научная статья по теме РАЗРАБОТКА КРИСТАЛЛА МАТРИЦЫ ТЕНЗОРЕЗИСТИВНЫХ ОСЯЗАТЕЛЬНЫХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ ДАВЛЕНИЯ ДЛЯ РОБОТОТЕХНИКИ Электроника. Радиотехника

Текст научной статьи на тему «РАЗРАБОТКА КРИСТАЛЛА МАТРИЦЫ ТЕНЗОРЕЗИСТИВНЫХ ОСЯЗАТЕЛЬНЫХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ ДАВЛЕНИЯ ДЛЯ РОБОТОТЕХНИКИ»

МИКРОЭЛЕКТРОНИКА, 2015, том 44, № 6, с. 472-475

- СХЕМОТЕХНИКА

УДК 681.586

РАЗРАБОТКА КРИСТАЛЛА МАТРИЦЫ ТЕНЗОРЕЗИСТИВНЫХ ОСЯЗАТЕЛЬНЫХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ ДАВЛЕНИЯ ДЛЯ РОБОТОТЕХНИКИ

© 2015 г. Д. В. Гусев, Р. С. Литвиненко, В. С. Суханов

НПК "Технологический центр"

E-mail: r.litvinenko@tcen.ru Поступила в редакцию 13.02.2015 г.

Представлена конструкция кремниевого кристалла матрицы тензорезистивных чувствительных элементов давления МИПД-32 для интеллектуальных робототехнических комплексов, обладающих функцией тактильного восприятия. Приведены экспериментальные данные по чувствительности тензопреобразователей.

DOI: 10.7868/S0544126915050051

ВВЕДЕНИЕ

В последние десятилетия наблюдается активное развитие робототехнических комплексов и систем искусственного интеллекта. Роботы активно используются для помощи в деятельности человека, решению различных прикладных задач. Например, осязательная функция необходима для роботизированных манипуляторов, работающих с не металлическими, а более мягкими субстанциями (растения, животные или отдельные ткани). Кроме того, способность распознавания текстуры поверхности позволяет создавать протезы нового поколения. В медицине активно развиваются методы малоинвазивной хирургии, при которых операции проводятся через небольшие разрезы. При таких операциях хирург не имеет возможности осуществлять прямую пальпацию внутренних органов и тканей пациента, что приводит к необходимости создания устройств тактильной диагностики. При создании таких систем используются методы, которые основываются на моделировании особенностей восприятия и переработки информации.

Несмотря на то, что тактильное взаимодействие является одним из ключевых видов взаимодействия между роботом, окружающей средой и человеком, в мировой практике роботостроения только начинают появляться "бионические руки", имеющие тактильную чувствительность. А в области протезирования конечностей человека — такие исследования только начинают проводиться за рубежом. Производители протезов кисти человека представляют на рынке в основном бессенсорные модели. Устройства, обладающие осязательной чувствительностью, в настоящее время находятся на стадии разработки и имеют показатели начального уровня. Таким образом, темати-

ка проекта соответствует последним достижениям мировой практики.

Технологии тактильных датчиков стремительно развиваются, а интерес к ним неуклонно растет. Основным сдерживающим фактором в данной области служит не ограничение по вычислительной мощности применяемых процессоров, а именно отсутствие технологии, способной преобразовывать объемное осязательное взаимодействие в электрический сигнал.

ТЕОРЕТИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ

Основная тенденция в области создания тактильных датчиков состоит в воспроизведении осязательных свойств человеческой кожи. Этому в наибольшей степени удовлетворяют тактильные устройства матричного типа, так как каждая ячейка матрицы, представляющая собой микроэлектронный датчик силы, дает конкретную информацию, а все вместе позволяют сформировать целостное представление о форме предмета [1]. Известны попытки применения большинства типов сенсоров (емкостные, магнитные, оптические, пьезоэлектрические и т.д.) в качестве искусственных механорецепторов. Большая часть из них обладает существенными недостатками, которые либо делают невозможным их практическое применение, либо накладывают значительные ограничения [2].

Для создания тактильных датчиков наиболее подходящими являются кремниевые тензорези-стивные преобразователи давления. Это утверждение подкрепляет мировой опыт [3], который показывает, что при создании массивов с высокой плотностью чувствительных элементов выбор разработчиков падает именно на кремниевую технологию, в том числе на МЭМС-устройства.

Рис. 1. Топологический эскиз матрицы преобразователей давления МИПД-32.

Одним из ключевых преимуществ кремниевых МЭМС-устройств является возможность создания чувствительных элементов на линиях производства КМОП-микросхем. Технология объемной микрообработки кремния хорошо изучена и позволяет изготавливать кристаллы с высокой (более 40 ед/см2) плотностью чувствительных элементов. Кремний также обладает сильно выраженным пье-зорезистивным эффектом, почти идеальной упругой характеристикой, высокой прочностью и стабильностью электрофизических характеристик в течение длительного времени.

Благодаря высокой линейности отклика и низкому значению гистерезиса можно добиться высокой точности выходного сигнала преобразователя. В то же время проблему температурной зависимости возможно решить с помощью средств температурной компенсации.

Применение матриц сенсоров в робототехнике предполагает покрытие датчиками площадей сравнимых с фалангой человеческого пальца. Это означает, что конструкция кристалла матрицы должна позволять объединять несколько кристаллов в единое устройство. В таких случаях встает вопрос об огромном количестве межсоединений, которые не только влияют на общую надежность изделия, но и создают препятствия на пути к миниатюризации. Единственный выход — интеграция активных приборов непосредственно в кристалл.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

На основании многолетнего опыта [4] в области создания осязательных преобразователей в НПК "Технологический центр" разработан кристалл МИПД-32 (рис. 1). Кристалл, выполнен-

474

ГУСЕВ и др.

Канал 1 датчик температуры DVcc

Канал 2 монитор питания

DVcc Л^с

Канал 3 1-й тензомост

Канал 34 32-й тензомост

Л^ Питание аналоговое F1

AGND

Земля аналоговая

Проходные ключи на комплементарных транзисторах

D1

лоит+о лоит-о1

Аналоговый дифференциальный выход ^7 CLKo Тактирование

D7 DIN о-Входные цифроыве данные

34-разрядный сдвиговый регистр на статических синхронных ^-триггерах, тактируемы уровнем сигнала

С7

■сдаит

Выходные цифроыве данные

В7 DVcc о Питание цифровое

F7

DGND о—

Земля цифровая

Н§

о

Рис. 2. Электрическая схема кристалла МИПД-32.

аум;

DVcc

ный по технологии объемной микрообработки кремния, представляет собой матрицу из 32 чувствительных элементов давления с мембраной толщиной 17 ± 3 мкм. Чувствительные элементы матрицы используют тензоэлектрический эффект, возникающий в кремнии под действием внешнего механического воздействия, и рассчитаны на использование в диапазоне давлений 0-40 кПа. Давление подается с нижней стороны кристалла. Размеры и форма кристалла обусловлены необходимостью установки кристалла в эндоскоп стандартного диаметра (10 мм).

Помимо 32 тензомостов на кристалле присутствуют датчик температуры для температурной компенсации и монитор питания (рис. 2). Каждый чувствительный элемент последовательно опрашивается с помощью схемы 34-разрядного сдвигового регистра на статических синхронных ^-триггерах, тактируемых уровнем сигнала, и проходных ключей на комплементарных транзисторах. Схемы ключей и регистра интегрированы непосредственно в кристалл МИПД-32, что означает совмещение на одном кристалле МЭМС- и КМОП-технологий. Питание аналоговой части (тензопреобразователи, датчик температуры) осуществляется извне напряжением +1.2...2.5 В (цепи AGND и ЛЛ^). Питание цифровой части (сдвиговый регистр и ключи) осуществляется извне напряжением +2.5.5.5 В (цепи DGND и DVCc).

Среднее значение чувствительности к давлению составляет 0.1 мВ/В/кПа. Согласно экспе-

риментальным данным разброс значений чувствительности близок к нормальному распределению (рис. 3) и составляет 0.033 мВ/В/кПа (по уровню 3 а).

Следуя формуле расчета удельной чувствительности [5], разброс значений чувствительности в пересчете на толщину мембраны составляет ±2.9 мкм.

^ = ПЕ., Пкч = 0.128^44«м(1 -И),

где Пкч — расчетный показатель чувствительности конструкции — константа для конкретного кристалла, я44 — главный пьезорезистивный коэффи-

Параметры преобразователей

Параметр Экспериментальное значение

Тип выходного сигнала Аналоговый

Напряжение питания, В 1.2.2.5 В

Номинальный диапазон измерений, кПа 0.40

Коэффициент нелинейности при +20°С, % 0.07

Температурный коэффициент смещения нуля, %/10°С 0.11

Температурный коэффициент чувствительности, %/10°С 0.21

0.35 0.30 0.25

ч о

Р 0.20

о яГ

|=0.15

о Г

0.10 0.05 0

0.8 0.9 1.0

Чувствительность нормировгннгя, отн. ед.

Рис. 3. Гистограмма ргспределения нормировгнной чувствительности.

циент для тензорезисторов ^-типа проводимости в кремнии ориентации (001), am — расстояние между парой тензорезисторов по краям мембраны, ц — коэффициент Пуассона.

Это позволяет сделать вывод о том, что основная причина разброса значений чувствительности отдельных преобразователей связана с технологическим разбросом толщины мембран.

Значения параметров отдельных преобразователей, полученные в ходе экспериментальных исследований приведены в таблице.

В конструкции МИПД-32 предусмотрена возможность использования технологии flip-chip монтажа. Поэтому все контактные площадки располагаются на лицевой стороне кристалла, что позволяет избежать влияния внешних воздействий на межсоединения при функционировании устройства.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Разработан кремниевый кристалл МИПД-32. Представленный сенсор может использоваться в интеллектуальных робототехнических комплексах в качестве устройства для получения тактильной информации. Благодаря совмещению МЭМС- и КМОП-технологий на одном кристалле удалось разместить 32 преобразователя давления, датчик температуры, монитор питания, а также схему сдвигового регистра. При этом отпадает необходимость использования сложной и громоздкой внешней схемотехники при объединении нескольких кристаллов в единое устройство. Полученные в ходе экспериментальных исследований

значения чувствительности к давлению отдельных преобразователей хорошо согласуются с расчетными значениями.

Работа выполнена при финансовой поддержке Минобрнауки России в рамках государственного контракта № 14.577.21.0112 (уникальный идентификатор прикладных научных исследований RFMEFI57714X0112). Работа проводилась с использованием оборудования ЦКП "Функциональный контроль и диагностика микро- и наносистемной техники" на базе НПК "Технологический центр".

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Садовничий В.А., Соколов

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.

Показать целиком

Пoхожие научные работыпо теме «Электроника. Радиотехника»