КОНСТРУКЦИИ И ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ РЕЖИМЫ ФОРМИРОВАНИЯ ЧУВСТВИТЕЛЬНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ МИКРОЭЛЕКТРОННЫХ ДАТЧИКОВ БЫСТРОПЕРЕМЕННОГО И СТАТИЧЕСКОГО ДАВЛЕНИЯ 

Гурин Сергей Александрович, кандидат технических наук, заместитель начальника отдела, ЗАО «Медтехника» (Россия, г. Пенза, ул. Средняя, 9), E-mail: teslananoel@rambler.ru
Печерская Екатерина Анатольевна, доктор технических наук, доцент, заведующий кафедрой информационно-измерительной техники и метрологии, Пензенский государственный университет (Россия, г. Пенза, ул. Красная, 40), E-mail: pea1@list.ru
Зинченко Тимур Олегович, аспирант, Пензенский государственный университет (Россия, г. Пенза, ул. Красная, 40), E-mail: scar0243@gmail.com
Фимин Андрей Владимирович, аспирант, Пензенский государственный университет (Россия, г. Пенза, ул. Красная, 40), E-mail: mr.l0tus@mail.ru
Николаев Кирилл Олегович, аспирант, Пензенский государственный университет (Россия, г. Пенза, ул. Красная, 40), E-mail:nikolaev_kirill10@mail.ru 

620.1.08, 62.52, 620.1.05 

DOI

10.21685/2307-5538-2019-3-13 

Актуальность и цели. Прогресс в областях микроэлектроники и МЭМС-технологий, обширное применение контрольно-измерительной аппаратуры обеспечили разработку и изготовление датчиков и систем различного целевого назначения, уровня сложности, принципов работы, преобразования энергии и сигнала. МЭМС сегодня – это сложнейшие физические устройства, представляющие совокупность взаимодействующих элементов, интегрированных в единую систему. Использование датчиковой аппаратуры с применением пьезоэлектрических тензорезистивных модулей позволяет регистрировать быстропеременное и статическое давление. Целью работы является разработка конструкций, подбор материалов и описание технологических процессов изготовления чувствительных элементов датчиков давления.
Материалы и методы. Один из предложенных вариантов чувствительного элемента датчика динамического давления содержит пленки на основе полярных диэлектриков AlN и ZnO, которые в нормальных условиях кристаллизуются в гексагональную решетку типа вюрцит или цирконата титаната свинца с пьезоэлектрическими свойствами, обладающего структурой типа перовскит. Другой чувствительный элемент датчика и быстропеременного и статического давления содержит кремниевую подложку со сформированными платиновыми дорожками, интегрированными пьезоэлектрическими емкостными структурами с полупроводниковыми тензорезисторами.
Результаты. Предложены два варианта конструкций чувствительного элемента датчика быстропеременного и статического давления: а) структура на базе кремниевой подложки с сформированными платиновыми дорожками, интегрированными пьезоэлектрическими емкостными структурами с полупроводниковыми тензорезисторами; б) структура на основе крестообразной балки, которая расположена по периметру опорного кольца со сформированной мостовой схемой из металлопленочных тензорезисторов и пьезоэлектрических емкостных структур на основе ЦТС.
Выводы. Обоснован выбор материалов и описаны технологические режимы формирования гетерогенных конструкций чувствительных элементов датчиков быстропеременного и статического давления. Представленные структуры позволяют регистрировать широкий диапазон как статических, так и динамически изменяющихся значений давлений с малыми отклонениями от действительных величин. Результаты моделирования подтверждают возможность изготовления опытных образцов чувствительных элементов. 

Ключевые слова

чувствительный элемент, давление, пьезоэлектрические тонкие пленки, тензорезистор 

 Скачать статью в формате PDF

1. Intelligent System for Active Dielectrics Parameters Research / E. A. Pecherskaya, P. E. Golubkov, A. V. Fimin, T. O. Zinchenko, A. V. Pechersky, J. V. Shepeleva // Procedia Computer Science. – 2018. – Vol. 132. – P. 1163–1170
2. Pb displacements in Pb(Zr,Ti)O3 perovskites / W. L. Warren, J. Robertson, D. Dimos, B. A. Tuttle, G. E. Pike, D. A. Payne // Phys. Rev. – 1996. – B 53. – P. 3080–3087.
3. Воротилов, К. А. Интегрированные сегнетоэлектрические устройства / К. А. Воротилов, В. М. Мухортов ; под ред. чл.-корр. РАН А. С. Сигова. – Москва : Энергоатомиздат, 2011. – 175 с.
4. Vorotilov, K. A. Ferroelectric memory / K. A. Vorotilov, A. S. Sigov // Phys. Solid State. – 2012. – Vol. 54(5). – P. 894.
5. Mishina, E. D. Ferroelectric in planar geometry: fabrication and perspectives for integration / E. D. Mishina, V. M. Muhortov, A. S. Sigov // Integrated ferroelectrics. – 2009. – Vol. 106 (1). – P. 1–10.
6. Сrystallization of thin polycrystalline pzt films on si/sio2/pt substrates / I. P. Pronin, E. Yu. Kaptelov, S. V. Senkevich, V. A. Klimov, N. A. Zaitseva, T. A. Shaplygina, V. P. Pronin, S. A. Kukushkin // Physics of the solid state. – 2010. – Vol. 52 (1). – P. 124–128.
7. Quality-enhanced AlN epitaxial films grown on c-sapphire using ZnO buffer layer for SAW applications / Fu Sulei, Li Qi, Gao Shuang, Wang Guangyue, Zeng Fei, Pan Feng // Applied Surface Science. – 2017. – Vol. 402. – P. 392–399.
8. Рyroelectric and piezoelectric responses of thin aln films epitaxy-grown on a sic/si substrate / S. A. Kukushkin, A. V. Osipov, O. N. Sergeeva, D. A. Kiselev, A. A. Bogomolov, A. V. Solnyshkin, E. Yu. Kaptelov, S. V. Senkevich, I. P. Pronin // Physics of the solid state. – 2016. – Vol. 58 (5). – P. 967–970.
9. Formation mechanisms and the orientation of selfpolarization in PZT polycristalline thin films / I. P. Pronin, S. A. Kukushkin, V. V. Spirin // Materials Physics and Mechanics. – 2017. – Vol. 30. – P. 20–34.
10. Modeling of Dependence of Dielectric Parameters of Double-layer Ferroelectric Structure on Temperature and Layers Thickness / E. A. Pecherskaya, T. O. Zinchenko, P. E. Golubkov, A. V. Pechersky, A. V. Fimin, K. O. Nikolaev // Moscow Workshop on Electronic and Networking Technologies (MWENT). – Moscow, 2018. – P. 1–4.
11. Pecherskaya, E. A. Automated method of measuring the temperature dependences of the dielectric parameters of ferroelectrics with second kind phase transition. Journal of Physics / E. A. Pecherskaya, D. V. Ryabov, J. V. Shepeleva, R. M. Pecherskaya // Conference Series. – 2014. – Vol. 541. – P. 012012.
12. Печерская, Е. А. Метрологические аспекты исследования активных диэлектриков для микро- и наноиндустрии / Е. А. Печерская // Нано- и микросистемная техника. – 2007. – № 7. – С. 41–44.
13. Controlling the temporal instability of the dielectric parameters of ferroelectrics / E. A. Pecherskaya, V. A. Solov'ev, A. M. Metal'nikov, Y. A. Varenik, I. M. Gladkov, D. V. Ryabov // Semiconductors. – 2013. – Т. 47, № 13. – С. 1720–1722.
14. Печерская, Е. А. Метрологические аспекты модели активного диэлектрика / Е. А. Печерская, Д. В. Рябов, Н. Д. Якушова // Инновации на основе информационных и коммуникационных технологий. – 2012. – № 1. – С. 208–213.
15. Software-Hardware Complex for Measurement and Control of Ferroelectrics Parameters / E. A. Pecherskaya, D. V. Artamonov, V. I. Kondrashin, P. E. Golubkov, O. V. Karpanin, T. O. Zinchenko // IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. – 2017. – Vol. 225. – P. 012254. – DOI 10.1088/1757899X/225/1/012254.
16. Контроль временной нестабильности диэлектрических параметров сегнетоэлектриков / Е. А. Печерская, В. А. Соловьев, А. М. Метальников, Ю. А. Вареник, И. М. Гладков, Д. В. Рябов // Известия высших учебных заведений. Электроника. – 2013. – № 2 (100). – С. 84–88.
17. MEMS Materialsand Processes HandbookSpringer Science + Business Media, LLC 2011. – DOI: 10.1007/978-0-387-47318-5
18. Volokhov, I. V. Study of the properties of high-sensitivity thermally-stable thin-film resistance strain gauges for integral pressure sensors / I. V. Volokhov, S. A. Gurin, I. R. Vergazov // Measurement techniques. – 2016. – Vol. 59. – P. 80–86.