Конструирование и производство
датчиков, приборов и систем
УДК 621.865.8
МИКРОЭЛЕКТРОННЫЕ ДАТЧИКИ. РАЗРАБОТКА И ПРОЕКТИРОВАНИЕ
П. Г. Михайлов, А. В. Варламов
Рассмотрены состояние и перспективы развития микроэлектронных датчиков (МЭД), определены возможные сферы применения. Предложена декомпозиция структуры МЭД, позволяющая рассматривать датчик как сложную систему. Определены основные этапы проектирования и их особенности.
Под микроэлектронными датчиками (МЭД) в современных технических системах обычно подразумевают ряд датчиков (сенсоров), изготавливаемых групповыми методами микроэлектронной технологии.
Следует отметить, что МЭД, как правило, в сравнении с традиционными датчиками обладают расширенными функциональными возможностями. Использование в структуре МЭД таких элементов, как запоминающее устройство, процессор, аналого-цифровой преобразователь и ряд других, позволяет достичь качественно нового уровня измерения и контроля, дающего возможность проводить диагностику, автокалибровку, запоминание и корректировку данных при согласовании со стандартным измерительным интерфейсом [1—4].
При разработке первых МЭД была полностью заимствована технология интегральных схем [5]. Метрологические и эксплуатационные характеристики МЭД первого поколения были неудовлетворительными, что, однако, не мешало их внедрению поначалу в бытовую технику. Главным и, зачастую, определяющим при этом был стоимостной фактор, так как благодаря групповой технологии изготовления их цена была в большинстве своем ниже цены традиционных датчиков. При этом их малые габариты и сравнительно высокая надежность, а также возможность простой стыковки с существующими системами управления и регулирования давали им неоспоримые преимущества перед традиционными датчиками.
По мере развития и совершенствования технологических процессов в микроэлектронике, а также благодаря разработке и внедрению специальных технологий, метрологические и эксплуатационные характеристики МЭД постоянно улучшались, а стоимость уменьшалась. Поэтому МЭД
стали повсеместно использоваться в автомобилях, хотя условия эксплуатации в них достаточно жесткие (удары, вибрации, влага и т. п.). Факт использования МЭД в автомобилях, с одной стороны, резко расширил рынок сбыта датчиков, а с другой — позволил разработать и внедрить микропроцессорные системы управления (впрыск, диагностика, микроклимат и т. п.).
Наступил момент, когда МЭД стали применяться и в военной технике, хотя эта сфера является традиционно консервативной для большинства нововведений. Примерами использования МЭД в оборонных отраслях являются авиация и космос, где МЭД стали применяться в системах телеметрии, управления и регулирования, так как в этих отраслях масса аппаратуры определяет многие экономические и эксплуатационные параметры изделия в целом. Следует отметить, что при изготовлении МЭД для указанных отраслей последние проходят более тщательный и всесторонний контроль, имеют военную приемку, и цена их соответственно гораздо выше, чем для других отраслей.
Современный рынок МЭД представлен множеством приборостроительных и электронных фирм, из которых ведущими являются такие как "Эндэвко", "Хоневелл", "Энтран", "Новасенсор" (все США), "Сименс" (Германия), "Кистлер" (Швейцария). Этими фирмами выпускается по меньшей мере около половины всего мирового объема МЭД. Объем рынка МЭД оценивался в 2005 г. в 10...12 млрд долларов США и ежегодно возрастает на 500...600 млн. долларов.
Из распределения МЭД по параметрам (см. таблицу) видно, что до 40 % (по некоторым данным — не менее половины) всех датчиков предназначены для измерения давления и температу-
Распределение МЭД по измеряемым параметрам
Параметры, измеряемые МЭД Значение, %
Давление 25
Температура 15
Параметры движения 20
Состав газа 8
Химические 6
Оптические 10
Прочие параметры 16
ры, т. е. они являются доминирующими на рынке измерительных приборов.
В последнее время наиболее динамично развиваются такие сложные в конструктивном и технологическом исполнении МЭД, как химические и газовые. Это объясняется в первую очередь тем, что существующие традиционные аналитические, спектральные и другие методы анализа в большинстве своем не отвечают современным требованиям по технике безопасности, экологии, быстродействию. А если учесть, что химические, биологические и фармацевтические технологии широчайшим образом используются в ведущих отраслях промышленности и науки, где требуются высокая точность и оперативность измерений концентрации различных химических веществ и компонентов, то понятен сегодняшний интерес к разработке и изготовлению указанных датчиков.
Широкая сфера применения МЭД в различной бытовой технике (кондиционеры, кухонные комбайны, печи СВЧ, стиральные машины и т. п.) объясняется тем, что от МЭД в этом случае не требуется высокой точности, применения дорогостоящих материалов и компонентов. Поэтому указанные датчики в процессе изготовления подвергаются минимальному объему настроек и тренировок, отчего и цена их невысока. Принятие широких полей допусков на метрологические характеристики и отбраковка потенциально ненадежных позволяют обеспечить приемлемую взаимозаменяемость МЭД, что также способствует снижению их цены.
При анализе научно-технической и патентной литературы, каталогов фирм-изготовителей датчиков и измерительной аппаратуры прослеживаются следующие перспективные направления в датчикостроении:
— использование в полупроводниковых чувствительных элементах (ПЧЭ) композитных полупроводниковых структур (кремний-на-диэлект-рике, пьезопленка, сформированная на полупроводнике или изоляторе и т. д.);
— применение высокотемпературных полупроводников и полупроводниковых соединений (алмаз, карбид кремния, арсенид галлия) [6];
— привлечение в технологический процесс изготовления МЭД высокоэнергетических тех-
нологических операций (ионная имплантация, обработка ионными пучками, плазменное травление и т. д.);
— расширение многофункциональности измерений, когда разрабатываемые МЭД служат для одновременного измерения различных параметров (давления и температуры, давления и вибрации, концентрации и состава различных газов или жидких сред и т. д.); в этом случае многофункциональность позволяет существенно уменьшить номенклатуру используемых датчиков и повысить информативность их измерений;
— внедрение при создании МЭД микромеханических конструкций и технологий — нового научно-технического направления, возникшего за последнее десятилетие.
Последнее из указанных направлений позволяет достичь качественно нового уровня в создании МЭД. В частности, интеграция с микропроцессорными системами делает микромеханические МЭД "разумными" (интеллектуальными). Кроме того, возможность формирования на одной подложке с ПЧЭ микромеханических элементов (балок, нагревателей, охладителей и т. п.) "оживляет" МЭД, так как позволяет в процессе измерения и функционирования проводить автотестирование, блокировку и защиту при перепадах питающего напряжения или измеряемого параметра.
Современный МЭД конструктивно и функционально представляет собой очень сложный объект, состоящий из большого числа взаимосвязанных систем и подсистем, структур и элементов. В связи с этим разработка МЭД должна проводиться комплексно, охватывая все его уровни, начиная от низового (элемента и структуры) и заканчивая высшим — измерительной системой.
Проведя условную декомпозицию МЭД, его структуру можно представить состоящей, например, из шести уровней (рис. 1):
Рис. 1. Декомпозиция структур микроэлектронных датчиков
Рис. 2. Полупроводниковый чувствительный элемент с профилированным упругим кремниевым элементом, тензо- и терморезисторами (ЭСС — электростатическое соединение)
Рис. 3. Полупроводниковый чувствительный элемент с профилированным упругим кремниевым элементом, тензо-и терморезисторами, высоколегированными диффузионными областями: р^Дг) = 200 Ом/П; р^(ВЛК) = 3...8 Ом/П
I — элемент полупроводниковой структуры (зерно);
II — микроэлектронная структура (поликристалл);
III — первичный измерительный элемент (пьезорезистор);
IV — конструктивный элемент (упругий элемент);
V — сенсор (чувствительный элемент);
VI — измерительная система (схемы обработки и согласования).
Следует отметить, что в зависимости от конструктивно-технологических особенностей того или иного датчика число уровней может быть различным, у более сложных оно, как правило, выше. Конечно, рассмотренная декомпозиция — искусственна, так как в этом случае МЭД представляется как система с сосредоточенными параметрами. На самом же деле МЭД является
системой с распределенными параметрами, но рассмотрение и анализ реальной структуры в значительной мере усложняет все расчеты и зависимости. Поэтому на практике чаще всего используют модели с сосредоточенными параметрами и только в отдельных, оговоренных (расчетах тепловых деформационных полей, распределении линий тока) случаях при расчетах используют распределенные параметры и соответствующий математический аппарат.
В качестве примеров декомпозиции на рис. 2 и 3 приведены ПЧЭ, содержащие пьезорезисторы, терморезисторы, контактную металлизацию и изолирующие пленки.
Этапы разработки МЭД упрощенно можно представить следующим образом:
1) анализ требований технического задания;
2) выбор методов преобразования;
3) синтез структурных и функциональных схем МЭД, выделение систем, подсистем (композиция и декомпозиция);
4) разработка физических и математических моделей отдельных систем и подсистем МЭД;
5) определение элементной базы и основных функциональных и конструкционных материалов МЭД;
6) выбор базовых конструктивно-технологических решений;
7) разработка конструкций упругого и чувствительного элементов;
8) разработка технологических операций и маршрутного технологического процесса изготовления ПЧЭ МЭД;
9) проведение испытаний и исследование ПЧЭ МЭД, разработка конструкции и технологии ПЧЭ;
10) разработка конструкции отдельных узлов и МЭД в целом;
11) разработка технологического процесса сборки МЭД;
12) изготовление и испытание экспериментальных макетов МЭД;
13) корр
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.