Основные инструменты контроля и управления качеством

Широкие возможности микроэлектронных технологий дали мощный импульс развитию микроэлектромеханических систем нового класса приборов, интенсивно развивающихся в последнее десятилетие.

Микроэлектромеханические  системы (МЭМС) – небольшие устройства, объединенные с полупроводниковыми приборами и сочетающие характеристики электронных схем и механических компонентов, – появились на рынке  в 80-е годы прошлого столетия, хотя принцип  их построения был предложен еще  в 50-е годы. Но только сейчас они, наконец, нашли широкий спрос. Об этом свидетельствует тот факт, что в 2005 году общий объем средств, вложенных в развитие МЭМС и микросистем, превысил 1 млрд. долл.

Обычно указывают 7-8 направлений  областей применения микроэлектромеханических систем: автомобильная техника, аэрокосмическая техника, бытовая техника, средства обеспечения безопасности, индустриальные системы, медицинская техника, техника телекоммуникаций.

Уже сейчас современный автомобиль трудно представить без МЭМС-акселерометров, отвечающих за активацию подушек  безопасности. Датчики давления применяются в автомобильной и авиационной технике, в компьютерных джойстиках и сложном навигационном оборудовании космических станций используют гироскопы с применением МЭМС-технологий, применяя микрозеркала, создают дисплеи и оптические коммутаторы.

Быстрое развитие МЭМС-технологий во многом объясняется их ключевыми достоинствами – миниатюрностью, функциональностью, надежностью, малым энергопотреблением, простотой интегрирования, востребованностью практически всеми рынками электроники.

Сегодня ежегодные объемы продаж изделий микроэлектроники превышают 200 млрд. долл., компонентов на основе МЭМС – примерно 10 млрд. долл. Объем продаж на мировом рынке в 2011 году достигнет 10 млрд. долл. Уже сегодня поставляемые на рынок компоненты характеризуются высоким уровнем технологии. Производство МЭМС расширяется, возникают новые области применения, особенно в медицине и промышленности.

Технологии МЭМС непрерывно развиваются, совершенствуются методы производства и измерений. Сегодня МЭМС изготавливаются по технологии либо объемной, либо поверхностной обработки. Объемная микрообработка– это расширенная микроэлектронная технология, позволяющая изготавливать трехмерные МЭМС на кремниевой подложке с помощью анизотропного травления кремния с использованием в качестве масок пленок SiO2, Si3N4, хрома, золота. Недостаток этого метода – зависимость геометрии микроструктуры от кристаллической структуры подложки. Поэтому для формирования МЭМС-системы проводят либо глубокое анизотропное сухое травление (например, реактивное травление газовой плазмой), либо соединяют две подложки (кремниевую с кремниевой или кремниевую со стеклянной), на каждой из которых изготовлена МЭМС-структура и микросхема. Это позволяет создавать более сложные трехмерные МЭМС-элементы. 

Поверхностная микрообработка позволила с меньшими усилиями создавать более сложные, многокомпонентные интегрированные МЭМС-структуры, формируемые в слоях жертвенного материала, и явилась значительным технологическим достижением. Подложка в основном служит механической основой, на которую осаждаются слои структурного и жертвенного материала. Жертвенный материал после создания требуемой структуры удаляется с помощью химического растворителя, освобождая подвижный элемент. Наиболее широко в качестве структурного материала используется поликремний, в качестве жертвенного материала – SiO2. После создания МЭМС-структуры к ней с помощью стандартной полупроводниковой технологии могут быть добавлены электронные устройства.

Альтернативой микрообработке является технология микролитья, в  процессе которого микроструктуры формируются с помощью литейных форм только там, где нужны, без последующего травления. Для получения подвижного элемента МЭМС-структуры достаточно лишь удалить форму.

Одна из популярных технологий формирования МЭМС- структур предусматривает  последовательное проведение процессов  литографии, гальванопокрытия и микролитья. Эта технология, известная под названием LIGA (Lithographie, Galvanoformung und Abformung), позволяет создавать трехмерные структуры с высоким аспектным соотношением, используя разнообразные материалы – металлы, полимеры, керамику, стекло.

Компания VTI Technologies реализовала  новый принцип построения интегрированных МЭМС/КМОП-систем, получивших название кристалл-на-МЭМС (Chip-on-МЭМС, CoM). Согласно этой технологии, МЭМС и специализированная микросхема изготавливаются на отдельных подложках, что позволяет провести их полные испытания до объединения. Важное достоинство предложенной технологии – уменьшение размера МЭМС-датчика на одну треть по сравнению с размером существующих устройств. Площадь МЭМС/КМОП-датчика, выполненного по CoM-технологии, составляла всего 4 мм², толщина – 1 мм.

Для изготовления современных  миниатюрных электронных устройств  перспективна и технология монтажа  бескорпусных кристаллов на печатной плате (Chip-on-Board, CoB).

Совмещение CoM- и CoB-технологий обеспечивает большую гибкость и  лучшую приспособляемость производственного  процесса к конструктивным изменениям, предоставляет больше возможностей контроля и исправления ошибок.

Сегодня МЭМС объединяют с  наноэлектромеханическими системами, что позволяет расширять их применение, прежде всего в биосистемах, радиочастотных устройствах и акселерометрах. В результате на смену традиционно используемым в полупроводниковой технологии операциям фотолитографии и травления приходит более дешевый метод – наноимпринтлитография. Наноимпринтлитография проще в исполнении, чем традиционная фотолитография, не требует сложной оптики, применения опасных химических веществ, мощных источников питания, позволяет работать с широким диапазоном фоторезистов и создавать трехмерные структуры. Благодаря стремительному развитию эта технология уже позволяет получать рисунки с минимальными размерами менее 10 нм.

Давление — одна из самых важных измеряемых переменных в системах управления, промышленности, биомедицинских исследованиях, поэтому датчики давления — наиболее широко используемые первичные преобразователи физических величин.

По виду измеряемого давления различают абсолютные (для измерения абсолютного давления), дифференциальные (для измерения разности давлений), относительные (для измерения избыточного над атмосферным давления) и вакуумные (для измерения степени разрежения) датчики давления. Абсолютные датчики работают в диапазоне давлений 100...700 кПа, а дифференциальные - в диапазоне 4... 1000 кПа.

К важнейшим техническим  характеристикам микродатчиков давления (МДД) относятся рабочий диапазон измерения, чувствительность к измеряемому давлению, выходное напряжение.

Датчики давления конструктивно  состоят из ЧЭ, воспринимающего давление, и преобразователей (перемещений, деформации, силы), собранных в корпусе, конструкции которых весьма разнообразны. ЧЭ датчиков давления является тонкая, чаще кремниевая пластинка, которую условно можно назвать мембраной, как правило прямоугольная или круглая в плане.

Рисунок 4 – Конструктивная схема датчика давления:

1- ЧЭ (мембрана); 2 - корпус; 3 - соединительный провод; 4 - кремниевая пластина; 5 - стальная пластина; 6 – гель

На рисунке 4 показана конструктивная схема датчика давления с базовым  круглым корпусом. Корпус имеет верхнюю защитную крышку из нержавеющей стали с отверстием, через которое подается измеряемое давление р₁ . ЧЭ 1 (мембрана) приклеен к внутренней поверхности расточки корпуса 2 и защищен специальным гелем 6, который равномерно перераспределяет давление на мембрану и изолирует выводы 3 от внешней среды. В нижней части корпуса имеется отверстие, через которое на нижнюю часть датчика подается второе измеряемое давление (подаваемое по трубке при дифференциальном датчике или атмосферное давление при относительном датчике).

В конструкциях датчиков давления используются различные типы чувствительных элементов, однако одним из самых распространенных является тот, что построен на основе полупроводниковых технологий, а конкретно — тензорезистивного эффекта. В полупроводниковых чувствительных элементах (ПЧЭ) датчиков давлений существуют следующие недостатки: в ПЧЭ, изготовленных на основе объемного кремния, наличие p-n-переходов не позволяет функционировать средствам измерений при температурах свыше 120°С и иметь стабильные во времени параметры (ток утечки, сопротивление изоляции, сопротивление тензорезисторов и т. д.); в ПЧЭ на основе поликремния с изоляцией тензорезисторов пленкой двуокиси кремния из-за низкой тензочувствительности поликремния средства измерений на основе таких ПЧЭ имеют малую амплитуду выходного сигнала; в ПЧЭ на основе структур «кремний-на-сапфире» (КНС) к недостаткам относятся трудность профилирования сапфира, различие кристаллических решеток кремния и сапфира, невозможность применения групповой технологии изготовления ПЧЭ и высокая стоимость сапфира. Все это снижает метрологические и эксплуатационные характеристики датчиков давлений. В то же время применение в ПЧЭ структуры «кремний-на-диэлектрике» (КНД) обеспечивает работоспособность средств измерений давлений в экстремальных условиях (повышенные и криогенные температуры, ионизирующее излучение, электромагнитные поля и токи источников естественного и искусственного происхождения и т. д.) и стабильность их параметров в процессе длительной эксплуатации.

Наряду с широко известными микроэлектромеханическими системами (МЭМС), основанными на кремниевой технологии, существуют МЭМС, в основе которых лежит тонкопленочная (металлопленочная) технология. Тонкопленочные микроэлектромеханические системы (ТМЭМС) достаточно широко используются в качестве чувствительных элементов датчиков различных физических величин. Отличительной особенностью современных ТМЭМС является возможность работы в экстремальных условиях эксплуатации, часто недоступных для других систем. Например, рабочий диапазон температур датчиков давления, построенных на основе ТМЭМС, находится в пределах от  –253 до +300 °С. Поэтому датчики давления на основе ТМЭМС нашли самое широкое применение в ответственных системах телеметрии и управления. В настоящее время для этих целей наиболее широко используются два достаточно больших класса ТМЭМС: тонкопленочные тензорезисторные МЭМС (ТТМЭМС) и тонкопленочные емкостные МЭМС (TEMЭMC).

Акселерометры (датчики ускорения, перемещения и ориентации) измеряют пять основных параметров: перемещение объекта, его положение, наклон, вибрацию и удар. Среди коммерчески успешных датчиков выделяются пьезоэлектрические, пьезорезистивные и емкостные акселерометры. Кроме того, разработаны тепловые акселерометры (МЭМСic), из лабораторий выходят туннельные, микрооптические и микрожидкостные датчики ускорения.

Выбор акселерометра прежде всего зависит от области его  применения, при этом приоритетными  критериями выбора являются регистрируемый параметр (ускорение, движение или вибрация), диапазон его значений, статические или динамические условия работы.

В число основных применений акселерометров входят системы:

– детектирования движения, т.е. измерения ускорения, вычисления скорости и перемещения объекта методом интегрирования;

– измерения вибрации (высокочастотной  или низкочастотной);

– регистрации ударов;

– определения наклона/гравитации (инклинометры);

– измерения указанных  параметров при высоких и низких температурах, в условиях радиационного воздействия;

– многоканальные.

Акселерометры состоят из инерционной массы, которая с помощью упругих элементов подвеса смонтирована в корпусе. Реализация выходного сигнала и принципа измерения обеспечивается преобразователями смещений, деформаций, сил  и электроникой.   

По виду движений инерционной массы акселерометры делятся на осевые и маятниковые. В осевых акселерометрах конструкция упругого подвеса обеспечивает прямолинейное движение инерционной массы, а в маятниковых – угловое.             У акселерометра выделяют ось чувствительности и перпендикулярные к ней поперечные оси. Ось чувствительности – это ось, в направлении которой возможно перемещение инерционной массы, обусловленное конструкцией подвеса. Акселерометры с одной осью чувствительности называют одноосевые. В этом корпусе могут быть установлены чувствительный элемент (ЧЭ) с разным направлением осей чувствительности (двух- и трехосевые акселерометры). Основным конструктивным узлом микроакселерометров являются чувствительные элементы, которые приведены на рисунке 5. ЧЭ включает в себя инерционную массу 1, упругие элементы подвеса 2, и опорную рамку 3.

Рисунок 5 – Принципиальные схемы  ЧЭ осевых микроакселерометров:

а,б – ЧЭ с крестообазным подвесом; в,г – ЧЭ с z-образным подвесом; д – ЧЭ с z-образным симметричным подвесом; е – ЧЭ с параллельным подвесом; 1 – инерционная масса, 2 – упругие элементы; 3- опорная рамка.

Современные датчики инерции  по большей части являются трехосевыми, что позволяет одно любое такое  устройство использовать для обнаружения  падения, детектирования наклона, ориентации, жестов, инерциальной навигации.

В технике широко применяются  новые поколения датчиков физических величин, разработанных фирмами Kulite, Honeywell, Omega, Motorola, Endevco, Analog Devices (США), Auxitrol (Франция), Druck (Великобритания), Siemens (Германия), Kistler, STMicroelectronics (Швейцария) и др. на основе современных достижений микроэлектроники и микросистемотехники.

К отечественным производителям датчиков давления можно отнести  такие предприятии, как ПГ "Метран", ЗАО "Манометр", ПГ "Мида", разработкой  занимаются ФГУП "НИИ физических измерений" ( г. Пенза), "НИИ "Теплоприбор" (г. Москва), ОАО" НПП" Темп-Авиа"(г. Арзамас), ЗАО" Орлекс" (г. Орел) и т.д.

а) б)

 

Рисунок 6 – а – акселерометр компании Freescale MMA7660FC

б – акселерометр CMA3000 VTI

 

Рисунок 7 – Корпуса аскселерометров  STM

 

 

Рисунок 8 – Датчики фирмы Honeywell

Рисунок 9 – Датчик отечественного производителя «Мида»

 

Надежность, масштабируемость, чувствительность и относительная дешевизна МЭМС-технологии обеспечивают широкие возможности ее применения в промышленной автоматизации. Среди МЭМС-датчиков наибольшее влияние на промышленную автоматизацию оказали датчики давления и инерциальные датчики, такие как акселерометры и гироскопы. Например, датчики давления, полученные путем микрообработки кремния, используются в управлении технологическими процессами (ТП), при испытаниях автомобильной техники, контроле и мониторинге гидравлических и пневматических систем. Такие датчики давления также широко применяются при мониторинге состояния холодильного оборудования, восстановлении хладагентов, управлении вентиляторами систем кондиционирования, измерении переменного объема воздуха, обнаружении утечек и сбросов давления и при решении многих других задач промышленной автоматизации.

Хотя МЭМС-датчики находят  применение и в здравоохранении, и в аэрокосмических приложениях, и в промышленности, основными  движущими силами их развития на ближайшие годы станут автомобилестроение и бытовая электроника. Основные применения — МЭМС-датчиков в автомобильной промышленности — восприятие давления и инерциальных величин; и те, и другие в ближайшее десятилетие претерпят бурный рост.