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.