RU2484483C1 - Manufacturing method of nano-electromechanical converter, and nano-electromechanical converter with autoelectronic emission - Google Patents

Manufacturing method of nano-electromechanical converter, and nano-electromechanical converter with autoelectronic emission Download PDF

Info

Publication number
RU2484483C1
RU2484483C1 RU2011148180/28A RU2011148180A RU2484483C1 RU 2484483 C1 RU2484483 C1 RU 2484483C1 RU 2011148180/28 A RU2011148180/28 A RU 2011148180/28A RU 2011148180 A RU2011148180 A RU 2011148180A RU 2484483 C1 RU2484483 C1 RU 2484483C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
layer
console
manufacturing
transducer
formation
Prior art date
Application number
RU2011148180/28A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Виктор Акиндинович Солдатенков
Владимир Михайлович Ачильдиев
Юрий Кириллович Грузевич
Николай Анатольевич Бедро
Мария Николаевна Комарова
Игорь Владимирович Воронин
Original Assignee
Открытое акционерное общество "НПО "Геофизика-НВ"
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Открытое акционерное общество "НПО "Геофизика-НВ" filed Critical Открытое акционерное общество "НПО "Геофизика-НВ"
Priority to RU2011148180/28A priority Critical patent/RU2484483C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2484483C1 publication Critical patent/RU2484483C1/en

Links

Images

Landscapes

  • Micromachines (AREA)
  • Pressure Sensors (AREA)

Abstract

FIELD: measurement equipment.
SUBSTANCE: first, the appropriate planar integral circuit is created; for that purpose, contact platforms are formed on reverse side of the base; then, the first conducting layer is created; after that, circuit of a sensitive element of the converter is formed and a sacrificial layer is removed, and the method is completed with formation of the converter housing and formation of whiskers. Besides, at formation of the converter housing in a closed volume of the housing, gas medium with specified parameters is created, and formation of a whisker is performed due to supply of pulses of the specified shape to electrodes. As specified parameters of the medium, for example, pressure and/or dew point are used. Pulses in the form of half-period of sine wave of the specified amplitude and frequency are supplied to electrodes.
EFFECT: unification of different types of sensors with autoelectronic emission and reduction of standard sizes of different sensors.
4 cl, 12 dwg

Description

Изобретения относятся к области измерительной техники, в частности к средствам измерения линейных ускорений, угловых скоростей и тепловых полей малой интенсивности в инфракрасной и терагерцовой области.The invention relates to the field of measurement technology, in particular to means for measuring linear accelerations, angular velocities and low-intensity thermal fields in the infrared and terahertz regions.

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.Micromechanical gyroscope accelerometers — linear acceleration and angular velocity meters (see, for example, US Pat. No. 5,392,650 of February 28, 1995) use capacitive transducers of mechanical inertial mass displacement due to inertia forces or Coriolis forces to voltage.

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.Currently, capacitive converters are the most high-precision and have a large dynamic range of measurement. In micromechanical accelerometers and gyroscopes, working capacitances are several picofarads with inertial mass sizes in the region of 300 × 300 μm, and the sensitivity of a capacitive transducer is determined by its output parasitic capacitors, a preliminary amplifier of service elements.

В преобразователях с наноразмерами рабочая емкость будет значительно ниже и составляет (0,1÷1) фемтофарады и соответственно использование емкостных преобразователей практически невозможно.In converters with nano-sizes, the working capacity will be significantly lower and amounts to (0.1 ÷ 1) femtofarads and, accordingly, the use of capacitive converters is almost impossible.

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.Thermal field meters are known in an uncooled infrared detector (see Uncooled Infrared Detectors Achieve New Performance Levels and Cost Targets Sofradis EC, Inc. Pesourece Center, 2009) based on microbolometric transducers.

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.The main type of uncooled detectors today are microbolometers. Infrared radiation in the wavelength range of 7–13 μm, reaching the surface of the material of the microbolometer detector, is absorbed and its surface heats up. As a result of this, the electrical resistance of the material changes, which is proportional to the temperature.

В настоящее время в микроболометрических детекторах получили применение аморфный кремний (a-Si) и оксид ванадия (VOx).Currently, amorphous silicon (a-Si) and vanadium oxide (VOx) have been used in microbolometric detectors.

Микроболометры на основе аморфного кремния получили достаточно широкое распространение из-за низкой стоимости изготовления, но имеют худшие шумовые характеристики по сравнению с детекторами на основе VOx.Amorphous silicon-based microbolometers are quite widespread due to the low manufacturing cost, but have worse noise characteristics compared to VOx-based detectors.

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).So known is a bolometric detector, a device for detecting infrared radiation using such a bolometric detector and a method for manufacturing this detector (RF Patent No. 2356017, IPC G01J 5/20, 10/14/2004).

Болометрический детектор содержит чувствительную часть, имеющую один или несколько слоев чувствительного материала, удельное сопротивление которого изменяется с температурой, электроды, изолированные друг от друга, так же действуют как поглотители инфракрасного излучения. При этом указанные электроды находятся в контакте с чувствительным материалом на протяжении, по меньшей мере, одной опорной области, для позиционирования указанной чувствительной части, действующей 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.The bolometric detector contains a sensitive part having one or more layers of sensitive material, the resistivity of which varies with temperature, the electrodes isolated from each other also act as infrared absorbers. Moreover, these electrodes are in contact with the sensitive material along at least one supporting region to position said sensitive part, acting as an electrical conductor relative to the readout circuit associated with the bolometric detector. The detector also contains at least one heat-insulating structure that electrically and mechanically connects each supporting region with the sensitive part. Areas of sensitive material that are not in contact with the electrodes have at least one corrugation oriented along a direction perpendicular to the plane containing the sensitive part of the bolometric detector.

Недостатком указанного технического решения является невысокая точность измерения и узкий диапазон регистрации излучения.The disadvantage of this technical solution is the low measurement accuracy and a narrow range of radiation registration.

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.Elimination of these disadvantages can be achieved by using as a transducer a measured quantity (angular velocity and linear acceleration) into electric voltage, field-effect converters (see, for example, RF patent No. 511114, 2003). In this case, an emission layer is applied to the earth electrode (cathode) during the manufacturing process, with a low electron output energy and being a source of electrons.

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.The deposition of carbon (diamond-like) films on the cathode surface allows one to reduce the electron work function, thus modifying the emitting surface and thereby reduces the magnitude of the applied voltage.

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.It should be noted that, despite the apparent attractiveness of using carbon films in the technology of manufacturing nanoelectromechanical sensors, their practical use is hindered by the high sensitivity of carbon films to any subsequent operations, as a result of which they lose all of their above properties.

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.This drawback is partially eliminated in the patent of the Russian Federation for a utility model (see patent No. 107593, IPC G01P 15/08, August 20, 2011), which presents a nanoelectromechanical accelerometer.

В этом случае на катоде формируется эмитирующая поверхность (вискер) в виде параболоида вращения. Это позволяет увеличить ток эмиссии без деградации эмиссионных свойств.In this case, an emitting surface (whisker) is formed on the cathode in the form of a paraboloid of revolution. This allows you to increase the emission current without degradation of the emission properties.

Технический результат от использования предлагаемых изобретений 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.The technical result from the use of the proposed inventions is to unify various types of sensors with field emission and reduce the size of various sensors, based on the fact that when measuring linear accelerations, angular velocities and thermal fields, a console placed in an electric field is used as a sensitive element, and the current value of linear acceleration, angular velocity, and temperature is judged by the change in the emission current depending on the mechanical deformation of the console when externally m disturbance.

Создание эмиссионного слоя (вискера) после формирования чувствительного элемента и упаковки его в корпус позволяет использовать типовые технологические процессы при формировании и упаковке чувствительного элемента.The creation of an emission layer (whisker) after the formation of the sensitive element and its packaging in the housing allows the use of typical technological processes in the formation and packaging of the sensitive element.

Для способа изготовления наноэлектромеханического преобразователя на основе поверхностной микромеханической технологии для кремниевого или сапфирового основания, указанный технический результат достигается тем, что предварительно создают соответствующую планарную интегральную схему, для чего сначала формируют контактные площадки на обратной стороне основания, затем создают первый проводниковый слой, после чего осуществляют формирование контура чувствительного элемента преобразователя и удаляют жертвенный слой, а завершают способ корпусировкой преобразователя и формированием вискеров.For a method of manufacturing a nanoelectromechanical transducer based on surface micromechanical technology for a silicon or sapphire base, this technical result is achieved by first creating the corresponding planar integrated circuit, for which contact pads are formed on the back of the base, then the first conductive layer is created, and then the formation of the contour of the sensitive element of the transducer and remove the sacrificial layer, and complete the process sob by wrapping the transducer and forming whiskers.

Кроме того, 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.In addition, when the converter is encased in a closed enclosure volume, a gaseous medium with specified parameters is created, and the whisker is formed by applying pulses of a given shape to the electrodes.

Кроме того, в качестве заданных параметров среды используют, например, давление и/или точку росы.In addition, for example, the pressure and / or dew point are used as predetermined parameters of the medium.

Кроме того, на электроды подают импульсы в форме полупериода синусоиды заданной амплитуды и частоты.In addition, pulses are applied to the electrodes in the form of a half-wave of a sine wave of a given amplitude and frequency.

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, меньшем или равном Y1, определяемом по формулеFor a nanoelectromechanical converter with field emission, containing a semiconductor structure with an electronic circuit and at least one sensing element made in the form of a console placed on the base of the converter with a gap relative to the conductive substrate, on the surface of which is facing the console, at least at least one whisker, the specified technical result is achieved by the fact that the whisker is formed at a distance from the free end of the console, less than or equal to Y1, determined according to the formula

Y1≤L - L cos(α)+(Z1+d0)·ctg(α)Y 1 ≤L - L cos (α) + (Z 1 + d 0 ) ctg (α)

где d0 - расстояние от катода до нижней поверхности консоли, при касании конца консоли подложки;where d 0 is the distance from the cathode to the bottom surface of the console, when touching the end of the console of the substrate;

Z1 - толщина первого проводникового слоя полупроводниковой структуры;Z1 is the thickness of the first conductor layer of the semiconductor structure;

L - длина консоли;L is the length of the console;

α - угловое перемещение консоли от положения без нагрузки до касания конца консоли подложки;α is the angular movement of the console from the no-load position to the touch of the end of the substrate console;

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.In addition, the sensitive element is made in the form of a bimorph element located on the base of the transducer with a gap relative to the conductive pad, on the surface of which, facing the bimorph element, at least one whisker is formed.

Кроме того, первый слой биморфного элемента выполнен из окисла ванадия, второй - из вольфрама.In addition, the first layer of the bimorph element is made of vanadium oxide, the second is made of tungsten.

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.In addition, two or more bimorph elements are combined into a matrix structure on a common crystal, on which are located the contact pads of rows and columns of the corresponding bimorph elements and contact pads of the “earth”, and the electronic circuit contains the corresponding electronic keys and multiplexers for polling rows and columns general video output.

Изобретения поясняются чертежами.The invention is illustrated by drawings.

На фиг.1 приведена конструкция чувствительного элемента наноэлектромеханического акселерометра (НМА) с автоэлектронной эмиссией.Figure 1 shows the design of the sensitive element of the nanoelectromechanical accelerometer (NMA) with field emission.

На фиг.2 приведена конструкция наноэлектромеханического гироскопа-акселерометра (НМГА) с автоэлектронной эмиссией.Figure 2 shows the design of a nanoelectromechanical gyroscope-accelerometer (NMGA) with field emission.

На фиг.3 приведена конструкция чувствительного элемента нанотермоэлектромеханического преобразователя (НТЭМП) с автоэлектронной эмиссией.Figure 3 shows the design of the sensitive element of the nanothermoelectromechanical transducer (NTEMP) with field emission.

На фиг.4 приведена функциональная схема чувствительного элемента наноэлектромеханическго датчика.Figure 4 shows the functional diagram of the sensitive element of the nanoelectromechanical sensor.

На фиг.5 приведена укрупненная схема технологии изготовления наноэлектромеханических датчиков (НМА и НМГА).Figure 5 shows an enlarged diagram of the manufacturing technology of nanoelectromechanical sensors (NMA and NMHA).

На фиг.6 приведена укрупненная схема технологии изготовления наноэлектромеханического датчика (НТЭМП).Figure 6 shows an enlarged diagram of the manufacturing technology of a nanoelectromechanical sensor (NTEMP).

На фиг.7 показан чувствительный элемент наноэлектромеханического преобразователя (НМА и НМГА) с автоэлектронной эмиссий при отсутствии возмущающего воздействия (ускорения).Figure 7 shows the sensitive element of the nanoelectromechanical transducer (NMA and NMHA) with field emission in the absence of disturbance (acceleration).

На фиг.8 показан чувствительный элемент нанотермоэлектромеханических преобразователей (НМА и НМГА) с автоэлектронной эмиссий при действии вектора ускорения противоположно вектору Y.On Fig shows a sensitive element of nanothermoelectromechanical converters (NMA and NMHA) with field emission under the action of the acceleration vector opposite to the vector Y.

На фиг.9 показан чувствительный элемент нанотермоэлектромеханических преобразователей (НМА и НМГА) с автоэлектронной эмиссий при действии вектора ускорения вдоль вектора Y.Figure 9 shows the sensitive element of nanothermoelectromechanical converters (NMA and NMHA) with field emission under the action of the acceleration vector along the vector Y.

На фиг.10 показан чувствительный элемент нанотермоэлектромеханического преобразователя (НТЭМП) с автоэлектронной эмиссий при отсутствии возмущающего воздействия (теплового потока).Figure 10 shows the sensitive element of the nanothermoelectromechanical transducer (NTEMP) with field emission in the absence of a disturbing effect (heat flux).

На фиг.11 показан чувствительный элемент нанотермоэлектромеханического преобразователя (НТЭМП) с автоэлектронной эмиссий при Т>Т0.11 shows a sensitive element of a nanothermoelectromechanical converter (NTEMP) with field emission at T> T0.

На фиг.12 показан чувствительный элемент нанотермоэлектромеханического преобразователя (НТЭМП) с автоэлектронной эмиссий при Т<Т0.12 shows a sensitive element of a nanothermoelectromechanical converter (NTEMP) with field emission at T <T0.

На фиг.1 показано:Figure 1 shows:

1 - сапфировая подложка (основание);1 - sapphire substrate (base);

2 - катод;2 - cathode;

3 - консоль;3 - console;

4 - опора консоли;4 - console support;

5 - эмиссионный слой (вискер);5 - emission layer (whisker);

7, 9 - контактные площадки.7, 9 - contact pads.

На фиг.2 показано:Figure 2 shows:

1 - сапфировая подложка (основание);1 - sapphire substrate (base);

2 - катод;2 - cathode;

3 - консоль;3 - console;

4 - опора консоли;4 - console support;

5 - эмиссионный слой (вискер);5 - emission layer (whisker);

6 - электроды возбуждения;6 - excitation electrodes;

7, 8, 9, 10 - контактные площадки.7, 8, 9, 10 - contact pads.

На фиг.3 показано:Figure 3 shows:

1 - сапфировая подложка (основание);1 - sapphire substrate (base);

2 - катод;2 - cathode;

3 - консоль;3 - console;

3.1 - Слой VOx;3.1 - VOx layer;

3.2 - Слой W3.2 - Layer W

4 - опора консоли;4 - console support;

5 - эмиссионный слой (вискер).5 - emission layer (whisker).

На фиг.4 показано:Figure 4 shows:

11 - нагрузочный резистор;11 - load resistor;

12 - операционный усилитель;12 - operational amplifier;

13 - чувствительный элемент наноэлектромеханического измерительного преобразователя.13 is a sensitive element of a nanoelectromechanical measuring transducer.

На фиг.5 показано:Figure 5 shows:

1 - сапфировая подложка (основание);1 - sapphire substrate (base);

3 - консоль;3 - console;

5 - эмиссионный слой (вискер);5 - emission layer (whisker);

14 - жертвенный слой;14 - sacrificial layer;

15 - крышка;15 - cover;

16 - корпус.16 - case.

На фиг.6 показано:Figure 6 shows:

1 - сапфировая подложка (основание);1 - sapphire substrate (base);

3 - консоль;3 - console;

3.1 - Слой VOx;3.1 - VOx layer;

3.2 - Слой W3.2 - Layer W

5 - эмиссионный слой (вискер);5 - emission layer (whisker);

14 - жертвенный слой;14 - sacrificial layer;

15 - крышка;15 - cover;

15.1 - светофильтр;15.1 - light filter;

15.2 - кварц.15.2 - quartz.

16 - корпус.16 - case.

На фиг.7 показано:7 shows:

1 - сапфировая подложка (основание);1 - sapphire substrate (base);

3 - консоль;3 - console;

На фиг.8 показано:On Fig shows:

1 - сапфировая подложка (основание);1 - sapphire substrate (base);

3 - консоль;3 - console;

На фиг.9 показано:Figure 9 shows:

1 - сапфировая подложка (основание);1 - sapphire substrate (base);

3 - консоль;3 - console;

На фиг.10 показано:Figure 10 shows:

1 - сапфировая подложка (основание);1 - sapphire substrate (base);

3 - консоль;3 - console;

3.1 - Слой VOx;3.1 - VOx layer;

3.2 - Слой W3.2 - Layer W

На фиг.11 показано:11 shows:

1 - сапфировая подложка (основание);1 - sapphire substrate (base);

3 - консоль;3 - console;

3.1 - Слой VOx;3.1 - VOx layer;

3.2 - Слой W3.2 - Layer W

На фиг.12 показано:12 shows:

1 - сапфировая подложка (основание);1 - sapphire substrate (base);

3 - консоль;3 - console;

3.1 - Слой VOx;3.1 - VOx layer;

3.2 - Слой W3.2 - Layer 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.In the process of manufacturing a nanoelectromechanical transducer based on surface micromechanical technology for a silicon or sapphire base, a corresponding planar integrated circuit is first created, for which contact pads are formed on the back of the base, then the first conductive layer (Z1) is created, and then the contour of the sensitive element is formed transducer and remove the sacrificial layer, and complete the method by encasing the transducer and forming Isker. When the transducer is packed in a closed volume of the housing, a gaseous medium is created with the given parameters, and the formation of the whisker is carried out by applying pulses of a given shape to the electrodes. As the specified parameters of the medium, for example, pressure and / or dew point, as well as other technological parameters are used depending on the required metrological characteristics of the converter. Most often, pulses are applied to the electrodes in the form of a half-wave of a sinusoid of a given amplitude and frequency. However, other pulse shapes may also be used.

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, меньшем или равном Y1, определяемом по формулеA nanoelectromechanical converter with field emission in general contains a semiconductor structure (1, 5, 14) with an electronic circuit (11, 12) and at least one sensing element made in the form of a console 3 located on the base of the 1 converter with a gap with respect to a conductive pad (cathode) 2, on the surface of which facing the console, at least one whisker 5 is formed. The whisker 5 is formed at a distance from the free end of the console less than or equal to Y1, determined by the formula

Y1≤L - L cos(α)+(Z1+d0)·ctg(α)Y 1 ≤L - L cos (α) + (Z 1 + d 0 ) ctg (α)

где d0 - расстояние от катода 2 до нижней поверхности консоли 3, при касании конца консоли подложки;where d 0 is the distance from the cathode 2 to the bottom surface of the console 3, when touching the end of the substrate console;

Z1 - толщина первого проводникового слоя полупроводниковой структуры;Z 1 is the thickness of the first conductor layer of the semiconductor structure;

L - длина консоли 3;L is the length of the console 3;

α - 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, один 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.α is the angular movement of the console from the no-load position until it touches the end of the console 3 of the substrate. The sensitive element can be made in the form of a bimorph element (3.1, 3.2) placed on the base of the transducer with a gap relative to the conductive pad 2, on the surface of which, facing the bimorph element, at least one whisker is formed 5. The first layer of the bimorph element 3.1 can be made from vanadium oxide, the second 3.2 - from tungsten. Two or more bimorph elements can be combined into a matrix structure (not shown) on a common crystal, on which the contact pads of rows and columns (not shown) of the corresponding bimorph elements and contact pads of the earth are placed, and the electronic circuit can contain the corresponding electronic keys and multiplexers (not shown) for polling rows and columns associated with a common video output.

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.The design of the sensitive element of the nanoelectromechanical accelerometer (NMA) with field emission is shown in figure 1. The sensitive element is formed on the sapphire substrate (base) 1 and has a cantilever structure 3 fixed to the support 4. The formation of the emission layer (whisker) 5 occurs on the surface of the cathode 2, after the crystal is packed into the housing. The electrical connection of the crystal with the housing is through the contact pads of the crystal 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.The design of the sensitive element of the nanoelectromechanical gyroscope-accelerometer (NMGA) with field emission is shown in figure 2. The sensitive element is formed on the sapphire substrate (base) 1 and has a cantilever structure 3 fixed to the support 4. The formation of the emission layer (whisker) 5 occurs on the surface of the cathode 2, after the crystal is packed into the housing. The excitation electrodes 6 are used to set the longitudinal vibrations of the console in the plane of the substrate. The electrical connection of the crystal with the body is carried out through the contact pads of the crystal 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.The design of the nanothermoelectromechanical converter (NTEMP) with field emission is shown in Fig.3. The sensitive element is formed on a sapphire substrate (base) 1 and has a cantilever structure 3 mounted on a support 4. The cantilever 3 has a bimorph structure consisting of two layers - vanadium oxide (VOx) 3.1 and tungsten W 3.2.

Схема включения наноэлектромеханического преобразователя с 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.The scheme for switching on a nanoelectromechanical converter with field emission is shown in Fig. 4. The supply voltage U is supplied through the load resistor 11 to the sensing element 13. The operational amplifier is used to coordinate the input and output of the sensor.

На фиг.5, 6 приведена укрупненная схема технологии изготовления наноэлектромеханических датчиков (НМА, НМГА, НТЭМП). Схема состоит из четырех основных операций: формирования первого слоя, формирования контуров чувствительного элемента, удаления жертвенного слоя 14, упаковки кристалла наноэлектромеханического датчика (НМА, НМГА или НТЭМП) и инициализации.Figure 5, 6 shows an enlarged diagram of the manufacturing technology of nanoelectromechanical sensors (NMA, NMGA, NTEMP). The scheme consists of four main operations: the formation of the first layer, the formation of the contours of the sensitive element, the removal of the sacrificial layer 14, the packaging of the crystal of the nanoelectromechanical sensor (NMA, NMHA or NTEMP) and initialization.

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.Figure 7 shows the sensitive element of intangible magnetic resonance, NMGA in the absence of external disturbance. When the acceleration vector appears, acting along the H axis, the deformation of the sensitive element occurs: Fig. 8 - acceleration acts opposite to the vector Y, Fig. 9 - acceleration acts in the direction of the vector.

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.Figure 10 shows the sensitive element NTEM in the absence of external disturbance. When the temperature difference T> T0 (Fig. 11) and T <T0 (Fig. 12) appears, the console material expands linearly. Since the cantilever of the NTEMP sensitive element has a bimorph structure consisting of vanadium oxide (VOx) and tungsten (W), the expansion coefficients of which are different, the cantilever deforms mechanically, leading to a change in the gap d0.

Суть работы наноэлектромеханических датчиков заключается в изменении тока эмиссии вследствие изменения рабочего зазора d0. При этом ток эмиссии i будет пропорционален измеряемой физической величинеThe essence of the work of nanoelectromechanical sensors is to change the emission current due to a change in the working gap d0. In this case, the emission current i will be proportional to the measured physical quantity

i a = K a W ˙

Figure 00000001
i a = K a W ˙
Figure 00000001

i г = K г ω ˙

Figure 00000002
i g = K g ω ˙
Figure 00000002

i т = K т T

Figure 00000003
i t = K t T
Figure 00000003

где КамаКэа where K a = K ma K ea

КгмгКэг K g = K mg K eg

КтмтКэт K t = K mt K et

Ка, Кг, Кт - коэффициенты преобразования (масштабные коэффициенты) акселерометра, гироскопа и термоэлектронного преобразователя;K a , K g , K t - conversion coefficients (scale factors) of the accelerometer, gyroscope and thermionic converter;

W ˙ ,   ω ˙ ,  Т

Figure 00000004
- измеряемые величины: линейные ускорения, угловые скорости и температура; W ˙ , ω ˙ , T
Figure 00000004
- measured values: linear accelerations, angular velocities and temperature;

Kма, Kмг, Kмт - коэффициенты преобразования измеряемых величин (линейных ускорений, угловых скоростей и температуры) в механическое перемещение;K ma , K mg , K mt — conversion factors of measured quantities (linear accelerations, angular velocities and temperature) into mechanical displacement;

Кэа, Кэг, Кэт - коэффициенты преобразования механического перемещения консоли в величину тока эмиссии.To ea , To eg , To et - the conversion coefficients of the mechanical movement of the console in the magnitude of the emission current.

В итоге получаем технический результат от использования предлагаемых изобретений, который заключается в унификации различных типов датчиков с автоэлектронной эмиссией и уменьшении типоразмеров различных датчиков, основанных 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.As a result, we obtain a technical result from the use of the proposed inventions, which consists in unifying various types of sensors with field emission and reducing the sizes of various sensors, based on the fact that when measuring linear accelerations, angular velocities and thermal fields, a console located in electric field, and the current value of linear acceleration, angular velocity and temperature is judged by the change in the emission current depending on the mechanical def mation console with external perturbations.

Claims (4)

1. Способ изготовления наноэлектромеханического преобразователя на основе поверхностной микромеханической технологии для кремниевого или сапфирового основания, заключающийся в том, что предварительно на кремниевом или сапфировом основании создают слоистую полупроводниковую структуру с контактными площадками, содержащую, по меньшей мере, слой чувствительного элемента, эмиссионный слой и жертвенный слой между ними, затем осуществляют формирование контура консоли чувствительного элемента преобразователя из материала слоя чувствительного элемента посредством удаления среднего жертвенного слоя между слоем чувствительного элемента, основанием и сформированным на этом основании эмиссионным слоем, а завершают способ корпусировкой преобразователя и формированием вискеров на эмиссионном слое.1. A method of manufacturing a nanoelectromechanical transducer based on surface micromechanical technology for a silicon or sapphire base, which consists in the fact that previously on a silicon or sapphire base create a layered semiconductor structure with contact pads, containing at least a layer of a sensitive element, an emission layer and a sacrificial layer between them, then the contour of the console of the sensor element of the transducer is formed from the layer material element by removing the middle sacrificial layer between the layer of the sensing element, the base and the emission layer formed on this basis, and complete the method by wrapping the transducer and forming whiskers on the emission layer. 2. Способ изготовления по п.1, отличающийся тем, что 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.2. The manufacturing method according to claim 1, characterized in that when the transducer is packed in a closed enclosure volume, a gaseous medium is created with predetermined parameters, and the whisker is formed by applying pulses of a given shape to the electrodes. 3. Способ изготовления по п.2, отличающийся тем, что в качестве заданных параметров среды используют, например, давление и/или точку росы.3. The manufacturing method according to claim 2, characterized in that, for example, the pressure and / or dew point is used as the specified medium parameters. 4. Способ изготовления по п.2, отличающийся тем, что на электроды подают импульсы в форме полупериода синусоиды заданной амплитуды и частоты. 4. The manufacturing method according to claim 2, characterized in that the pulses are applied to the electrodes in the form of a half-wave of a sine wave of a given amplitude and frequency.
RU2011148180/28A 2011-11-28 2011-11-28 Manufacturing method of nano-electromechanical converter, and nano-electromechanical converter with autoelectronic emission RU2484483C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2011148180/28A RU2484483C1 (en) 2011-11-28 2011-11-28 Manufacturing method of nano-electromechanical converter, and nano-electromechanical converter with autoelectronic emission

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2011148180/28A RU2484483C1 (en) 2011-11-28 2011-11-28 Manufacturing method of nano-electromechanical converter, and nano-electromechanical converter with autoelectronic emission

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2484483C1 true RU2484483C1 (en) 2013-06-10

Family

ID=48785827

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2011148180/28A RU2484483C1 (en) 2011-11-28 2011-11-28 Manufacturing method of nano-electromechanical converter, and nano-electromechanical converter with autoelectronic emission

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2484483C1 (en)

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2251114C1 (en) * 2003-12-26 2005-04-27 Ачильдиев Владимир Михайлович Micromechanical transducer and mode of its manufacturing
US7280078B2 (en) * 2004-11-20 2007-10-09 Scenterra, Inc. Sensor for detecting high frequency signals
US7288873B2 (en) * 2004-11-20 2007-10-30 Scenterra, Inc. Device for emission of high frequency signals
RU107593U1 (en) * 2010-07-28 2011-08-20 Виктор Акиндинович Солдатенков NANOMECHANICAL ACCELEROMETER

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2251114C1 (en) * 2003-12-26 2005-04-27 Ачильдиев Владимир Михайлович Micromechanical transducer and mode of its manufacturing
US7280078B2 (en) * 2004-11-20 2007-10-09 Scenterra, Inc. Sensor for detecting high frequency signals
US7288873B2 (en) * 2004-11-20 2007-10-30 Scenterra, Inc. Device for emission of high frequency signals
RU107593U1 (en) * 2010-07-28 2011-08-20 Виктор Акиндинович Солдатенков NANOMECHANICAL ACCELEROMETER

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP5400560B2 (en) Capacitive sensor
US9709536B2 (en) Thermal flow sensor, gas sensor comprising at least one such sensor and Pirani gauge comprising at least one such sensor
JP2010127763A (en) Semiconductor mechanical quantity detection sensor and controller using the same
JP2000028694A (en) Micromaching magnetic field sensor and its manufacture
JPH10508090A (en) Dielectrically separated resonant microsensor
CN104502631B (en) A kind of acceleration transducer based on Graphene
US20180299269A1 (en) Multi-axis, single-drive inertial device
CN207468189U (en) A kind of pressure resistance type MEMS temperature sensor
Wu et al. A nano-g MEMS accelerometer for earthquake monitoring
Li et al. An integrated packaged resonant accelerometer with temperature compensation
Goericke et al. High temperature compatible aluminum nitride resonating strain sensor
RU2484483C1 (en) Manufacturing method of nano-electromechanical converter, and nano-electromechanical converter with autoelectronic emission
CN109855791B (en) Vacuum detection device based on multi-folding supporting beam comb resonator
RU121593U1 (en) NANOELECTROMECHANICAL CONVERTER WITH AUTOELECTRONIC EMISSION
Wang et al. Novel full range vacuum pressure sensing technique using free decay of trapezoid micro-cantilever beam deflected by electrostatic force
US11427465B2 (en) Capacitive sensors having temperature stable output
CN109738093B (en) On-chip resonant beam structure for detecting stress of micro-electromechanical device and detection method
JPH0515975B2 (en)
Park et al. Development of a complete dual-axis micromachined convective accelerometer with high sensitivity
JP2017505425A (en) System and corresponding method for determining at least part of the shape of a three-dimensional object
JP2009097951A (en) Temperature sensor
Xu et al. High-precision low-power quartz tuning fork temperature sensor with optimized resonance excitation
Sinatra et al. Self-generating microsensor with meander architecture for performance enhancement in inertial systems
JPH09257830A (en) Vibration type acceleration sensor
Li et al. Design of a resonant accelerometer integrated with a diamond like carbon film temperature sensor

Legal Events

Date Code Title Description
MM4A The patent is invalid due to non-payment of fees

Effective date: 20131129

NF4A Reinstatement of patent

Effective date: 20150210