конспект лекций за второй семестр преподаватель Ляхова 2 (40_Мехатроника)

Посмотреть архив целиком

14



Механотроника


Для настройки, управления миниатюрными устройствами можно пользоваться перемещающимися механо - электрическими микросистемами (МЭМС). В МЭМС непременно есть подвижный упругий элемент: мембрана, консоль, тонкая балка. В деталях большого размера появление механических напряжений может привести к разрушению. В микроэлементах накапливающееся механическое напряжение не достигает предела прочности. Пример балки. Деформация кручения балки является суперпозицией линейной и сдвиговой деформаций. Касательное напряжение увеличивается по мере продвижения от закрепленной точки (0) к поверхности образца. Только для малоразмерных элементов она не является деструктивной. Балка меньшего диаметра подвержена меньшим касательным деформациям, поэтому может поворачиваться на существенно больший угол до разрушения. Балка в качестве поворотной оси не нуждается в подшипниках. Малоразмерные электронные элементы на полупроводниковых подложках не разламываются. Это используется для создания гибких большеразмерных электронных устройств: дисплеев, солнечных панелей.  

 

Рис. Распределение касательных напряжений при кручении.


По электрическим и магнитным параметрам МЭМС могут превосходить традиционные радиоэлементы, например, это более широкие диапазоны рабочих частот, нулевое потребление энергии в состоянии покоя, более высокая добротность подвесной катушки индуктивности. Используются другие виды энергии: механическая (статическая), акустическая (волновая), тепловая.

Изготовление подвесных конструкций. МЭМС изготавливаются по технологии «жертвенного слоя». Для изолирования других элементов микросхемы от тока нагревателя консоли формируют слой из нитрида кремния Si3N4, который получается в газовой среде при регулируемых температуре и давлении.


А Б

Рис. Подложка из кремния (А) и изолирующий слой из нитрида кремния (Б).


Для реализации подвесной конструкции наносят так называемый «жертвенный» слой, который впоследствии удаляется полностью. В качестве материала «жертвенного» слоя используется диоксид кремния, благодаря контрастности для селективного травления. Литография и «мокрое» травление формируют окно в «жертвенном» слое для основания консоли.


А Б

Рис. «Жертвенный» слой из диоксида кремния (А), протравленное отверстие для основания консоли (Б) и в «жертвенном» и в изолирующем слоях.


На «жертвенный» слой наносят первый из слоев консоли и создают ее форму методом литографии с сухим травлением.


А Б

Рис. Первый кремниевый слой консоли (А), форма первого слоя консоли (Б).


Аналогично создают второй (изолирующий) слой консоли из фоторезиста марки SU8. Сверху формируют петлю нагревателя из золота с применением литографии слоя, полученного электронно - лучевым испарением.


А Б

Рис. Форма второго слоя консоли из фоторезиста марки SU8 (А), консоль с нагревателем на «жертвенном» слое (Б).


«Жертвенный» слой стравливается, освобождая консоль. Контактные площадки нагревателя соединяют с подводящими проводниками микросхемы одновременно с другими монтажно – сборочными операциями.



Рис. Подвесная консоль.

МЭМС нашли применение в мобильных телефонах, оборудовании беспроводных сетей стандарта 802.11а/b/g, рассчитанные на диапазоны частот 5.3 и 2.4 ГГц, СВЧ системы многоточечного доступа (LMDS), для электронной торговли, в системах передачи данных на базе стандарта Bluetooth и устройствах позиционирования на местности, системах GPS.

Рис. Мобильный телефон с МЭМС устройствами.


Подвижность (управление) данным элементам интегральной схемы придают следующие эффекты:

- электростатический,

- магнитостатический (магнитострикционный),

- тепловой,

- биметаллический,

- сплава с памятью формы,

- пьезоэлектрический.


Электростатический метод – наиболее простой, не требует оригинальных материалов. Нужны 2 электрода. Управляемый конденсатор может работать как в пропорциональном, так и релейном (бинарном) режимах.



Рис. Электростатическое управление консолью. Контакт остается (4), пока заряд – на электроде.


Магнитный метод управления емкостью конденсатора также может работать как в пропорциональном, так и релейном (бинарном) режимах.

Но он не всегда удобен, поскольку может мешать соседним элементам.






Рис. Магнитный привод.


Термические методы используют тепловую энергию различного происхождения. В термоупругом приводе в место сочленения подвижной части с неподвижной наносится капля фоторезиста (Hoechst AZ4562 или фоточувствительный полиимид). Фоторезист уменьшает свой объем под действием света и возвращается к прежнему объему в его отсутствие, т.е. проявляет упругость формы. Уменьшение объема фоторезиста заставляет подвижную часть привода подниматься. Этой подвижной частью может служить микрозеркало, микроантенна. Капля фоторезиста скрепляет подвижную и неподвижную части привода.


Рис. Схема работы и изображение термоупругого привода.


Термоэлектрический привод ( heatuator - хитуатор) формируется как U-образная консоль (разрезана вдоль, но не до конца). Материал консоли – кремний – обладает достаточным уровнем проводимости, чтобы сыграть роль сопротивления. К нему можно непосредственно подвести напряжение. Одна половина консоли – узкая и высокоомная, другая – широкая и низкоомная. Разность потенциалов вызывает ток, нагревающий консоль. При этом узкая часть нагревается значительно сильнее, чем широкая с большим поперечным сечением. Как следствие, узкая часть консоль консоли удлиняется больше, чем его широкая часть. Происходит изгиб в сторону широкой части.


Рис. Термоэлектрический привод с разрезной кремниевой консолью.


Сплав с памятью формы удобен для управления оптическими сигналами, поскольку сплав полируется до зеркального качества. Изменение температуры может инициировать фазовый переход, например, в сплавах с памятью формы (СПФ) это переход мартенсит - аустенит. Консоль из СПФ может быть использована как привод или выключатель. Нагревание осуществляется электрическим током или дистанционно тепловым лучом.


Рис. Изменение конфигурации консоли из СПФ при охлаждении (cooling) и нагревании (heating).


Биметаллический метод использует пару материалов с различным температурным коэффициентом линейного расширения (ТКЛР). Катушки индуктивности из хромо -молибденовой плёнки, сами сворачиваются при нагревании на поверхности интегральных схем.


Рис.
Самозакручивающиеся катушки индуктивности.


Пьезоэлектрический метод используется преимущественно для переменных сигналов, поскольку накопленный заряд быстро стекает. Требуется структурированная пьезоэлектрическая подложка или пленка. Упругая среда способствует распространению акустических волн (АВ).





Продольные волны АВ Поперечные волны АВ.


Рис. Схема сдвига частиц при продольных и поперечных акустических волнах.


Продольные волны - это колебания растяжения и сжатия. Смещение частиц определяется величиной модуля упругости Е, а запаздывание смещения - массой частиц, т.е. плотностью среды . Скорость продольной волны:

Vпрод =  (E / ) .

Поперечные волны - это сдвиговые колебания. Смещение ряда атомов происходит перпендикулярно направлению распространения волны со скоростью:

Vпоп = (G / ),

где G- модуль сдвига. Поскольку E > G, то Vпрод >Vпоп . Для стали Vпрод = 5.1 103 м/с, а Vпоп = 3.2 103 м/с.

Рис. Структура пьезоэлектрического привода: между верхним (Top) и нижним (Bottom) электродами заключена пьезоэлектрическая (PZT) пленка, возбуждающая колебания консоли (Cantilever) из кремния Si.


Радиоэлементы.


Реализация подвесных конструкций катушек индуктивности позволяет получить более высокую добротность в более высоком частотном диапазоне. Это достигается с помощью подвешенной конструкции при удалении части материала подложки под катушкой индуктивности. В результате уменьшается влияние паразитных параметров. Катушки индуктивности являются ключевыми элементами резонансных контуров, обеспечивающих, в частности, согласование импеданса сети, работу малошумящих усилителей и генераторов, управляемых напряжением (ГУН).




Рис. Катушки индуктивности. L=10~20Hn, Q factor: 50~130


Увеличение коэффициента усиления, рассеяние мощности или наличие фазовых шумов в таких схемах приводит, в свою очередь, к необходимости объединения MEMS-катушек индуктивности на одном кристалле. Применение MEMS-катушки индуктивности даёт выигрыш по усилению на 12 дБ и удвоенное увеличение резонансной частоты.

Рис. СВЧ CMOS-усилитель с подвешенной MEMS-катушкой индуктивности (а), поперечное сечение катушки индуктивности (в) и её характеристики усилителей с удалённым и неудалённым материалом подложки под катушкой индуктивности. (с).


Конденсаторы с изменяемой ёмкостью MEMS - варакторы - могут быть выполнены на основе подвижных элементов (консолей или мембран) в виде планарных или параллельно расположенных пластин или в виде встречно-штыревой планарной структуры.




Рис. Планарные конденсаторы на основе консолей. Такие емкости чувствительны к механическим воздействиям. Малые величины возмущений требуют близкого расположения усилителя.


Для параллельного переменного конденсатора – варактора - диапазон перестройки составляет 150% при изменении напряжения от 0 до 4 В. Для встречно-штыревой структуры диапазон перестройки при изменении напряжения от 2 до 14 В составляет около 200%.



Рис. MEMS-варакторы на основе параллельных пластин и встречно-штыревой структуры с электростатическим управлением. (На протяженных поверхностях выполняется перфорация для релаксации тепловых и механических напряжений).



Рис. Изменение емкости встречно-штыревой структуры достигается градиентом механических напряжений при нагревании. Для реализации эффекта используются биметаллические композиции, сплавы с памятью формы (6/7 Al fingers, 1µm thick, 300µm long, 20µm wide andm spaced).


Рис. Мембранный варактор.


Рис. Схема МЭМС варактора на основе консоли в схеме многослойной керамики.



Рис. Фото консольного МЭМС варактора.


Переключатели. Коммутаторы.


СВЧ MЭMС - коммутаторы формируются на основе варакторов. Сравнение характеристик СВЧ - коммутаторов, выполненных на MESFET-транзисторах, PIN-диодах с использованием MЭMС - технологий. Самым большим недостатком МЭМС коммутаторов является большое время переключения и габариты.

Сравнительная оценка МЭМС переключателей, кремниевых p-i-n диодов и арсенид-галлиевых ПТШ в пассивном включении.

Табл.

Наименование параметра

МЭМС переключатель

Si

p-i-n диод

GaAs

ПТШ

Время переключения, нсек

1000

1-10

0,1

Ток, мкА

10

1000

1,0

Напряжение, В

3-30

1-20

3-6

Сопротивление в открытом состоянии, Ом

1-5

1-2

3-6

Емкость в закрытом состоянии, пф

0,05-0,2

0,05-0,2

0,2-0,4

Потери на 3 ГГц, дБ

0,1

0,3

0,5

Развязка на 3 ГГц, дБ

20

40

30

Коммутируемая мощность, Вт

0,01-0,1

1-100

0,1

Граница линейности, дБм

70

40-50

30


Параметр

MESFET

PIN-диод

MEMS

Последовательное сопротивление, Ом

3-5

1

< 1

Потери на частоте 1 ГГц, дБ

0,5 - 1,0

0,5 - 1,0

0,1

Развязка на частоте 1 ГГц, дБ

20 - 40

40

> 40

IP3, дБм

40 - 60

30 - 45

> 66

Точка компрессии усиления по уровню -1 дБ, дБм

20 - 35

25 - 30

> 33

Габаритные размеры, мм²

1 - 5

0,1

< 0,1

Время переключения

~ нс

~ нс

~ нс

Управляющее напряжение, В

8

3 - 5

3 - 30

Ток срабатывания

< 10 мкА

10 мА

< 10 мкА