- Lee I. Development and analysis of thevertical capacitive accelerometer /I. Lee, G. H. Yoon, J. Park, S. Seok, K. Chun, K. Lee //Sensors and Actuators A. 2005. -V.119. -P.8−18.
- Chollet F. A (not so) short introduction to MEMS /F. Chollet, H. Liu, //(http://memscyclopedia.org/introMEMS.html (18.2.2008))
- Beeby S. MEMS mechanical sensors /S. Beeby, G. Ensell, M. Kraft, N. White, //Artech house inc., USA, 2004,
- Вопилкин E. А. Возможности микроэлектромеханических систем //HMCT2009.-№ 1.-С.47−50.
- Zorman С. Material Aspects of Micro- and Nanoelectromechanical Systems Springer Handbook of Nanotechnology. /Zorman C- Mehregany, //M. SpringerVerlag Berlin Heidelberg. 2007. — Р.299/
- Вардан В. ВЧ МЭМС и их применение /В. Вардан, К. Виной, К. Джозе, //ИЦ «ТЕХНОСФЕРА». 2004. — 528 стр.
- Ekinci К. L. Ultimate limits to inertial mass sensing based upon nanoelectromechanical systems /К. L. Ekinci, Y. T. Yang, and M. L. Roukes // J. Appl. Phys. 2004. — V.95. — 5. — 2682.
- Guangtao D. MEMS magnetic field sensor based on silicon bridge structure /D. Guangtao, C. Xiangdong, L. Qibin, L. Hui, G. Huihui//Journal of Semiconductors.2010. V.31. — No. 10. — P. 104 011.
- Zachary J. Aluminum nanocantilevers for high sensitivity mass sensors /J. D. Zachary and A. Boisen //Appl. Phys. Lett. 2005. — V.87. -No.l. — P.13 102.
- Ilic B. Virus detection using nanoelectromechanical devices /В. Ilic, Y. Yang, and H. G. Craighead //Appl. Phys. Lett. -2004. -V.85. No. 13. — P.2604.
- Yamaguchi H. Application of InAs Freestanding Membranes to Electromechanical Systems /Н. Yamaguchi, R. Dreyfus, S. Miyashita and Y. Hirayama //Jpn. J. Appl. Phys. 2002. — V.41. — P.2519−2521.
- Koppaka, S.B. Release processing effects on laser repair of stiction-failed microcantilevers. //Journal of Microelectromechanical Systems. 2005. — V.14. -No.2. -P.410−418.
- Luber S.M. Nanometre spaced electrodes on a cleaved AlGaAs surface. / S. M. Luber, S. Strobel, H.-P. Tranitz, W. Wegscheider, D. Schuh, M Tornow //Nanotechnology. 2005. — V. 16(8). — P.1182−1185.
- Krahne R. Nanoparticles and nanogaps: controlled positioning and fabrication /R. Krahne, T. Dadosh, Y. Gordin, A. Yacoby, H. Shtrikman, D. Mahalu, J. Sperling, I. Bar-Joseph //Physica E. 2003. — V.17. — P.498−502.
- Prinz V.Ya. Elastic silicon-film-based nanoshells: formation, pripeties, and application /V.Ya.Prinz, S.V.Golod //Journal of Applied Mechanics and Technical Physics. 2006. — V.47(6). — P.868−878.
- Prinz V.Ya. Precise, molecularly thin semiconductor shells: from nanotubes to nanocorrugated quantum systems //Phys. Stat. Sol. (b). 2006. — V.243(13). -P.3333−3339.
- Prinz V.Ya. Novel technique for fabrication of one- and two-dimensional systems /V.Ya. Prinz, V.A. Seleznev, A.K. Gutakovsky //Surface Science. 1995. -V.331/362. -P.886−889
- Принц В.Я. Упругие нанооболочки на основе кремниевых пленок: формирование, свойства и практическое применение /В.Я.Принц, С. В. Голод, //ПМФТ. 2006. — V.47(6). — С.114−128.
- Prinz V.Ya. Precise semiconductor, metal and hybrid nanotubes and nanofibers. In: «Nanoengineered Nanofibrous Materials» //NATO Science Series, II. Mathematics, Physics and Chemistry. 2004. — V.169. P.47−63.
- Prinz V.Ya. Precise semiconductor nanotubes and nanoshells fabricated on (110) and (111) Si and GaAs //Physica E. 2004. — V.23. — P.260−268.
- Prinz V.Ya. Precise semiconductor nanotubes and nanocorrugated quantum systems //Physica E. 2004. — V.24. — P.54−62.
- Принц В.Я. Самоформирующиеся полупроводниковые микро- и нанотрубки /В.Я.Принц, В. А. Селезнев, А. В. Чеховский //Микросистемная техника. 2003. — № 6. — С. 10−16.
- Prinz A.V. Application of semiconductor micro- and nanotubes in biology /A.V. Prinz, V. Ya Prinz //Surface Science. 2003. — V.911. — P.532−535.
- Принц В.Я. Трехмерные самоформирующиеся наноструктуры на основе свободных напряженных гетеропленок //Известия ВУЗов, серия: Физика. -2003. -Т.46. С.35−43.
- Vorob’ev А. В. Directional rolling of strained heterofilms /А. В. Vorob’ev and V. Ya. Prinz //Semicond. Sci. Technol. 2002 — V.17. — P.614 — 616.
- Prinz V. Ya. Free-standing and overgrowth InGaAs/GaAs nanotubes, nanohelicies and their arrays. /V. Ya. Prinz, V. A. Seleznev, A. K. Gutakovsky, A. V. Chehovskiy, V. // Physica E. 2000. — V.6. — P.828 — 831.
- Fernandez-Martinez I. Parallel nanogap fabrication with nanometer size control using III-V semiconductor epitaxial technology /I. Fernandez-Martinez, Y. Gonzalez, F. Briones //Nanotechnology. 2008. — V.19. — P.275 302.
- Kiefer T. Large arrays of chemo-mechanical nanoswitches for ultralow-power hydrogen sensing /Т Kiefer, A Salette, L G Villanueva and J Brugger //J. Micromech. Microeng. 2010 — V.20. — N. 10. — P. 105 019.
- Grade, J.D. Design of large deflection electrostatic actuators / J.D.Grade, H. Jerman, T.W. Kenny //Journal of Microelectromechanical Systems. 2003. — V.12. — No.3. -P.335−343.
- Hassanzadeh, A. Design considerations for basic MEMS electrostatic actuators /41st Southeastern Symposium on System Theory, SSST 2009: Proceedings, March 1517, 2009.-P. 271−273.
- Zine-El-Abidine I. Tunable radio frequency MEMS inductors with thermal bimorph actuators /I. Zine-El-Abidine, M. Okoniewski, J. G. McRory //J. Micromech. Microeng. 2005. — V. 15. — No. 11. — P.2063.
- Conway N.J. A strain amplifying piezoelectric MEMS actuator /N. J Conway, Z. J. Traina and S.-G. Kim //J. Micromech. Microeng. 2007. — V.17. — P.781−787.
- Ongkodjojo, A. Micromachined III-V multimorph actuators for MOEMS applications concept, design, and model I A. Ongkodjojo, F.E.H. Tay, R. Akkipeddi, //Journal of Microelectromechanical Systems. — 2005. — V.14. — No.3. P.610−618.
- Rebeiz GMRF MEMS Theory, Design and Technology 2003. — Hoboken NJ: Wiley.
- Rebeiz G M Tuning in to RF MEMS /G. Rebeiz, M. Entesari, K. Reines //IEEE Microw. Mag. 2009. — V. 10. — P.55−72.
- ГОСТ 18 955–73 Акселерометры низкочастотные линейные. Термины и определения //1973 Издательство стандартов — Москва.
- DeVoe D.L. A fully surface-micromachined piezoelectric accelerometer /D.L.DeVoe and A.P.Pisano //Proc. Solid-State Sensors and Actuators. 1997. -P.1205−1208.
- Tadigadapa S. Piezoelectric MEMS sensors? state-of-the-art and perspectives / S. Tadigadapa and K. Mateti //Meas. Sci. Technol. 2009. — V.20. — P.92 001.
- Plaza J. Piezoresistive accelerometers for MCM package /J. Plaza, A. Collado, E. Cabruja, and J. Esteve, //J. Microelectromech. Syst. 2002. — V. l 1. No.6. — P.794−801.
- Partridge A. A High-Performance planar piezorezistive accelerometer /A.Partridge, J.K.Reynolds, B.W.Chui, E.M.Chow, A.M.Fitzgerald, L. Zhang, S.R.Cooper and T.W.Kenny //Proc. Solid-State Sensors and Actuators Workshop (Hilton Head'98) -1998.-P.59−64.
- Lim M.K. A micromachined piezoresistive accelerometer with high sensitivity: design and modelling /M.K.Lim, H. Du, C. Su, W.L.Jin //Microelectronic Engineering. 1999. — V.49. — P.263−272.
- Xue C. Development of a novel two axis piezoresistive micro accelerometer based on silicon /С. Xue, S. Chen, H. Qiao, W. Zhang, J. Xiong, B. Zhang, and G. Zhang, //Sens. Lett. 2008. — V.6. — P. 149−158.
- GURALP Broadband Seismometer, Guralp Systems Ltd. U.K.
- Chau K.L. An integrated force-balanced capacitive accelerometer for low-g applications. /K.L.Chau, S.R.Lewis, Y. Zhao, R.T.Howe, S.F.Bart, and R.G.Marcheselli //Proc. Solid-State Sensors and Actuators (Transducers'95). -1995. P.593−596.
- Bernstein J.W. Low-noise MEMS vibration sensor for geophysical application /J.W.Bernstein, R. Miller, W. Kelley, and P. Ward //Proc. Solid-State Sensors and Actuators Workshop (Hilton Head'98). 1998. P.55−58.
- Chae J. A monolithic three-axis micro-g micromachined silicon capacitive accelerometer /J. Chae, H. Kulah, and K. Najafi J. //Microelectromech. syst. 2005. -V.14. No.2. — P.235−242.
- Farahani H. Design, fabrication and analysis of micromachined high sensitivity and 0% cross-axis sensitivity capacitive accelerometers /Н. Farahani, J. K. Mills, and W. L. С leghorn //Microsyst. Technol. 2009. — V.15. — P. 1815−1826.
- Biswas K. MEMS capacitive accelerometers /К. Biswas, S. Sen, and P. K. Dutta //Sens. Lett. 2007. — V.5. — P.471−484.
- Boser B.E. Surface micromachined accelerometers /B.E.Boser and R.T.Howe //IEEE J. Solid-Stale Circuits 1996. — V.31. — No.3. — P.366−375.
- Scanning Tunneling Microscopy and Related Methods /Edited by R.J.Behm, N. Garcia, H.Rohrer. Kluwer Academic Publishers, 1990 — 525c.
- Tahmasebi A. Studying of a Tunneling Accelerometer with Piezoelectric Actuation and Fuzzy Controller /A. Tahmasebi M.Y. Kanani, B. Tousi, A. Motalebi, G. Rezazadeh //Sensors & Transducers Journal. 2008. — V.89. — No.3. — P. 17−29.
- Mahameed R. Dual-beam actuation of piezoelectric A1N RF MEMS switches monolithically integrated with A1N contour-mode resonators /R. Mahameed, N. Sinha, M.B. Pisani and G. Piazza //J. Micromech. Microeng. 2008. — V.18. — N.9. -P.105 011.
- Dong H. A novel out-of-plane MEMS tunneling accelerometer /H. Dong, Y. Jia, Y. Hao, S. Shen //Sensors and Actuators A. 2005. — V.120. — P.360−364.
- Daniel J.H. A microaccelerometer structure fabricated in silicon-on-insulator using a focused ion beam process. /J.H.Daniel, D.F.Moore //Sensors and Actuators 1999. -V.73. -P.201−209.
- Boisen A. Cantilever-like micromechanical sensors /A. Boisen, S. Dohn, S. Sylvest Keller, S. Schmid and M. Tenje //Rep. Prog. Phys. 2011. — V.74. — P.36 101.
- Dragoman D. Micro/nano-optoelectromechanical systems /D. Dragoman, M. Dragoman //Progress in Quantum Electronics. 2001. — V.25. — P.229−290.
- Zavracky P.M. Design and process considerations for a tunneling tip accelerometer. /P.M.Zavracky, B. McClennand, K. Warner, J. Wang, F. Hartley, B. Dolgin //J. Micromech. Microeng. 1996. — V.6. — P.352−358.
- McCord M.A. The micromechanical tunneling transistor. /M.A.McCord, A. Dana, R.F.W.Pease //J. Micromech. Microeng. 1998. — V.8. — P.209−212.
- Kubena B.L. A new miniaturized surface micromachined tunneling accelerometer. /B.L.Kubena, G.M.Atkinson, W.P.Robinson, F.P.Stratton //IEEE Electron Dev. Lett. 1996. — V.17. -No.6. — P.306−308.
- Vatannia S. Resonant tunneling displacement transducer /S. Vatannia, J.L.Schiano, G. Gildenblat, D.M.Ginsberg //IEEE Transactions on Electron Devices 1998. -V.45. -No.7. — P.1616−1619.
- Marques M.I. Modeling of a pressure sensor based on an array of wedge emitters /M.I.Marques, P.A.Serena, D. Nicolaescu, J. Itoh //Applied Surface Science 1999. -V.146. — P.239−244.
- Nicolaescu D. Modeling of the field emitter triode (FET) as a displacement/ pressure sensor //Applied Surface Science 1995. — V.87/88. — P.61−68.
- Модинос А. Авто- термо- и вторично-электронная эмиссионная спектроскопия. -М.: Наука, 1990. 320с.
- Туннельные явления в твёрдых телах /Под ред. Э. Бурштейна, С. Лундквиста. -М. Мир, 1973.-424с.
- Yamaguchi Н. Excellent electric properties of free-standing InAs membranes. /H.Yamaguchi, R. Dreyfus, Y. Hirayama //Appl. Phys. Lett. 2001. — V.78. — No.16. — P.2372−2374.
- Nikishkov G.P. Finite element analysis of self-positioning microstructures and nanostructures. /G.P.Nikishkov, I. Khmyrova, V. Ryzhii //Nanotechnology 2003. -V.14. — P.820−823.
- Prack E.R. An introduction to process visualization in ESEM //Microscopy Research and Technique V. 1993. — V.25. P.487−492.
- Ландау Л. Д., Лифшиц Е. М. Теория упругости. М.: Наука, 1965. 202с.
- Lai J. Optimization and performance of high-resolution micro-optomechanical thermal sensors. /J.Lai, T. Perazzo, Z. Shi, A. Majumdar //Sensors and Actuators A -1997 V.58. — P. 113−119.
- Jeon S. Instant curvature measurement for microcantilever sensor /S. Jeon, T. Thundat //Appl. Phys. Lett. 2004. — V.85. -No.6. — P. 1083−1084.
- Masmanidis S.C. Multifunctional Nanomechanical Systems via Tunably Coupled Piezoelectric Actuation /S.C.Masmanidis, R.B.Karabalin, I. DeVlaminck, G. Borghs, M.R.Freeman, M.L.Roukes //Science. 2007. — V.317. — P.780−783.
- Kumar P. Fabrication of piezoelectric Alo.3Gao.7As microstructures /Р. Kumar, L. Li, L. Calhoun, P. Bourdreaux, D. DeVoe //Sensors and Actuators A 2004. — V. l 15. -No.l. -P.96−103.
- Blencowe M. How to Strum a Nanobar //Science. 2007. — V. l0. — P.762−763.
- Doll J.C. Aluminum nitride on titanium for CMOS compatible piezoelectric transducers /J. C. Doll, В. C. Petzold, B. Ninan, R. Mullapudi and B. L. Pruitt //J. Micromech. Microeng. 2010. — V.20. — N.2. — P.25 008.
- Дж. Най. Физические свойства кристаллов. /Пер. с англ. М. Мир. 1967. -385с.
- Adachi S. GaAs, AlAs and AlxGai. xAs: Material parameters for use in reseach and device applications //J. Appl. Phys. 1985. — V.58. — No.3. — P. R1-R30.
- Hjort K. Gallium arsenide as a machanical material /К. Hjort, J. Soderkvist, J.A. Schweitz. //J. Micromech. Microeng. 1994. — V.4. — P. 1−13.
- Madelung O. Semiconductors: Data Handbook. 3rd edition. New York.: SpringerVerlag, 2003. 691 p.
- Brantley W.A. Calculated elastic constants for stress problems associated with semiconductor devices //J. Appl. Phys. 1973. — V.44. — No.l. — P.534−535.
- Зи С. М. Физика полупроводниковых приборов 1973 — Москва — Энергия -656 с,
- Kordlar Н. J. Modeling Open-Loop MEMS Tunneling Accelerometer Based on Circular Plate /Н. J. Kordlar, G. Rezazadeh //Sensors & Transducers Journal. -2007. V.78. -No.4. — P. l083−1092.
- Daniel J.H. A microaccelerometer structure fabricated in silicon-on-insulator using a focused ion beam process /J.H.Daniel, D.F.Moore //Sensors and Actuators. -1999. V.73.P.201−205.
- Chuang Wen-Hsien Mechanical Property Characterization of LPCVD Silicon Nitride Thin Films at Cryogenic Temperatures /Wen-Hsien Chuang, T. Luger, R.K.Fettig and R. Ghodssi //J. of MEMS. 2004. — V.13. — No.5. — P.870−879.
- А1. Шашкин В. И. О возможных конструкциях датчиков туннельно-эмиссионных акселерометров /В.И.Шашкин, Н. В. Востоков, Е. А. Вопилкин, А. Ю. Климов, Д. Г. Волгунов, В. В. Рогов, С. Г. Лазарев. //Микросистемная техника. 2003. -№ 5. — С.3−6.
- A3. Shashkin V.I. AFM-Characterization of Microlevers. /V.I.Shashkin, E.A.Vopilkin, N.V.Vostokov, A.Yu.Klimov, V.V.Rogov, S.A.Gusev. //Phys. Low-Dim. Struct. -2004/- ½/-P.41−46.
- A4. Шашкин В. И. Изготовление микроконсолей и управление их изгибом /В.И.Шашкин, Е. А. Вопилкин, Н. В. Востоков, А. Ю. Климов, В. В. Рогов, С. А. Гусев, И. Ю. Шулешова. //Микросистемная техника. 2004 — № 9. — С.22−26.
- А5. Shashkin V.I. Fabrication and characterization of stress-free microbeams for MEMS applications /V.I.Shashkin, N.V.Vostokov, E.A.Vopilkin, A.Yu.Klimov, V.M.Daniltsev, V.V.Rogov, S.G.Lazarev //Phys. Stat. Sol. © 2 2005. — N.4. -P.1433−1437.
- A6. Vopilkin E.A. A nanomechanical system with piezoelectric actuation of a GaAs microbeam /E.A.Vopilkin, V.I.Shashkin, Y.N.Drozdov, V.M.Daniltsev, S.A.Gusev and I.Yu.Shuleshova //J. Micromech. Microeng. 2008. — V.18. — N.9. — 9 5006(5pp)
- A7. Вопилкин E.A. Биморфный пьезоэлектрический двигатель для МЭМС на основе GaAs //Е.А.Вопилкин, В. И. Шашкин, Ю. Н. Дроздов, В. М. Данильцев,
- С.А.Гусев, И. Ю. Шулешова //Нано- и Микросистемная техника. 2008 -№ 10. — С.47−51.
- А9. Вопилкин Е. А. Микроэлектромеханический туннельный датчик для виброакселерометра //Е.А.Вопилкин, А. Ю. Климов, В. В. Рогов, И. Ю. Шулешова, Д. А. Пряхин, С. А. Гусев, Е. В. Скороходов, В. И. Шашкин. //Нано- и Микросистемная техника. 2012. — 5. — С.48−53.
- А10. Вопилкин Е. А. МЭМС переменный конденсатор с электростатическим управлением /Е.А.Вопилкин, Ю. И. Чеченин, JI.H. Савицкая, Н. Г. Бронникова, В. И. Шашкин //МНСТ. — 2010. — № 12. — С.30−34.
- А12. Shashkin V.I. AFM-Characterization of Microlevers /V.I.Shashkin, E.A.Vopilkin, N.V.Vostokov, A.Yu.Klimov, V.V.Rogov, S.A.Gusev. //Scanning Probe Microscopy 2004″: proceedings, Nizhny Novgorod, 2−6 May 2004, P.239−241.