Микромеханические конструкции и технологии в системах охраны

П.Г. Михайлов, заместитель директора ЗАО «ЦеСИС НИКИРЭТ» И. Ю. Смирнов, заместитель начальника производства ЗАО «ЦеСИС НИКИРЭТ» Закрытое акционерное общество «Центр специальных инженерных сооружений научно-исследовательского и конструкторского института радиоэлектронной техники» (ЗАО «ЦеСИС НИКИРЭТ»), г. Пенза

Надежность и эффективность работы охранных систем (ОС) в значительной степени зависит от приемников первичной информации, из которых одними из основных являются сейсмоприемники (СП). Следует отметить, что составляющие и элементы тракта усиления, обработки и анализа информации в последнее время претерпели значительные изменения в части расширения функциональных возможностей, уменьшения габаритов и снижения энергопотребления путем использования современной микропроцессорной базы, то традиционные датчики в большинстве своем мало видоизменились. В первую очередь это относится к вибрационным, тактильным, акустическим, тепловым и другим СП, имеющим наибольшее применение в ОС. Как правило, при изготовлении традиционных СП используется большое число ручных сборочных и настроечных операций характеризующихся значительной трудоемкостью и малой технологичностью. Используемые в них материалы и комплектующие зачастую имеют недостаточную совместимость по механическим, тепловым и физико-химическим характеристикам. Кроме того, в большинстве своем, чувствительные элементы (ЧЭ) СП не оптимизированы по конструктивно-технологическим параметрам: у них нет достаточной механической и тепловой развязки от корпуса, зачастую отсутствуют элементы термокомпенсации и проч. И, как следствие конструктивных недоработок, приводят к появлению в ЧЭ концентраторов механических напряжений, градиенту температур, загрязнений и дефектов, что проявляется в нестабильности параметров и к отказам СП в процессе эксплуатации. Кратко сформулируем основные характерные недостатки традиционных СП: — пьезокерамические СП имеют значительные разбросы амплитудочастотной характеристики (АЧХ), сложны в настройке и изготовлении, у них неудовлетворительная помехозащищенность ввиду большого входного сопротивления, необходим специальный антивибрационный кабель с малой погонной емкостью, имеют узкий частотный диапазон и малую чувствительность в области низких частот; — тензорезисторные СП силы и давления грунта имеют малую чувствительность, значительные габариты и, соответственно, недостаточную скрытность; — электромагнитные СП наряду со значительными габаритами и большим энергопотреблением характеризуются также недостаточной помехозащищенностью и не могут в достаточной мере обеспечить необходимые для ОС скрытность и информативность. Кроме того, необходимо отметить, что общим недостатком традиционных СП является их неудовлетворительная информационно-энергетическая совместимость как друг с другом, так и с современными компьютеризированными ОС. Модернизация и различного рода доработки указанных СП не могут решить проблему в целом. Большинство указанных проблем может быть решено при использовании в СП ОС микромеханических узлов и структур, представляющие собой двух или трехмерные ЧЭ часто совмещенные со схемами усиления и обработки [1, 2]. При этом наиболее оптимальными физическими принципами преобразования вибропараметров являются пьезорезистивный и емкостной. С использованием микромеханических технологий можно изготовить балки или мембраны и инерционной массой или без нее очень малой толщины с концентраторами механических напряжений, что позволяет добиться необходимой чувствительности и требуемой полосы частот (рис. 1). Кроме того, возможность получения очень тонких зазоров между пластинами при малых размерах самого ЧЭ и измерительного модуля, позволяют реализовать герметичные конструкции емкостных СП (рис. 2). Коэффициент демпфирования задается давлением воздуха или инертного газа в замкнутой полости ЧЭ. На основе кремния и использования технологий микромеханики могут быть выполнены консольные балки (рис. 3а) и струны (рис. 3б), широко применяемые в качестве ЧЭ микромеханических СП. В микромеханических конструкциях и технологиях основное место занимают конструктивные материалы: силовые и особенно функциональные, так как от них зависит большинство достижимых технических характеристик СП. В качестве силовых и функциональных материалов в микромеханических СП (МСП) используются: монокристаллический кремний (МК), поликристаллический кремний (ПК), а также полупроводниковые структуры — кремний на сапфире (КНС), кремний на кремнии (КНК). Благодаря наличию в МК разнообразных физических эффектов (пьезорезистивный, фотоэлектрический, гальваномагнитный, эффект Пельтье и др.), можно разрабатывать совмещенные МСП, например давления и температуры, вибрации и температуры и проч., что позволяет повысить информативность контроля, так как одновременное измерение нескольких параметров в одной точке (при их корреляции) позволяет судить о большой вероятности попытки проникновения. Кроме того, использование отработанной кремниевой технологии и технологических линеек позволяет групповыми методами изготавливать дешевые СП, которые могут использоваться в качестве расходного материала при временной охране мест дислокации техники, войск и проч. Интеграция микромеханических ЧЭ с микропроцессорными системами делает МСП «разумными» (интеллектуальными). Кроме того, возможность формировать на одной подложке с ЧЭ микромеханических элементов (балок, нагревателей, охладителей и т.п.) «оживляет» СП, так как позволяет в процессе измерения и функционирования проводить автотестирование, блокировку и защиту при перепадах питающего напряжения или измеряемого параметра. В настоящее время в микромеханике разработано большое количество базовых конструктивно-технологических решений (КТР) которые могут использоваться при создании многих типов МСП [3–7]: -профилированные и плоские микробалки; -профилированные мембраны; -концентраторы механических напряжений; -вакуумированные и газонаполненные микрополости; -пленочные и диффузионные термокомпенсаторы; -поликремниевые (ПК) термо-и пьезорезисторы; -ЧЭ со ступенчатым профилем; -прецизионное глубинное анизотропное травление монокристаллического кремния в щелочных травителях; -плазмохимическое травление кремния и контактной металлизации; -электроадгезионное соединение кремния со стеклом и металлами. Перспективными направлениями в конструкциях МСП в настоящее время являются: ЧЭ на поверхностно-акустических волнах (ПАВ); ЧЭ на основе ПК и полупроводниковых структур. Преимуществом ПАВ датчиков является частотная форма выходного сигнала, высокая помехоустойчивость, возможность работы в пассивном режиме. Поликремний, как материал для перспективных МСП обладает рядом уникальных свойств, к которым относятся [6]: −возможность осаждаться в виде тонких (до 1 мкм) и толстых (до 100 мкм) слоев из газовой фазы при небольших температурах; −с помощью процессов фотолитографии и травления ПК пленкам может быть придана любая форма с чрезвычайно высокой точностью и малыми размерами; −прочность ПК пленок очень высокая, что позволяет формировать из них силопередающие элементы микроконструкций (мембраны, балки, зубчатые колеса и проч.); −с помощью травления в ПК структурах могут быть сформированы подвижные элементы; −ПК пленки могут легироваться в процессе роста, что позволяет изменять в широких пределах их удельное сопротивление и температурный коэффициент сопротивления; −путем лазерной рекристаллизации, ПК пленки могут быть модифицированы в монокристаллические. В качестве примера одновременного использования монокристаллического и поликристаллического кремния в одном микромеханическом ЧЭ СП на рис. 4 приведена топология профилированного ЧЭ, а на рис. 5 конструкция миниатюрного плоского полупроводникового датчика для измерения давления грунта с использованием данного ЧЭ. Список литературы 1.Виглеб. Датчики. Устройство и применение / М.: Мир, 1989. 2.Ваганов В.И. Интегральные преобразователи / М.: Энергоатомиздат, 1983. 3.Готра З.Ю. Технология микроэлектронных устройств / Справочник – М.: Радио и связь, 1991. 4.Мальцев П.П., Телец В.А., Никифоров А.Ю. Технология и изделия микроэлектромеханики // Микросистемная техника, № 10, 2001, с. 18-24. 5.Коновалов С.Ф., Новоселов Г.М., Полынков А.В. и др. Опыт разработки навигационных приборов на основе кремния // Микросистемная техника 2001 № 4, с. 19-25. 6.Поликристаллические полупроводники. Физические свойства и применение / под ред. Г. Харбеке – М.: Мир, 1989. 7.Михайлов П.Г. Формообразование сенсорных элементов и структур микроэлектронных датчиков // Новые промышленные технологии 2004. № 2.