Основной принцип работы акселерометров на пьезоэлементах

Основной принцип работы конденсаторных акселерометров.

На сегодняшний день наиболее популярны датчики движения, основанные на конденсаторном принципе. Подвижная часть системы – классический грузик на подвесах. При наличии ускорения грузик смещается относительно неподвижной части акселерометра. Обкладка конденсатора, прикрепленная к грузику, смещается относительно обкладки на неподвижной части. Емкость меняется, при неизменном заряде меняется напряжение – это изменение можно измерить и рассчитать смещение грузика. Откуда, зная его массу и параметры подвеса, легко найти и искомое ускорение.

Практически МЭМС-акселерометры устроены таким образом, что отделить друг от друга составные части – грузик, подвес, корпус и обкладки конденсатора – не просто. В большинстве случаев в одной детали удается комбинировать сразу несколько предметов.

 

Относительно простой, но чрезвычайно миниатюрный и чувствительный MEMS-акселерометр разработки Sandia Labs

 

Современные МЭМС-гироскопы часто устроены идентично акселерометрам. При этом значения ускорений по осям пересчитываются в значения углов поворота. Конструкция примерно та же, но на выходе - другая величина.

 

 

Помимо конденсаторных датчиков, существуют MEMS-акселерометры, использующие иные принципы. Например, датчики, основанные на пьезоэффекте. Вместо смещения обкладок конденсатора, в акселерометрах такого типа происходит давление грузика на пьезокристалл. Основной принцип тот же, что и в пьезозажигалках – под воздействием деформации пьезоэлемент вырабатывает ток. Из значения напряжения, зная параметры системы, можно найти силу, с которой грузик давит на кристалл – и, соответственно, рассчитать искомое ускорение.

Справка. Пьезоэлектрический эффект заключается в изменении линейных размеров некоторых материалов в электрическом, а пьезомагнитный эффект – во внешнем магнитном поле. Оба пьезоэффекта полностью обратимы: при деформации пьезоэлемента на его концах появляется электрический заряд или магнитное поле (прямой пьезоэффект), а при приложении электрического и или магнитного поля проявляется изменение его линейных размеров (обратный пьезоэффект).

Одни из самых ярких представителей устройств с MEMS-актюаторами – DLP-проекторы (DLP – Digital Light Processing). В основе этих проекторов лежит относительно крупная – по общему размеру готового чипа – микроэлектромеханическая система под названием DMD (Digital Micromirror Device, цифровое микрозеркальное устройство).

 

 

DMD-чип в сборе. DMD-чип представляет собой матрицу микрозеркал. Каждое микрозеркало – крошечная алюминиевая пластинка размером порядка 10x10 микрон.

 

Некоторые применения МЭМС технологий:

  • Акселерометры – миниатюрные устройства для измерения ускорений; их широко используют в устройствах, контролирующих раскрытие подушек безопасности в автомобилях;
  • Микрозеркала. Угол наклона каждого зеркала независимо управляется МЭМС-устройством, благодаря чему можно либо отражать либо блокировать свет. Подобные системы используются в проекторах для графических презентаций. Совмещение акселерометров на основе МЭМС для регистрации внешних вибраций с МЭМС-микрозеркалами для коррекции лазерного луча, позволило разработать принтеры с чрезвычайно высоким разрешением печати.
  • Микрокапиллярные устройства. Кремниевые чипы с микроскопическими каналами могут использоваться для адресной доставки лекарственных препаратов.
  • Биомедицинские имплантанты. Недавно были созданы кремниевые МЭМС-устройства содержащие звуковой сенсор и микропроцессор, который раскладывает звуковые волны на Фурье-гармоники. Устройство имплантируется непосредственно в человеческое ухо, после чего полученные Фурье-компоненты напрямую передаются слуховому нерву, благодаря чему глухие люди получают возможность слышать. В настоящее время разрабатываются аналогичные устройства для восстановления зрения.

 

Понятие о литографии

Литографией называют совокупность фото- и физико-химических процессов, используемых для послойного формирования топологического рисунка интегральных схем (ИС) и наноструктур. Конечная цель литографического процесса – получение контактной маски для формирования одного из топологических слоев изготавливаемой структуры. Литография основана на использовании высокомолекулярных соединений – резистов, обладающих способностью изменять свои свойства под действием определенного вида излучения. В зависимости от вида излучения и типа резиста различают оптическую (фото), рентгеновскую, электронную и ионную литографии. В ФЛ ультрафиолетовое излучение проходит через маску и фокусируется на кремниевой пластине с резистом. Под действием УФИ, прошедшего через прозрачные места на маске, светочувствительный слой (резист) приобретает способность к растворению и затем удаляется органическими растворителями.

Основные этапы фотолитографии на пластине кремния:

  • нанесение на пластину слоя диэлектрика, обычно диоксида кремния SiO2;
  • нанесение на слой диэлектрика фоторезиста;
  • наложение фотошаблона, который отображает соответствующую часть ИМС, например размеры, форму и взаимное расположение эмиттеров всех транзисторов, которые должны быть сформированы на пластине; в таком случае шаблон представляет собой непрозрачную пластину с прозрачными участками, дублирующими форму и местоположение будущих эмиттеров;
  • экспонирование фоторезиста;
  • удаление фотошаблона;
  • проявление (травление) фоторезиста; участки, подвергнутые воздействию света, вытравливаются до слоя окисла;
  • вытравливание отверстий («окон») в слое диэлектрика через отверстия в фоторезисте;
  • удаление фоторезиста.

 

НЭМС

 

Современные ученые работают над созданием наносистем, которые являлись бы аналогами электромоторов. Эти объекты получили название «наноэлектромеханические системы» или НЭМС, поскольку они развивают наносилы под действием электрического поля или светы, или, наоборот, при приложении внешней силы создают электромагнитный отклик.

При уменьшении размеров объектов отношение их площади поверхности к объему заметно возрастает, что приводит к значительному увеличению вклада сил трения в механическое поведение наносистем и к доминированию сил трения над силами инерции. Одна из задач – теоретическое описание механического поведения наносистем.

Две основные тенденции в создании НЭМС: миниатюризация существующих МЭМС (концепция «сверху-вниз») и разработка принципиально новых молекулярных двигателей и молекулярных электромеханических устройств (концепция «снизу-вверх»). Первый подход связан со сложностями, возникающими из-за ограниченного разрешения методов, используемых для создания МЭМС. Эти методы проблематично использовать для создания нанообъектов. Второй подход связан с использованием отдельных молекул и функциональных групп. В частности, описана возможность передачи вращения с одной нанотрубки на другую, а также создание механического осциллятора из группы концентрических нанотрубок.

Справка. Углеродная нанотрубка (УНТ) получается из гексагональной углеродной сетки. В зависимости от того, как из графитовой плоскости «вырезать полоску» и как ее свернуть, диаметр трубки может варьироваться от 0.4 до 100 нм, а длина – от 1 до 100 мкм. Имеют высокую прочность на растяжение и изгиб, высокую проводимость, необычные магнитные и оптические свойства. Свойства зависят от структуры нанотрубки. Например, вектор свертки графитовой плоскости определяет электронную структуру НТ: будет ли она металлом или полупроводником.

 

 

 

Ярким примером НЭМС являются наномашины, способные ездить под действием внешнего электрического поля или света.

Первый наноавтомобиль, способный ездить по поверхности золота, - этот большая органическая молекула, состоящая из почти 300 атомов трех видов - С, O, H. В качестве колес использованы четыре молекулы фуллерена С60, которые связаны химическими связями с каркасом машины.

Справка. Фуллерены – это изолированные молекулы новой аллотропной модификации углерода. Форма фуллеренов – полый сфероид, грани которого образуют пяти- и шестиугольники. Наибольший интерес представляет фуллерен С60 ввиду его наибольшей стабильности и высокой симметрии.

 

 

Именно уникальная сферическая форма молекул фуллерена обеспечивает настоящее вращение колес наноавтомобиля вокруг собственной оси.

 

 

 

Движение осуществляется обычным нагреванием всей системы до 2000 С, что вызывает вращение фуллеренов на химических связях, соединяющих их с рамой машины. От вращения четырех молекул наносистема приходит в движение и может катиться по плоской золотой поверхности. Проблема – машина неуправляема. Решение – на каждую машину нужно поставить молекулярный наномотор – наноактюатор.

В зависимости от выбора принципа работы наноустройств подвод энергии к МЭМС или НЭМС можем осуществляться электрически, термически или химически.

Электрические наноактюаторы управляются наиболее просто – приложением внешней разности потенциалов или электромагнитного поля. Простейшие типы таких актюаторов включают пьезодвигатели и электростатические актюаторы на основе плоскопараллельных конденсаторов, однако возможны и более сложные и интересные решения (см. после справки).

Справка. Пьезодвигателями называют такие системы, в которых механическое перемещение осуществляется за счет пьезоэлектрического или пьезомагнитного эффекта. Пьезодвигатели работают на обратном пьезоэффекте. Наибольшее распространение получили пьезоэлектрические двигатели. Пьезодвигатели используются в системах нанопозиционирования, НЭМС, наноактюаторах, нановесах, наносенсорах и кантилеверах атомно-силовых микроскопов.

Создан электрический наноактюатор, похожий на обычный электромотор. Вращающей частью (ротором) является крошечная золотая пластинка размером около 250 нм, которая закреплена на оси, - углеродной нанотрубке. Вокруг ротора расположено три электрода, на которые подается переменное электрическое напряжение с амплитудой около 5 В, в результате чего наномотор вращается.Тепловые актюаторы используют эффект теплового расширения или деформации контакта двух материалов за счет различия в коэффициентах теплового расширения. Такие актюаторы могут создавать достаточно большие силы, однако общая эффективность этих устройств обычно не превышает 0.1%.Химическое управление наноактюаторами осуществляется при помощи изменения состава окружающей среды, ее кислотности и других факторов. Иногда используют свет, который при воздействии на молекулы приводит актюатор в движение.Среди разнообразных конструкций молекулярных моторов выбор был сделан в пользу модели, разработанной голландским инженером Феринга. Подвижная лопасть установлена в центре рамы наноавтомобиля. Под действием излучения (использовался свет с длиной волны 365 нм) лопасть начинает вращаться и, отталкиваясь от золотой подложки, приводит наномашину в движение.При установке наноактюатора возникли сложности. В частности, выяснилось, что мотор Феринга не работает в присутствии фуллеренов. Поэтому колеса пришлось заменить на молекулы р-карборанов, содержащие атомы С, Н и В. Эксперименты показали, что такие наноавтомобили действительно могут ездить под действием света, что является огромным достижением НТ. Очевидно, требуются усовершенствования. Например, лопастной нанодвигатель может вращаться только в одну сторону, поэтому пока наномашины умеют ездить только вперед.

 

Ожидается, что НЭМС произведут революцию в области метрологии, особенно при измерении очень малых сил и смещений на молекулярном уровне. Собственная частота колебаний механической системы:

ω0 ~ (kэфф/mэфф)1/2,

где kэфф – эффективная жесткость, а mэфф – эффективная масса системы. При уменьшении линейного размера l устройства при сохранении его формы частота ω0 будет увеличиваться, так как kэфф ~ l, а mэфф ~ l3. При этом высокие значения ω0 соответствуют высоким скоростям отклика системы на внешние силы, что позволяет создавать на основе НЭМС чрезвычайно чувствительные измерительные устройства. В настоящее время на основе НЭМС созданы нанорезонаторы с фундаментальной частотой колебаний выше 10ГГц, что казалось недостижимым. Такие резонаторы применяются в качестве кантилеверов сканирующей зондовой микроскопии.