Т Е Х Н И Ч Е С К И У Н И В Е Р С И Т Е Т – С О Ф И Я

ФАКУЛТЕТ ПО ЕЛЕКТРОННА ТЕХНИКА И ТЕХНОЛОГИИ

Катедра „Микроелектроника“

маг. инж. Георги Добрев Колев

РАЗРАБОТВАНЕ И ИЗСЛЕДВАНЕ НА МИКРОСЕНЗОРНИ

ЕЛЕМЕНТИ И МИКРОСИСТЕМИ ЗА КОНТРОЛ

ПАРАМЕТРИТЕ НА ОКОЛНАТА СРЕДА

Автореферат

на дисертация за присъждане на образователна и научна степен

„ДОКТОР“

по професионално направление 5.2 Електротехника, електроника

и автоматика, научна специалност „Микроелектроника“

Научен ръководител:

доц. д-р инж. Красимир Христов Денишев

Рецензенти:

1. доц. д-р инж. Анна Владова Андонова

2. доц. д-р инж. Павлик Рахнев Рахнев

София

2014

2

Дисертационният труд e обсъден и приет пред Катедрен съвет на катедра

„Микроелектроника” на ФЕТТ при ТУ-София с Протокол 6/04.03.2014 г. и насрочен

за защита пред Научно жури.

Дисертационният труд съдържа 158 страници, 124 фигури и 15 таблици,

оформени като списък със съкращения, увод, четири глави, заключение, приноси,

публикации по дисертацията, списък с използваната литература, включваща 88

заглавия.

Докторантът е зачислен в редовна форма на докторантура в катедра

„Микроелектроника” при Технически Университет – София.

Защитата на дисертационния труд ще се състои на 10.07.2014 г. от 17:00 часа в

зала 2140 на Технически университет - София.

Материалите по защитата са на разположение на интересуващите се в канцеларията на

Факултета по Електронна Техника и Технологии на ТУ-София – стая 1332А, блок 1.

Автор: маг. инж. Георги Добрев Колев ®

Заглавие: „Разработване и изследване на микросензорни елементи и микросистеми за

контрол параметрите на околната среда“

Тираж: 50 бр.

Печатна база на Технически Университет – София

3

ОБЩА ХАРАКТЕРИСТИКА НА ДИСЕРТАЦИОННИЯ ТРУД

Увод и тематична насоченост

В съвременния бит и техника, все по-широко приложение намират различни

прибори и системи, контролиращи параметрите и качеството на заобикалящата ни

газова атмосферна среда. Това става чрез използване на различни видове сензорни

елементи, измерващи температурата, влажността, налягането, състава и скоростта на

въздушния или газов поток. Известни са разработките на дискретни прибори,

осигуряващи измерването на споменатите параметри, както и на устройства и системи,

обработващи получените сигнали. Постиженията в микроелектрониката и

технологиите, позволяват намаляване на габаритните размери на устройствата и

използването на нови материали в конструкциите на микросистемите. Така сензорите

за измерване параметрите на околната среда стават микроелементи с ниска консумация,

мобилни, а все по-често и със собствено независимо захранване. Това е свързано и с

развитието на комуникациите и безжичното предаване на поток от данни (wireless

микросензори).

Параметрите на околната среда са неелектрически физични величини. Тяхната

трансформация в електрически сигнал се осъществява посредством преобразуватели

(трансдюсери), които се основават на преобразуващ метод. Микросензорите

представляват входен трансдюсер на микросистемата, като изходният им сигнал е

електрична величина. Методът на преобразуване е свързан с т.нар. сензитивна част от

сензора, която съдържа чувствителен материал под формата на тънък слой. Всеки от

тях се характеризира с физични ефекти като термоелектричен ефект, фото- и

пироелектричен ефект, ефект на Хол, пиезорезистивен и пиезоелектричен ефект и др.

Цел на дисертационния труд

Цел на дисертацията е разработването и изследването на различни видове

сензорни елементи за нуждите на микросистеми, осигуряващи получаването на

информация за параметрите на околната среда. Изследвани са пиезоелектрични

материали от основните групи, във вид на слоеве, като са представени методите и

параметрите на технологията, по която са отлагани.

Основни задачи

1. Проектиране и изследване на силициеви микромембрани за приложение в различни

сензорни конструкции, като основен механичен елемент.

2. Проектиране и конструиране на различни микроелектромеханични сензори за

флуиден поток.

3. Определяне на оптималните технологични параметри при отлагане на слоеве от

органичен пиезоелектричен материал поливинилиден флуорид (PVDF).

4. Изготвяне на ПАВ структури с пиезоелектрични слоеве от PVDF, ZnO и PZT, за

регистриране на прав и обратен пиезоелектричен ефект.

5. Експериментално изследване на структури с PZT, работещи в статичен и динамичен

режим.

Апробация- Основната част от работата е осъществена в катедра „Микроелектроника“

към Факултета по електронна техника и технологии при Технически Университет-

София с наличната технологична и измервателна апаратура. Всички материали,

използвани при научно-експерименталната дейност в дисертационния труд са закупени

с финансовата подкрепа чрез участие в договор за подпомагане на докторанти

102ПД207-03, към НИС Технически Университет- София.

4

Благодарности

Изказвам своята благодарност към научния ми ръководител доц. д-р Красимир

Христов Денишев за това, че предизвика интереса ми към технологичните процеси и

материали в микроелектрониката и по- специално микроелектромеханичните системи.

Благодаря му за ценните съвети в процеса на моето обучение и изграждането на научен

подход при решаването на научни проблеми.

Авторът изказва най- искренни благодарности на гл. ас. д-р Мария Петрова

Александрова за оказанато съдействие при изготвяне на всички тънки слове в

Лабораторията по „Вакуумни процеси“, както и за помощта ѝ ценните съвети при

технологията за пулверизиране на полимерни слоеве.

Благодарности към гл. ас. д-р Ростислав Павлов Русев при първоначалните стъпки

свързани с разтварянето на органичен пиезоелектричен полимер поливинилиден

флуорид.

I. Съдържание на дисертационния труд

Глава I Литературен обзор

1. Микросистема. Видове. Основни елементи на микросистемите (МЕМС).

Тенденция в развитието на микросистемите. С развитието на микроелектронните

технологии се достигна до възможността да се разработват и произвеждат интегрални

схеми и системи с топологични размери в дълбоката субмикронна област. Реално се

реализират мултифункционални, комплексни електронни системи върху един чип.

Често пъти една електронна схема изпълнява изцяло определена функция или е

логическо решение на дадена проекто задача. Владеенето на най-новите субмикронни

технологии е по силите само на фирмите от най-развитите индустриални страни. Това

произтича от нуждата от огромни инвестиции и специална инфраструктура (свръхчисти

помещения; специални материали, изключително сложно и скъпо технологично

обурудване).

Когато се проектира, разработва дадено електронно устройство, схема или цял модул,

то има конкретно функционално предназначение. По този признак те може да се

класифицират в няколко групи: памети; интерфейси; сензори; преобразуватели; крайни

апарати актуатори (ИУ- изпълнителни устройства). Важно направление и тенденция в

развитието на техниката е автоматизацията на голяма част от човешкия труд. Когато

говорим за автоматизиране на определен обект (система, процес), трябва да се има

предвид, че става дума за частична или, в по-добрия случай, цялостна липса на човешка

намеса в процеса.

От автоматиката е известно, че дадена система или обект е устойчива при наличие

на обратна връзка. Нейното наличие гарантира, осигурява сигурна, надеждна работа на

системата. В голяма част от случаите ролята на обратната връзка се изпълнява от

сензори, актуатори. С намаляването технологичните размери на елементите, а оттам и

намаляване общите размери на системите, то вече трябва да се говори за микросистема.

Фиг.1 Блокова схема на микросистема

Всяка една микросистема приема входно въздействие от външни източници, наречени

входни сигнали и изработва съответната изходна функция, реакция - изходен сигнал

5

[15]. Те могат да бъдат както електрически, информационни, така и неелектрически

сигнали.

2.Микро-електромеханични системи. Основни МЕМС технологии. Процеси и

материали, използвани при МЕМС елементи. С възможностите на развиващата се

микроелектроника се реализират миниатюрни механични устройства, които се

изработват върху обща подложка (полупроводников кристал, стъкло, керамики и др.)

заедно със своето управление. Така и възниква наименованието

микроелектромеханичнисистеми - МЕМС (MEMS- Micro-Electro Mechanical Sistems). В

Европа технологията е позната като микросистемни технологии (MST). По област на

приложение, МЕМС се разделят на две основни групи: за граждански (хуманитарни) и

военни приложения. Микросензорите за параметри на околната среда, спадат към

първите приложения. Функционирането на МЕМС устройства се изразява в

преобразуване на неелектрически (сензори) величини в електрически и обратното

(актуатори). Ето защо, и много често, те се наричат „микропреобразуватели“. Това е

съпроводено с някои физични ефекти: електростатичен, пиезоелектричен,

електромагнетизъм, биологични и химични ефекти, и др.

3.Микросензор. Микросензорът като компонент на микросистемите. Предимства

при използването на микросензори пред сензори. Всяка микросистема се състои от

компоненти от един или повече от трите класа: микросензори, които да открият

измененията в околната среда на системата; интелигентни компоненти, които да

вземат решения на базата на измененията, определени от сензорите; изпълнителни

микромеханизми, чрез които микросистемата променя параметрите на околната среда.

[86] Микросензорите се различават от електронните компоненти по голямото си

разнообразие от функции и по това, че представляват тримерни структури. Въпреки че

за създаването им като основна технологична база се използват микроелектронните

технолии, много често при тяхното изготвяне се налага допълнително да се използват и

методи на механична обработка, което ги различава от микроелектронните

елементи.[23] За реализирането на различни функции, в микрокомпонентите се

използват определени физични, химични или биологични ефекти. За целта най-често се

използват функционални материали(напр. пиезоелектрици, феромагнетици, протеини и

органики), които са в състояние да извършват или да имат способността да извършват

специфични преобразувания на различни форми на енергия. В микрокомпонентите са

за предпочитане непосредствените и директни енергийни трансформации, при които

поне една от енергийните форми да е с електрическа природа.

4.Видове микросензори според входния сигнал (измерван параметър на околната

среда). Когато става дума за микросистеми, то околна среда вече се трансформира в

микросреда със съответния микроклимат, който със своите фактори и компоненти

въздейства върху микросензорите. Всеки отделен параметър, или т.нар. входен сигнал,

въздейства на микросензора, чувствителен към него и по този начин оказва влияние

върху микросистемата.

Физичните параметри, характеризиращи един микроклимат като температура,

влажност на въздуха, налягане, качествен и количествен състав на атмосферата,

скорост и посока на въздух и др., определят и различните микросензори по отношение

на входния сигнал.

4.1 Сензори за влага

Един от най-важните параметри на атмосферата е влагата. Измерването й се свежда до

определяне влажността на въздуха или съдържанието на влага в масивен обем. Най-

голямата част от сензорите за влага, могат да се разглеждат като малък разред на

хидрометрите: електрически сензори за влага. Те се основават на промяната на

електрическите параметри (съпротивление / капацитет) на тънък слой чувствителен

материал, зависещи от адсорбцията на водни молекули. В контраст на психрометрите

6

или другите хидрометри, електрическите сензори за влага могат доста лесно да се

изготвят чрез микротехнологиите. Електрическите сензори за влага са най-

чувствителните влагосензори.[41]

4.1.2 Сензори за относителна влажност (RH)

В практиката най-често количествено, влажността на атмосферата се дава чрез

относителната влага, а сензорите с които се измерва количествено, съответно сензори

за относителна влажност. В повечето случаи, те функционират или измерват

влажността като функция на капацитет между електроди в зависимост от абсорбирани

водни молекули в обема на чувствителен материал (слой). [32]

4.2 Сензори за налягане

Един от важните и основни параметри на атмосферата е налягането Обикновено

налягането се измерва чрез мониторинг на резултатите, получени от специфично

изготвени механични структури, определени като чувствителен елемент. Прилагането

на налягане към чувствителния елемент, предизвиква промяна във формата, а

резултатът е еластичност или напрегнатост в материала, като по този начин може да се

определи размера на налягането.[17]

4.3 Сензори за флуиден поток

Всеки газ или течност представлява флуид, а съответно потокът му или движението -

газов поток или поток на течности. Микромеханичните сензори за поток могат да

измерват флуиден поток в широк обхват от литри на минута до няколко капки за час.

Сериозно навлизат в комерсиалните приложения и дори превъзхождат

конвенционалните сензори. Първото и най-важно за микрофлуидните устройства е да

могат да се интегрират заедно с поточни сензори (в микропомпи, клапи), да формират

дозиращи системи или регулатори на масов поток.

4.4 Химични микросензори за газов анализ

В групата на сензорите за параметри на околна среда попадат сензори, които

регистрират температура, влага, атмосферно налягане, поток на флуиди. Важен е и

съставът на атмосферата или течността. В тази насока трябва да се говори за химичен

или качествен състав/анализ. Това всъщност представлява набор от химически анализи,

чиято задача е да дадат пълна и точна информация за химичния състав на дадена

атмосфера/течност.

По своята същност, химичната сензитивност е способността на сензора, устройството

или системата, да реагира към наличието на определен химичен елемент или

съединение. Реакцията може да бъде под различна форма напр.: генериране на

ел.сигнал, температура, промяна в импеданс и др.

5. Преобразуватели(трандюсери) и актуатори в микросистемите. Основни

физични ефекти и принципи(методи) при микросензорите и актуаторите.

За реализиране на различни функции в микросензорите се използват определени

физични, химични или биологични ефекти. Като компонент на микросистемата,

микросензорът представлява входния преобразувател (първичен преобразувател). Той

преобразува една физична величина в друга. Сензорите и актуаторите са специален тип

преобразуватели. [16]

Сензорът е елемент или устройство, който преобразува една физична, химична или

биологична измервана величина “m” в еквивалентен сигнал “s”, най-често

електрически. Този сигнал е функция на измерваната величина:

s= f(m)

Изразът представлява преобразувателна характеристика и е обобщена теоретична

форма на конкретни физични закони, на които се подчинява работата на отделните

сензори.

7

Основен параметър на микросензорите е тяхната диференциална чувствителност

“S”, която се дефинира като отношение между изменението на изходната и

изменението на входната велечина:

S=ds/dm

В зависимост от характера на изходния сигнал, сензорите могат да бъдат активни

(генератори на ток, напрежение или заряд), или пасивни (при които изходното

съпротивление, индуктивност или капацитет се изменя под действие на входната

величина).

При сензорите с пиезоелектричен ефект, изменението на механичното напрежение в

пиезоелектричния кристал води до деформация, предизвикваща появата на еднакви по

големина и противоположни по знак електрически заряди на срещуположните

повърхности на кристала (фиг.2).

Фиг. 2. Пиезоелектричен ефект

6. Материали, използвани в конструкциите на микросистемите като

чувствителни/сензитивни слоеве.

В конструкциите на микросистемите, освен тях се изполват и материали, които

нанесени като тънък слой, под въздействието на външни фактори, променят своите

електро и физични параметри (съпротивление, проводимост, капацитет и т.н). Така те

формират групата на чувствителните материали в конструкциите на микросензорите. В

зависимост от това дали чувствителните материали могат да генерират електрически

заряди или само променят своите параметри, те се класифицират в две основни групи -

генеративни и негенеративни. Пример за първите са всички термоелектрични и

оптоелектрични (с вътрешен фотоефект) прибори като термодвойки от платина-родий,

желязо-мед-никел, никел-хром-никел и др., материали за фотоволтаични елементи

(тънкослойни) като кадмиев телурид, аморфен силиций, медно-индиев селенид,

пиезоелектрични материали.

Представители на негенериращите материали са всички металокисни съединения -

калаен оксид, цинков оксид, волфрамов триоксид, и т.н.; пиезорезистивни; както и

полимерни материали като полиимид.

7. Пиезоелектричество- същност, теоретични зависимости, ефекти и процеси. Под

пиезоелектричен ефект се разбира линейното електромеханично взаимодействие между

механичното и електрическото състояние в материали с несиметрична кристална

структура. Пиезоелектричният ефект, освен прав (получаване на вътрешен заряд

вследствие на приложено механично напрежение), е възможно да бъде и обратен

(възникване на механична деформация породена от приложеното електрическо

напрежение върху материала) [12]. Този ефект се наблюдава в кристали, които нямат

център на симетрия.

Изводи:

1. Приложението на МЕМС технологията при създаването на микроелементи за

микросистемите, позволява реализиране на микросензори и актуатори с малки размери

(m). Характерните технологични процеси и материали за тях са идентични са тези при

микроелектронното производство, което е възможност за изготване на сензор, актуатор

и управляваща електроника (ИС).

8

2. Различните параметри на околната среда (температура, влага, налягане, флуиден

поток, химичен състав и др.) представляват входен сигнал за микросензорите и

съответстват на видовете сензори, като при повечето той е неелектрична величина,

която се преобразува в електрична посредством трандюсери с физичен ефект на

преобразуване.

3. При микросензорите и актуаторите, един от основните механични елементи са

полупроводниковите микромембрани. Измерването на тяхната деформация става

посредством резистивни, капацитивни, индуктивни или пиезоелектрични методи.

4. Микросензорите за параметри на околната среда, съдържат т.нар. чувствителен слой

(материал), който под въздействието им променя свои специфични параметри.

5. Използването на пиезоелектрични материали в микросензори при които има

механична деформация премахва необходимостта от електрическо захранване при

формиране на сензорния сигнал.

Глава II Конструктивни решения на микросензори и актуатори.

1. Сензори за налягане

При микросензорите за налягане могат да се разграничат два основни, конструктивни

елемента - механичен и чувствителен. Обикновено механичният сензорен елемент

представлява микромембрана, която се деформира под действие на приложеното

налягане. В зависимост от налягането, което ще се упражнява върху сензора (ниско-

вакуум или високо), вида на флуида, обхвата на променящото се налягане и т.н., се

подбира и подходяща структура, геометрия, материал, метод на измерване

(преобразуващ механизъм) на сензора.

1.1 Силициеви мембрани

Широко приложение в МЕМС сензорите, намират силициевите мембрани като

сензорен елемент, съчетавайки възможностите и предимствата на „обемната” и

„повърхностна” технология. Най- простият производствен метод е чрез анизотропно

мокро ецване на силиций, при което се осигурява добър контрол върху размерите на

мембраната и е един от груповите процеси в производството на микроелектронни

устройства в силициевата технология. [15]

Фиг.3. Силициева микромембрана формирана чрез дълбоко анизотропно ецване

1.2 Класификация, в зависимост от метода за измерване на деформациите

1.2.1 Пиезорезистивни. При силиция пиезорезистивността се постига чрез дифузни или

имплантирани резистори за измерване на усилието в силициевите мембрани.

Пиезорезисторите са разположени по периферията на мембраната.

1.2.2 Капацитивни

Сензорите за налягане от капацитивен тип се базират на работата на паралелни

електроди, като единият е фиксиран, а другият – подвижен. При прилагане на налягане,

подвижният електрод се премества, разстоянието между него и неподвижния намалява

и капацитетът се повишава

1.2.3 Резонансни

Резонансните сензори за налягане използват резонаторна механична структура, като

разтягаща се нишка, чувствителна на отклонението на мембраната. При

конструирането на тези сензори съществуват някои трудности като: изготвянето на

резонаторната структура върху чувствителната към налягане структура; при използване

9

на силициеви резонатори, необходимост от вибрационни, възбуждащи и детектиращи

механизми; вакуумно капсуловане на резонатора за намаляване влиянието на газовете.

1.2.4 Оптични сензори (методи)

Характеризират се с промяна на оптичен сигнал под действие на налягането. При тях

отново в конструкцията присъства мембрана върху която са вградени оптични водачи.

Деформацията изменя фазата на светлинния поток чрез оптоеластичен метод.

Микромеханичните мембрани могат да се изготвят, като към тях се прибавят нишки с

разстояние между тях и силициева мембрана, формираща кухина.

1.2.5 Сензори с повърхностни акустични вълни (ПАВ)

Използват разпространението на повърхностни акустични вълни в пиезоелектрични

подложки (материал) с гребенчати електроди. При единия край на структурата се

възбужда ПАВ (входни електроди/преобразувател), която се приема в другия край

(изходни електроди/преобазувател), преминавайки през слоя. Приложеното налягане

влияе върху времето за преминаване на честотната вълна.

1.2.6 МЕМС микрофони

Микрофоните са специфичен тип МЕМС сензори за налягане, които преобразуват

акустични вълни в електрически изходен сигнал. Микрофонната мембрана трябва да

бъде силно чувствителна, показваща подходящо динамично поведение и корпусирана

така, че да понася статични налягания. Защитата от статичните налягания често се

постига чрез осигуряване и от двете страни на мембраната на отвори, имащи досег с

атмосферата, но само едната е предмет на влиянието на навлизащите акустични вълни.

Микрофонната структура се корпусира в камера, в която става разпространението на

мембранното ехо.

2. Сензори за флуиден поток

В зависимост от принципа на преобразуване/измерване, микросензорите за флуиден

поток, в конструктивно отношение, се разделят на две основни групи - термични и

механични. В точка 1 подробно бяха описани различните измервателни методи, като

тук ще се разгледат само едни от най-широко използваните структурни решения.[45]

2.1. Термични микрофлуидни сензори

В МЕМС-технологичните конструктивни решения, сензорите от този тип са най-често

термотрансферни или времетранспортни. Те работят при много ниски нива на

флуидния поток, а освен скорост могат да измерват и посока до 3600 в геометрично

направление.

Фиг.4. Термичен микрофлуиден с централен нагревател

При обхват 5-10 m/s сензорът постига точност в порядъка около 50. В сравнение с

анемометрите, термотрансферните сензори имат по-добра чувствителност, но при

високи нива на потока отстъпват място на анемометрите. При комбиниране на двата

типа сензори, се постигат много големи динамични обхвати.

2.2 Механични микрофлуидни сензори

В тези конструкции задължително присъства движещ се елемент или структура, която

под действие на флуидния поток се деформира.

10

Фиг. 5. Схематичен изглед на сензора за въздушен поток

На фиг. 5 е показана конструкцията на този вид сензор за измерване на въздушен поток

[76]. Когато над нейната повърхност премине въздушен поток, рамото се наклонява

надолу, което предизвиква малки промени в съпротивлението на пиезоелектричния

слой. Скоростта на въздушния поток се определя чрез измерване промяната в

съпротивлението на платинения пиезорезистор чрез LCR метър.

2.3 Сензори с диференциално налягане

Сензорите за флуиден поток, освен за въздушни маси, се използват и за течни флуиди.

Съществува група от този тип с т.нар. диференциално налягане. Както при сензорите за

налягане и тук може да се направи следната класификация:

2.3.1 Капацитивни

При навлизане в структурата, флуидът е с налягане р1 и преминава през сензора с

налягане р2. Ако каналът е достатъчно малък, за да създаде съпротивление на потока,

ще се получи разлика в наляганията р1 и р2, и съответно ∆р (пад на налягане).

Фиг.6. Диференциален капацитивен сензор с директен контакт

Налягането над мембраната и налягането вътре в структурата се уравновесяват.

Измерването на разликата в наляганията ∆р става чрез измерване на капацитета между

плочите, както при капацитивните сензори за налягане. Недостатък на такива

конструкции се явява прекият контакт на флуида с електродите на кондензаторната

структура. При корозивни флуиди, сензорът е с много кратък живот.

2.3.2 Пиезорезистивни

При този тип сензори, както при сензорите за налягане, има разположени

пиезорезистори по периферията на мембрана. Флуидният поток преминавайки през

отвор в центъра на мембраната, създава механични деформации в нея, поради

разликата в наляганията р1 и р2 (фиг.7).

Фиг.7. Пиезорезистивен метод

11

Основният недостатък на сензорите с диференциално налягане е нуждата от

стеснение/съпротивление на канала. Също така загубата на налягане може да бъде

проблем, ако например се използва микропомпа. Температурната промяна също

влошава чувствителността, както и плътността и вискозитета на флуида. Подходящи са

за течности, а сгъстените газове влошават измервания резултат.

3.Пиезоелектрични материали и преобразуватели, като основен компонент в

структури, използващи пиезоелектричен ефект.

Пиезоелектричните устройства, преобразуващи един вид енергия в друг вид се наричат

пиезо-преобразуватели/трансдюсери. Пиезо-актуаторите преобразуват електрическата

енергия в механична енергия, ето защо се наричат пиезо-мотори. Пиезо-сензорите

преобразуват механичната енергия в електрическа енергия, поради тази причина се

наричат пиезо-генератори. Тези наименования са условни, тъй като пиезоелектричният

ефект е възможно да бъде прав и обратен. Това означава, че едно устройство,

използващо пиезоелектричния ефект за основен принцип на работа, е възможно да

работи освен като мотор и като генератор.

3.1. Поливинилиден флуорид - PVDF

Този материал, представляващ термопластичен флуорополимер, е един от най-

изучаваните и използвани пиезоелектрични полимери. PVDF е един от

поликристалните полимери, които притежават най-малко четири кристални фази,

определящи пироелектричните, пиезоелектричните и фероелектричните им свойства.

Той може да формира различен кристал, в зависимост от състоянието на

кристализация. PVDF съществува в няколко форми с различни кристални структури:

неполярна α-фаза (TGTG), полярна β- (TTTT) и γ-фаза (TTTGTTTG), според

структурната верига от (T-trans) или (G-gauche) връзки. За получаване на тънки слоеве

от PVDF за целите на микроелектронното производство се използват гранули от

материала разтворени в подходящ разтвор. Най-често използваният такъв е метил-етил-

кетонът (МЕК). Обикновено дебелината на пиезоелектричните слоеве от PVDF е по-

голяма от тези на PZT и от порядъка на 1-100 µm.

3.2. Цинков оксид-ZnO

Една от характеристиките, определящи даден материал като пиезоелектричен, е той да

не притежава център на симетрия. Цинковият оксид се определя като пиезоелектричен

материал, защото неговата кристална структура представлява шестоъгълна структура

вуртцайт (wurtzite), която не е симетрична. Коефициентът на електромеханично

преобразуване на ZnO е относително висок, което го прави отличен материал за широка

гама пиезоелектрични устрйства [74]. Използва се в МЕМС технологията при различни

сензори и актуатори. Ето защо качеството на слоеве от такъв материал трябва да е

изключително високо. Свойствата на покритията от цинков оксид зависят от метода и

параметрите на израстването му. За нанасяне на покрития от ZnO се използват

различни методи. Високочестотното катодно разпрашване във вакуум е най-често

използваният метод на отлагане, защото чрез него се израстват слоеве с равномерна

дебелина върху подложки от различен материал[31]. За МЕМС технологията

дебелината на пиезоелектричните слоеве ZnO е от порядъка на 0,05-3 µm.

3.3. Оловно циркониев титанат-PZT. Този фероелектричен материал притежава

отлични пиезоелектрични и пироелектрични свойства. Следва да се отбележи, че

повечето налични на пазара керамики в днешно време (като например бариев титанат и

оловно циркониев титанат) са базирани на структурата перовските (perovskite). По

своето същество PZT или оловно циркониевият титанат (Pb[Zr(x)Ti(1-x)]O3)

представлява пиезоелектрична керамика, при която според конкретното приложение се

определя и нейният състав, а именно отношението Zr/Ti. Срещат се различни вариации

на отношението, но най-често използваните такива са 54/46; 52/48; 50/50; 53/47; 80/20 и

12

други. Основните методи на нанасяне на слоеве Pb(Zr,Ti)O3 е чрез високочестотно

катодно разпрашване във вакуум, зол-гел метод и CVD (Chemical vapor deposition) -

химическо отлагане от паро-газова фаза.

В таблица 1. е направено сравнение на материалите, според техните най-характерни

свойства. Табл.1. Коефициенти при пиезоелектричните материали

PZT PVDF ZnO

d31, pC/N 180 6-10 5

d33, pC/N 360 13-22 12,4

g31, Vm/N 0,011 0,14 0,36

g33, Vm/N 0,025 0,22 1,57

k 0,35-0,69 0,10-0,15 0,33

Y, GPa 49-63 8,3 30-200

εr 1700 10-12 10-11

Изводи:

1. За получаване на силициеви микромембрани с ниски вътрешни напрежения, но с

прецизно контролиране на дебелината, се използва електрохимично анизотропно

ецване. В сравнение с метода, при който се създава високо легиран р++ слой (напр.

дифузия на Бор) с концентрация на примесите Nx>0.5х1020 cm-3, този позволява

създаване на пиезорезистори и други полупроводникови елементи в мембраната.

2. Сензорите за налягане се класифицират в зависимост от метода по който се измерва

деформацията на мембраната им. Всеки от тях се използва според приложеното

налягане. За измерване на статични натоварвания, подходящи са пиезорезистивните и

капацитивните методи, а за динамични- резонансни, пиезоелектрични и метод с ПАВ.

3. Микрофлуидните сензори, работещи на калориметричен принци, измерват както

флуидния поток, така и посоката му. Конструкциите с централно разположен

нагревател и радиални температурни сензори, измерват посока на флиуда до 360о. При

ниски нива (до 5-10m/s) се постига точност на посоката около 5о, но при по- високите

потоци отстъпват на анемометричните сензори.

4. В преобразувателите с пиезоелектричен ефект се използват пиезоелектрични

материали като тънки слоеве. Те могат да бъдат както органични (PVDF), керамични

(PZT), така и металоксидни (ZnO). Органичните материали съществуват под различни

форми (фази на кристализация), които определят и свойствата им (пиезоелектрични,

пироелектрични, фероелектрични). За разлика от пиезоелектричните керамики и

металоксиди, органичните материали позволяват големи мехаични деформации.

Глава III Проектиране и конструиране на сензорни елементи за микросистеми

В глава 2 бяха разгледани подробно конструктивните решения, принципите за

измерване, теоретичните зависимости при различните микросензори. Въз основа и на

направения литературен обзор, в тази глава целта е да се проектират и конструират

сензорни елементи за мониторинг на налягания, и флуидни потоци (вятър и течности).

Използвайки налични софтуерни продукти като „CoventorWare“ и „FLOTERM“ да се

моделират и симулират влиянията на конструктивните параметри и термичното

разпределение в структурите, анализ на вътрешните напрежения и вид на флуида.

13

1.Проектиране на калориметричен микрофлуиден сензор за газов поток.

1.1.Избор на принцип за измерване и конструкция. Проектираният сензор служи за

изследване на флуидни потоци, базиран на калориметричен принцип на измерване,

характеризиращ се с висока точност, като, освен дебита на флуида, чрез конструирания

сензор може да се определи и посоката му. Обхватът на измерване е от 0.4 µl/s до 4 µl/s,

като е възможно измерване и на по-големи дебити чрез монтиране на редукции на

канала, чрез които се отклонява определена част от потока (редукция). Като се знае

зависимостта между отнетата и цялата част на потока, може да бъде определена

неговата стойност.

В резултат на проведените проучвания е избран температурен принцип на измерване,

като методите на измерване са базирани изцяло на калориметричен сензор за поток,

при който се разглежда температурната разлика от двете страни на нагряващият

елемент, получена при обтичането от флуида.

1.2. Материали, използвани в структурата

За температурните сензори и нагревателя е използвана платина, поради нейната

стабилност, точност и висок коефициент на температурна устойчивост (TCR), както и

устойчивостта и към корозия и оксидиране, биосъвместимост, температурна

стабилност и широк температурен диапазон на действие. Табл. 2 Съпротивление на платинена пластина

съпротивление при Т0=200С, R,Ω температурна разлика

ΔТ=Т-Т0 , ⁰ C

съпротивление при температура Т0C

R(T)

2.625 0 2.625

2.625 1 2.63529

2.625 2 2.64558

2.625 3 2.65587

2.625 4 2.66616

2.625 5 2.67645

2.625 10 2.7279

2.625 15 2.77935

2.625 20 2.8308

2.625 25 2.88225

2.625 30 2.9337

2.625 35 2.98515

2.625 40 3.0366

2.625 45 3.08805

2.625 50 3.1395

2.625 60 3.2424

2.625 70 3.3453

2.625 80 3.4482

2.625 90 3.5511

2.625 100 3.654

За разлика от някои други метали, зависимостта между изменението на

съпротивлението на платината при изменение на температурата е линейна, което е

показано на фиг.8. Поради тази причина двата сензора също са платинени, като в

табл.8. е пресметната чрез израз (43) промяната на съпротивлението на платинена

пластина с размери 200 µm x 10 µm x 0,8 µm (дължина, широчина, дебелина) при

повишаване на температурата и от 10С до 1000С. При проектирането са определени

най-важните конструктивни размери на разглеждания микросензор. Формата на канала

е правоъгълен паралелепипед с размери 200 µm x 200 µm x 800 µm (височина,

14

широчина, дължина). За да е ефективно измерването, при избраната форма и размери

на канала не трябва да преминава флуид със скорост по-висока от 0.1 m/s и по-ниска от

0.01 m/s (количество преминал флуид от 4 µl/s до 0.4 µl/s изчислено чрез формула (36).

Фиг.8 Температурна зависимост на съпротивлението

1.3. Изследване влиянието на различни флуиди върху измерването. Нагревателят е

избран да бъде с форма на правоъгълен паралелепипед и е разположен по средата на

канала, като дължината му е 200 µm и широчината му е 10 µm, а дебелината му се

определя спрямо необходимата температура на нагряване. В таблица 3 е изчислено

температурното повишение на нагревателя при четири различни дебелини на

пластината за четирите изследвани флуида чрез формула 78 при I = 5 mA, t = 1 s и

скорост на потока v = 0.01 m/s. Взимайки предвид разстоянието между тях и

нагревателя, скоростта на потока, както и физичните свойства на изследвания флуид,

теоретично може да се определи температурната разлика между тях.

Табл.3 Температурно повишение на нагревателя

k (W/m) a (m/s2) R (Ω) Th,0С флуид

0.02598 0.00001997 3 53.18 Азот

0.02598 0.00001997 2.8 49.63 Азот

0.02598 0.00001997 2.625 46.52 Азот

0.02598 0.00001997 2.47 43.76 Азот

0.01772 0.0000191 3 77.97 Аргон

0.01772 0.0000191 2.8 72.76 Аргон

0.01772 0.0000191 2.625 68.20 Аргон

0.01772 0.0000191 2.47 64.16 Аргон

0.024 0.0000186 3 57.57 Въздух

0.024 0.0000186 2.8 53.72 Въздух

0.024 0.0000186 2.625 50.35 Въздух

0.024 0.0000186 2.47 47.37 Въздух

0.02674 0.0000203 3 51.67 Кислород

0.02674 0.0000203 2.8 48.22 Кислород

0.02674 0.0000203 2.625 45.19 Кислород

0.02674 0.0000203 2.47 42.52 Кислород

В таблици 4-7 е пресметната тази разлика за шест скорости на потока за четирите

изследвани флуида, при еднакво разстояние между сензорите и нагревателя, което е

определено да е 50 µm. Друг важен параметър при пресмятането е температурата на

флуида.

15

Табл.4 Азот Табл.5 Аргон

Фиг. 9. Азот Фиг. 10.Аргон

Табл.6 Въздух Табл.7 Кислород

v, m/s TF, 0C ΔT, 0C

0.01 20 1.590

0.02 20 3.183

0.04 20 6.389

0.06 20 9.639

0.08 20 12.957

0.1 20 16.365

0.01 25 1.988

0.02 25 3.979

0.04 25 7.986

0.06 25 12.049

0.08 25 16.197

0.1 25 20.457

0.01 15 1.193

0.02 15 2.387

0.04 15 4.792

0.06 15 7.230

0.08 15 9.718

0.1 15 12.274

v, m/s TF, 0C ΔT, 0C

0.01 20 1.663

0.02 20 3.329

0.04 20 6.684

0.06 20 10.090

0.08 20 13.573

0.1 20 17.160

0.01 25 2.079

0.02 25 4.161

0.04 25 8.355

0.06 25 12.613

0.08 25 16.967

0.1 25 21.449

0.01 15 1.247

0.02 15 2.497

0.04 15 5.013

0.06 15 7.568

0.08 15 10.180

0.1 15 12.870

v,m/s TF, 0C ΔT, 0C

0.01 20 1.707

0.02 20 3.418

0.04 20 6.864

0.06 20 10.366

0.08 20 13.951

0.1 20 17.648

0.01 25 2.134

0.02 25 4.273

0.04 25 8.580

0.06 25 12.957

0.08 25 17.439

0.1 25 22.059

0.01 15 1.281

0.02 15 2.564

0.04 15 5.148

0.06 15 7.774

0.08 15 10.463

0.1 15 13.236

v, m/s TF , 0C ΔT, 0C

0.01 25 1.952

0.02 25 3.908

0.04 25 7.843

0.06 25 11.831

0.08 25 15.899

0.1 25 20.074

0.01 20 1.562

0.02 20 3.126

0.04 20 6.274

0.06 20 9.465

0.08 20 12.719

0.1 20 16.059

0.01 15 1.171

0.02 15 2.345

0.04 15 4.706

0.06 15 7.099

0.08 15 9.539

0.1 15 12.044

16

Фиг. 1.Въздух Фиг. 12.Кислород

Основна пластина

Платина

Злато

Канал

Отвори

Нискотопимо стъкло

Горна пластина (капак)

Фиг. 13. Сборен чертеж на сензора

2.Проектиране/моделиране и симулация на силициеви микромембранни

структури

В огромна част от микросистемите, техните компоненти, МЕМС сензори и актуатори,

са изградени на база силициеви микромеханични структури, посредством обемната и

повърхностна технология.[65] В тази връзка, проектирането и

анализирането/симулирането на такива елементи като мембрани, греди, конзоли, е

важен етап от изграждането на всеки сензор или актуатор. В тази точка, е моделирана

силициева мембранна структура, която е с конкретно приложение в сензор за налягане.

При проектирането е използван софтуерният продукт CoventorWare, който позволява да

бъдат синтезирани различни МЕМС структури, съчетавайки характерните за

технологията материали, процеси и тест симулатори.

2.1Проектиране, материали и технологични етапи Проектирането е свързано с изграждане на 3D-модел, използвайки “MultiMEMS”-

процес и MPD файлове. В MultiMEMS_membrane.proc. трябва да се изберат процесите

и материалите, които ще се използват при проектирането (подложка, епитаксия,

анизотропно мокро ецване от обратната страна). След това моделът се разделя чрез

mapped mesher.

Следваща стъпка е създаване на Layout, който включва създаването на файл

използвайки “MultiMems.cat template”. Този темплейт съдържа генерирана

“MultiMEMS” клетка и всички необходими фотомаски. Крайните топологични

размери на мембраната (дължина L и ширина W), се получават като резултат от

няколко фактора при производствения процес: дълбочина H при ецването; размерите на

проектираният отвор на фотомаската Wd, през който се осъществява дълбокото ецване;

грешката на фотомаската maskoffset и мембранния ъгъл (зависещ от кристалографската

ориентация).

W=L=Wd+2.maskoffset-2.H.tg(35.3o)

17

Фиг. 14.Размери на мембрана

Създаденият тримерен модел на мембрана трябва да се раздели на отделни елементи

или т.нар. мрежа от елементи (меширане), които се използват при анализи и

симулатори, функциониращи на базата на крайни елементи (FEM).

2.2.Изследване влиянието на налягането върху механичната деформация и

вътрешните напрежения на структурата. Първата част от анализите е направена,

използвайки “CoventorWare’s mechanical FEM solver MemMech”. Следваща стъпка е

конфигуриране на условията при FEM анализа и симулиране на мембранните

деформации при поредица от различни налягания.

Фиг.15. Деформация на мембрана

Тези симулации изчисляват мембранните деформации под действието на различно

налягане. Симулацията описва механичната част на сензорното устройство. От

данните, получени при симулациите се вижда, че при увеличаване размера на

мембраната се увеличава и деформацията по z-оста, като максимумът се наблюдава

при мембрана 470/470 µm. За различните размери на маските резултатите са показани в

таблица 8. Табл.8. Топологични размери на фотомаски и мембрана

Pmask, μm Pmemb,μm 0, MPa 0.025 0.05 0.075 0.1

700x700 165x165 -7.8E-5 0.059 0.12 0.18 0.24

800x800 270x270 -1.1E-4 0.34 0.58 1 1.4

960x960 426x426 -2.1E-3 1.1 2.3 3.4 4.6

1000x1000 470x470 0 1.4 2.7 4.1 5.4

rdftgdfgdgd

Epilayer

L

W

N-Epilayer Membrane

P-Si

2.2μ

m

40

0μ

m

1200μm

1200μm

Wd

H

54.7°

Mask

18

Направен е анализ след симулациите за влиянието на дебелината на подложката при

запазване размерите на маската. Използвана е една и съща маска 960/960 µm, за две

различни по дебелина силициеви подложки 200 µm и 400 µm.

Симулациите показват, че при намаляване дебелината на подложката 2 пъти,

размерът на мембраната се увеличава 1.7 пъти, а деформацията по Z 2 пъти при

прилагане на същото налягане

Фиг.16.Деформация при пластина 400m Фиг.17Деформация при пластина 200m

Напрежението или напрегнатостта, е важен параметър при микромеханичните

мембрани. В “Analyzer” може да се симулира и вътрешни напрежения. Максималните

напрежения при полупроводниковите мембрани са в периферията, а в мембранния

център напреженията са незначителни.

Фиг.18.Разпределение на вътрешни напрежения

Напрежението се увеличава с увеличаване площта на мембраната. За приложени

налягания 0,1 МРа към същите мембрани, напрежението е в обхвата 1,1 - 4 МРа.

3. Проектиране и симулация на микросензор за измерване посока (и скорост) на

вятър. Преди да започне същинското проектиране на самия сензор е важно да се

направи анализ на начина за определяне посоката на вятъра. За тази цел, като

анализиращ метод ще бъде използван двуизмерен анализ, където вятърът може да бъде

представен като вектор F

, който се състои от две компоненти:

x yF F x F y

,

19

Фиг.19.Илюстрация на анализиращия метод за определяне посоката на вятъра

Проектирането на сензора започва с избор на формата на нагревателя и температурните

детектори, както и определянето на размерите им в хоризонтална и вертикална посоки.

Нагревателят и детекторите ще представляват меандри, оформени във формата на

квадрат. Определяме страната на квадрата на нагревателя да е 2 mm, а тази на

температурните детектори е 0,8 mm. Разстоянието между всеки един от детекторите е

0,404 mm. Най-близко разположеният детектор е на разстояние 80 µm от нагревателя, а

по-отдалечените са на разстояние 80,4 µm. Изборът на разстоянието нагревател-

терморезистор от около 80 µm e направено въз основа на анализ на симулационни

резултати за микрофлуидния сензор от точка 1, състоящ се от нагревател и два

температурни детектора, работещ на същият метод - калориметричен принцип. И

нагревателят и температурните детектори ще бъдат формирани чрез отлагането на слой

платина Pt.

За намаляване на топлинния пренос чрез провеждане през пластината и за

увеличаване точността на измерването, платинените нагревател и терморезистори ще

бъдат отложени върху мембрана. С помощта на технологични операции, характерни за

обемната МЕМС технология тя ще бъде формирана в силициева подложка. За целта се

използва силициева пластина n-тип с кристалографска ориентация (100) и дебелина 300

µm. От обратната й страна, чрез анизотропно ецване, се формира тънка мембрана с

дебелина 30 µm. Размерите на мембраната са 5.5mm x 5.5mm, а на пластината са

6.483mm x 6.483mm.

На фиг.20 са представени изглед отгоре и напречно сечение на проектирания сензор.

На фиг.21 е представен 3D-модел на проектирания сензор.

Фиг. 20. Микросензор за определяне посоката Фиг.21. 3D-модел на микросензор за посока на

на вятър-изглед отгоре и напречно сечение вятър 3.1. Технологичен ред и фотошаблони.Технологичните процеси, необходими за

изготвянето на сензора, са характерни, както за микроелектронното производство, така

и за МЕМС технологията. Производственият процес включва в себе си: Почистване на силициевата пластина;

Оксидиране на пластината, чрез което термично се израства слой силициев диоксид

SiO2 (1);

Нанасяне на позитивен фоторезист AZ1350 (2);

20

Фотолитография с първи фотошаблон и премахване на нежелания SiO2 чрез ецване

във флуороводородна киселина HF, за да е възможно формирането на маска (3);

Нанасяне на слой титан Ti за по-добра адхезия между платината и силициевата

пластина;

Нанасяне на фоторезист за последвалото оформяне и формиране на слоя платина

чрез втори фотошаблон (4);

Отлагане на слой платина Pt с дебелина 500 nm (5);

Извършване на процеса свличане (lift-off), чрез който се премахват фоторезиста и

нанесената платина върху него (6);

Ецване от обратната страна на силициевата пластина в 40% разтвор на калиева

основа КОН при 80oC (7);

Получаване на силициевата мембрана;

Нанасяне на фоторезист и фотолитография с трети фотошаблон;

Вакуумно отлагане на злато за контактни площадки (8). 3.2Симулиране на температурното разпределение на нагревателния елемент в

обема на подложката. При симулиране на температурното разпределение на

топлината от нагревателя, е използван софтуерен продукт FloTHERM. Посоката на

движение на въздушната маса (означена със стрелки) е с преобладаващо хоризонтално

направление, а скоростта е максималната от 4 m/s, при която са проектирани

нагревателя и температурните сензори, и разстоянието между тях.

фиг. 22. Температурно разпределение в подложката

Определената при проектирането максимална температура на нагревателя от 60оС , е

базисна при моделиране на термопреноса. Целта е резултатът от всички симулации да

се получава при максимални параметри на входно въздействие. Така системата се

поставя в условия на най-лош случай.

Поради изтънената силициева подложка (мембрана) чрез дълбоко анизотропно ецване,

влианието й върху температурното разпределение в обема е сведено до минимум.

ГлаваIV Пиезоелектрични материали и технологични процеси, използвани при

микросистемите.

1.Органични/полимерни – PVDF - параметри, характеристики, разтваряне,

кристализиране. За получаване на PVDF слоеве с характерна дебелина х.100 nm- х.10

µm, за приложение в микросистемите, e необходимо твърдият материал да се разтвори

в подходящ разтворител. Съществуват ограничения при използването на повечето

органични разтворители, тъй като този полимер, е с висока химична устойчивост

включително както и към киселини и основи. И не на последно място стои въпросът за

използването на безвредни съединения.

В зависимост от използвания разтворител, след изпаряването му при нанасяне на слой,

полимерът кристализира в различни фази, които се характеризират с физичните

свойства и ефекти. Разтворен в диметил формамид (DMF) или диметил сулфоксид

21

(DMSO), PVDF преминава в γ-фаза. Когато за разтворител се използва

тетрахидрофуран (THF), полимерът кристализира единствено в α-фаза.

За приложение на PVDF като пиезоелектричен полимер, е необходимо той да

кристализира в полярната -фаза. За изходен полимерен материал беше използван

PVDF във формата на гранули с диаметър 5 mm на фирмата Goodfellow. В

съотношение 1.5 gr. PVDF и 25 ml МЕК, се загряват до 700С за 2 мин. При

разтварянето, част от разтворителя се изпарява, като това довежда до нарушаване на

първоначалното съотношение. Желателно е съдът в който се загрява разтвора да бъде

полузатворен, с цел намаляване изпарението на разтворителя, съответно разликата

между първоначалното и крайното съотношение на материалите.

1.1.Центрофужно и диспенсерно нанасяне на слоеве от PVDF от разтвор на МЕК-

PVDF. При диспенсерното нанасяне, формирането на слоя PVDF става с постепенното

изпарение на разтворителя. Предвид степента на омокряне на подложката, след

нанасяне на разтвора започва бавно изпарение от периферията на подложките към

центъра. В началния момент, по цялата повърхност на подложките, концентрацията е

еднаква, но с напредване на изпарението, тя се нарушава и равномерността на слоя се

влошава. След крайното изсушаване на слоя при 900С, необходимо за да може да се

изпари целият разтворител (фиг.23), се вижда лошото качество на слоя.

фиг.23.Диспенсерно нанесенPVDF фиг.24.Третиране при 180оС PVDF

Когато се нанесе слой (пет слоя) с междинно изсушаване на отделните слоеве се

прави и тест за адхезия, с който се установи добра адхезия на PVDF към стъкло и

силиций. Приложението на пиезоелектричните слоеве е свързано с прилагане на

механични деформации, поради което, като важно изискване към тях се поставят

добрите адхезионни свойства към подложките. На фиг. 25 са показани стъклени

подложки с нанесен PVDF, преди и след финално термично третиране. Върху слоя е

направено частично отнемане на материала, като след третирането се наблюдава

разливане на полимер от съседните области.

фиг. 25. стъклени подложки с нанесен PVDF, преди (вляво) и след(вдясно) финално термично третиране

Недостатъците при диспенсерното нанасяне на PVDF, изразени в неравномерност и

механични дефекти, се избягват с нанасяне на центрофуга. Получават се значително

по-тънки слоеве, в сравнение с диспенсерното нанасяне, а това довежда и до по-лесното

разрушаване на предходни слоеве след първия. При този метод се изисква разтвор с по-

голяма концентрация, тъй като центробежните сили отнемат значително количество от

него.

1.2.Нанасяне слоеве от PVDF по спрей-технология - същност, особености,

технологични параметри на процеса Принципът на нанасяне е свързан с генериране

на аерозолен поток (PVDF+MEK и сгъстен въздух). Плътността му и ъгълът, под който

пада върху подложката, определят равномерността на получения слой. Кинетичната

22

енергия на частиците (аерозолните) се определя от налягането на носещия въздушен

поток. Налягането на потока може да варира в определени граници, като оптималната

стойност на Р зависи и от разстоянието дюза - подложка. Доколко фин ще бъде слоят

зависи както от това налягане, така и от температурата на подложката Т и

концентрацията на разтвора. Зависимостта на аерозола (d) и диаметъра на частиците,

формиращи слоя (d*) върху подложката е [88]:

*0.11 0.003 0.310.32 . .

dT P C

d

,

където: С - концентрация

Т - температура на подложката

Р - налягане

За отлагането на слоеве от PVDF по спрей-технологията се изготви опитна постановка

лаб. макет, представляващ/съдържащ регулируем, плосък нагревателен елемент с P =

350 W, поставен върху изолационна керамична подложка. Регулирането на зададената

температура става посредством електронен регулатор с широчинноимпулсна

модулация (ШИМ). Температурният обхват на регулиране е 30-120оС, като

поддържаната температура е с точност +/-2 оС.

Фиг. 26 Установка за пулверизиране

На фигурата по-долу се виждат слоеве, нанасени при различни температури в обхвата

70 - 100 оС за опитно определяне на оптималната температура за подгряване на

подложките.

Фиг.27. PVDF нанесен при 80C върху стъклена (ляво) и силициева (дясно) подложка

Фиг.28. PVDF нанесен при 80C върху стъклена подложка

23

Фиг.29. PVDF с висока концентрация, нанесен при 80C върху стъклена подложка

При микросистемите, елементите и устройствата които съдържат пиезоелектрични

материали под формата на тънки слоеве с метализация, в повечето случаи са

„сандвичов“ или хоризонтален тип структури. Адхезията към тези метализации е важен

параметър при технологичното изготвяне, тъй като тя рефлектира, както върху

механичните напрежения в граничните области метал-полимер, така и влияе на

електрическото съпротивление на контакта.

Фиг.30 Структура за тестване на адхезя на PVDF към метални слоеве

В преобладаващите МЕМС и микроелектронни устройства, основните материали,

които се използват за метализация и трасировка между отделните елементи са

алуминий и мед. Поради тази причина бяха реализирани вертикални структури от

PVDF и тънки метални слоеве (Al и Cu) върху стъклени подложки.

Фиг.31 PVDF нанесен при 80C върху метализирани с алуминий стъклени подложки преди (вляво) и след

(вдясно)адхезионен тест.

Фиг.32 PVDF нанесен при 80C върху метализирани стъклени подложки с мед преди (вляво) и след (вдясно)адхезионен тест.

Както се вижда на микроскопските снимки, при образците с алуминиева метализация,

преди и след теста, се наблюдава лоша адхезия на PVDF. Полимерният слой напълно се

отстранява от подложката с метализация. При медната метализация, резултатите са

значително по-добри. Адхезия нямат само частици от PVDF, които са кристализирали

непосредствено след преминаването на разтвора през дюзата и попаднали върху

подложката като “дефекти”.

24

500 1000 1500 2000

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

PVDF

Reflec

tance

, %

w ave num ber, cm-1

Фиг.33. FTIR Фиг. 34. SEM

След нанасяне на слоеве от PVDF върху различните подложки и метални слоеве, е

направен структурен Фурие инфрачервен трансформационен анализ (фиг.33). За целта

се използваха образци със стъклена подложка и нанесен полимерен слой при

оптималните спрей-параметри. Резултатът от този анализ показва, че разтворен в МЕК,

след нанасяне, PVDF кристализира в - фаза.

Както беше обяснено, за получаване на по-големи дебелини на слоеве от PVDF, броят

на монослоевете съответно се увеличава. Максимумът им при спрей-нанасянето,

експериментално се определи като след 10-11 пулверизирания, адхезията драстично

намалява. За да се установи, дали няма разслояване между отделните мулти-слоеве, се

направи електронна микроскопия (фиг.34). На нея ясно се вижда еднородността на слоя

PVDF.

За да може да се направи сравнение между методите за нанасяне, както и да се

регистрират прав и обратен пиезоелектричен ефект, е необходимо да се реализират

идентични структури, които да се изследват при едни и същи условия. Това се

осъществи с помощта на структура, работеща с повърхностни акустични вълни (ПАВ)

[6].

Фиг. 35. Двойката входен/изходен електрод

с нанесен PVDF

На фиг.36. е представена и самата тестова конструкция, която представлява

стъклена подложка с нанесен на нея пиезоелектричен материал PVDF и оформени

гребеновидни електроди.

фиг. 36. Тестова ПАВ структура

При подаването на сигнал на входните електроди се образуват вибрации, които

пораждат механични вълни в пиезоматериала. Механичната вълна поражда напрежение

между електродите, когато тя достигне изходния електрод. Вибрациите се образуват

от синусоидален сигнал с честота 850 Hz – 200 kHz и амплитуда 10 Vp-p, получени от

функционален генератор ( MPF3060), включен на входа и с осцилоскоп (DQ2042CN) са

съпоставени входният и изходният сигнал на ПАВ устройствто.

25

850Hz 2kHz 200kHz

PVDF, центрофужно нанесен

PVDF, нанесен чрез пулверизиране

Фиг.37. Входно-изходни сигнали

2.Оловно циркониева пиезокерамика (PZT) и цинков оксид (ZnO). В глава трета

беше обърнато внимание на два пиезоелектрични материала, от различни групи-

пиезокерамика и металоксид, с представители оловно циркониев титанат и цинков

оксид. Така се покри гамата от пиезоелектрични материали органични (PVDF),

металоксидни (ZnO) и керамични (PZT), които са обект в дисертационния труд.

2.1 Получаване на тънки слоеве PZT и ZnO чрез ВЧ/RF катодно разпрашване. От

направения литературен обзор беше установено, че за целите на микросистемите и

микросензорите (и актуаторите), пиезоелектричните слоеве са с дебелини от няколко

стотин нанометра до десетки микрометра. Поради тази причина беше избрана и

технологията по която те да бъдат отлагани- високочестотно катодно разпрашване.

Като изходни материали за слоевете са използвани горещо пресовани дискове с

диаметър от 75mm и дебелина 3mm на фирмите “Goodfellow” (ZnO), “Semiconductor

Wafer Inc.” (PZT). Размерите на изходните материали са продиктувани от

конструктивните параметри на технологичната апаратура в катедрата (AV400).

От литературната справка и данни от публикации [77], параметрите на процеса бяха

преизчислени спрямо техническите параметри на обoрудването [60,62]. Слоевете ZnO и

PZT са нанесени чрез високочестотно катодно разпрашване във вакуум при разстояние

между източника и подложките 5 см. и следните параметри на процеса:

работен вакуум: 4.10-5

Torr

разпрашващ газ: Ar-2.10-2

Torr

напрежение на плазмата: Uplsm=0,85kV

ток на плазмата: Iplsm=180mA

мощност на плазмата: Pplsm=153W, [57]

В зависимост от времето за разпрашване се получават различни дебелини на

слоевете. След измерването им с профиломер Alphastep Tencor 100, се определиха

средни скорости на разпрашване от 2.5nm/min за PZT и 9 nm/min за ZnO.

2.2.Методи за структуриране на слоеве PZT и ZnO. Важен етап от изготвянето на

МЕМС структури с пиезоелектрични материали е структурирането им в определена

топология. Съществуват различни методи в микроелектронното производство, по които

тънки слоеве конфигурират, като мокро ецване през маска (фотолитография), плазмено

ецване, обратна фотолитография и др.

26

За структуриране на слоевете от PZT и ZnO е използвана обратна фотолитография

(Lift-off). При извършване на експерименталната работа, докато бъдат оптимизирани

условията за структуриране на пиезоелектричните слоеве, бяха забелязани някои

дефекти, като този, представен на фигура 38. Той е в следствие на недоекспониран

фоторезист.

Фиг. 38. Недоекспониран фоторезист

Отстраняването на подобни дефекти е от голямо значение за правилното

функциониране на устройството, в което ще се използва структурираният пиезослой.

а) б)

Фиг.39. Топология преди(а) и след(б) свличане на жертвения слой

2.3 Изготвяне на ПАВ структури с PZT и ZnO. Както при изследването на слоеве от

PVDF, за регистрирането на прав и обратен пиезоелектричен ефект се използват

структури с повърхностни акустични вълни. За да могат да се сравнят двата материала

като предавателни характеристики, т.е да се оцени електромеханичното преобразуване

при прав и обратен пиезоелектричен ефект, бяха изготвени аналогични ПАВ структури

от (фиг.36). Въз основа на експерименталното определяне на скоростите на отлагане на

пиезоелектричните материали, необходимото време за формиране на слой PZT с

дебелина 150 nm е 1 час, а за ZnO 20 мин. В диапазона на ниските честоти има ясно изразено дефазиране на входно/ изходните

сигнали и при двата материала. Свързано е със закъснението на изходния сигнал при

двойното електромеханично преобразуване. При по-високи честоти това дефазиране

намалява, като при 200kHz вече липсва. При изследването на пиезоелектрични

материали чрез ПАВ структури, не може да се даде количествена мярка за

пиезоелектричните коефициенти на електромеханично преобразуване, тъй като

подложките са нееластични (стъклени). Създадените механични вибрации в

пиезоелектричния слой са с ниска амплитуда, ограничаваща се от подложката, дори

при по-високи нива на входното напрежение. Предимството е че с ПАВ структурите

може да се регистрират едновремено и двата пиезоелектрични ефекта (прав и обратен).

27

850Hz 2kHz 200kHz

PZT, нанесен чрез високочестотно катодно разпрашване

ZnO, нанесен чрез високочестотно катодно разпрашване

Фиг.40.Сравнение на входен и изходен сигнал за PZT и ZnO

3.Изследване на структури с пиезоелектричен слой от PZT. От трите пиезоелектрични

материала (PVDF, PZT и ZnO), използвани в дисертационния труд,

оловноциркониевият титанат има най-големи стойности за пиезоелектричните

коефициенти. Също така, при изследванията с ПАВ структури, на осцилограмите се

вижда, че изходните сигнали при PZT са с нива по-високи от тези при ZnO. Поради

тази причина бяха изготвени структури с две конфигурации на електродите и е

изследвана реакцията при прилагане на усилие (натиск) за всяка от тях. За подложки е

използвано органично фолио от полиетилен терафталат (РЕТ) с дебелина 200

микрометра. В единия случай се изготвя “сандвичова” структура от типа подложка

(РЕТ) /електрод (Al) /пиезоелектричен слой (PZT)/електрод(Al), а в другия директно

върху РЕТ се нанася PZT, а електродите се нанасят последни и сигнала се измерва от

всеки два съседни електрода.

Фиг. 41. Технологичен ред на изготвяне на пиезоелектричен микрогенератор

В зависимост от начина на натоварване на структурите се разграничават два

режима - статичен и динамичен.

Фиг.42. а)тип „сандвич“); b)структура с планарни електроди

3.1 Статичен режим. На фиг.43 е показана опитната установка за снемане на

зависимостта пиезонапрежение – натиск. Образците бяха едностранно закрепвани в

една точка, за да се осигури липса на силите на опън, които биха възникнали при

28

притискане с контактната сонда, тъй като структурата се стреми да възстанови

началното си положение в точките на закрепване.

Фиг.43.Схема на опитната постановка за изследването на пиезоелектричната реакция.

Както се вижда на фигура 44, сензорът има изходно напрежение при натоварване в

диапазон от 0 до 300mgr., с изразена линейност. Резултатът е осреднен от измервания

направени между две съседни двойки електроди, като резултатите бяха идентични и от

същия порядък.

0 50 100 150 200 250 300

10

15

20

25

30

35

UmV

Data1UmV

U, m

V

P, mgr

0 200 400 600 800 1000 1200

-150

-100

-50

0

50

100

150

200

sandwitch U

, m

V

P, mgr

Фиг.44. Зависимост на генерираното напрежение Фиг. 45. Зависимост на генерираното напрежение

от приложено налягане при планарна структура (тип “сандвич”) при прилагане на механично усилие

При конфигурация тип „сандвич“ на електродите, сензорът е нечувствителен при слаби

механични усилия под 1,2 гр. Реакцията е повторяема и при преместване на

контактната сонда, реализираща натиск на следващия електрод.

3.2 Динамичен режим. При изследване на структурите в динамичен режим е

необходимо създаване на периодично механично натоварване, което да предизвика

генерирането на електрически заряди в пиезоелектричния материал. На фигура 46 е

представена схема на опитната постановка. Тя се състои от закрепена бобина, към

която е свързан нискочестотен генератор на синусоидален сигнал Г3-109 и стойка, към

която е застопорен изготвеният микрогенератор-греда. Електродите на генератора са

бондирани към контактни площадки, към които е свързан и измервателният уред-

осцилоскоп DQ2042CN.

Фиг.46. Опитна постановка за тестване на структури в динамичен режим

Чрез подаване на сигнал от генератора с различна честота в диапазона от 20Hz-200Hz и

амплитуда 3V се наблюдава сигнал, генериран от структурата, с различна от синусоида

29

форма, вследствие на породените вибрации на конструкцията. Амплитудата на

измерения сигнал е различна при различните честоти, за тази цел е снета амплитудно-

честотна характеристика на генератора, която е представена и на следващата фигура

(фиг.47).

Фиг.47.АЧХ Фиг. 48. Изходен сигнал

От графиката се вижда, че сигналът, генериран от структурата, има по-големи

стойности при две честоти при 80Hz и при 160Hz, като стойностите на напрежението

Up-p са съответно 5,2mV и 11,6mV. На фиг.48 е представена и формата на изходния

сигнал при подаден входен сигнал с честота 160Hz и амплитуда 3V.

Изводи

В тази глава бяха определени технологичните параметри при отлагане на

пиезоелектрични слоеве, разтваряне и специфични особености на процеса. При

регистриране на пиезоелектричните ефекти (прав и обратен) посредством ПАВ

структури, слоевете нанесени чрез пулверизиране генерират изходни сигнали с по-

малки нелинейни изкривявания. Причината е в морфологията на формираните слоеве,

влияеща върху механичните им качества.

Представени са методи за структуриране на PZT и ZnO, и изследване на прав и обратен

пиезоелектричен ефект чрез използване на ПАВ структури. Реализирани са елементи

(над 20 структури) с PZT слой и са изследвани в статичен и динамичен режим.

Приноси на дисертационния труд

Научно-приложни

1. Анализ и систематизиране на съвременните микросензори за контрол параметрите

на околната среда по критерии като технология, принцип на измерване, конструкция,

приложение.

2.Определяне влиянието на конструктивно- технологичните параметри на

микросензорните елементи върху приборните им характеристики и обобщаване на

основните аналитични зависимости.

3. Експериментално установяване и оптимизиране технологичен процес за

центрофужно и спрей отлагане на органичен пиезоелектричен флуoрополимер

поливинилиден флуорид (PVDF) за повишаване на качеството на слоевете (по-добра

адхезия, равномерност и ниска концентрация на дефекти).

4. Предложен и изследван технологичен подход за структуриране на слоеве от PZT и

ZnO посредством обратна фотолитография.

Приложни

1. Разработена е тестова постановка за тестване на динамичен режим на работа на

пиезоелектрични структури.

2. Разработка на тестова структура на основата на повърхностни акустични вълни

(ПАВ) за регистриране на прав и обратен пиезоелектричен ефект при тънки слоеве.

3. Предложен е метод за регулиране температурата на нагревателен елемент чрез

широчинно импулсна модулация (ШИМ). Оптимизирана е установка за спрей нанасяне

на тънки полимерни слоеве от разтвор с точност на температурата на подгряване на

подложките ±2 0С.

30

Списък с публикаци

1. Kolev, G.D., K.H. Denishev, G.H. Dobrikov, V.J. Strijkova, E.M. Spassova. Humidity

Microsensor with Polyimide Sensitive Layer, “Electronics’08”-Sozopol, Book 4, p. 145.

2. Георги Колев, Красимир Денишев и Стефан Ненов. Калориметричен МЕМС сензор

за флуиден поток, “Електроника”’2010-София, секция 4, 5.

3. Kolev, G. D., K. H. Denishev, S. D. Bobeva. Design and Analyzing of Silicon Diaphragm

for MEMS Pressure Sensors, , “Electronics’10”-Sozopol, Volume 4, Number 1, p. 112-115.

4. Kolev, G. D., K. H. Denishev, Y. Dutcolova. MEMS based microsensor for direction of

wind, “Electronics’11”-Sozopol, Volume 5, Number 2, p. 153-156.

5. K. H. Denishev, Kolev, G. D. Piezoelectric devices and their application in energy

harvesting sistems “Electronics’11”-Sozopol, Volume 5, Number 2, pp. 157-160.

6. Georgi D. Kolev, Mariya P. Aleksandrova, Krassimir H. Denishev Influence of the

deposition conditions on the morphology of PVDF layers with possible application in MEMS

pressure sensors, International Journal of Advances in Engineering, Science and Technology,

Vol. 1 ISSUE 2, Dec 2011-Feb 2012., pp.193-198

7. Georgi D. Kolev, Mariya P. Aleksandrova, Krassimir H. Denishev Spray deposition of

PVDF layers with application in MEMS pressure sensors, “ICEST”-Veliko Tarnovo,

Bulgaria, Vol. 2, pp 495-498, 2012.

8. Georgi D. Kolev, Investigation of piezoelectric effect in thin layers for application in

harvesting devices and MEMS sensors, “Electronics’12”-Sozopol, Volume 6, Number 2, pp.

88-90, ISSN 1314-0078, Sofia, 2012.

9.Krassimir H. Denishev, Georgi B. Kadijski, Georgi D. Kolev, Dobromir G. Gaydazhiev,

Design and Investigation of RF MEMS switch with piezoelectric actuation, “Electronics’12”-

Sozopol, Volume 6, Number 2, pp. 113-116, ISSN 1314-0078, Sofia, 2012.

10. Georgi D. Kolev, Mariya P. Aleksandrova, Valentin H. Videkov, Krassimir H. Denishev,

Petar Truhchev, Piezoelectric MEMS Stress Sensor with Thin Lead Zirconate Titanate (PZT)

Layer, Telfor 2012, Belgrade, Serbia, November, pp. 991-994, ISBN: 978-1-4673-2984-2,

IEEE Catalog Number: CFP1298P-CDR

11. Georgi D. Kolev, Mariya P. Aleksandrova, Krassimir H. Denishev Spray deposition of

PVDF layers with application in MEMS pressure sensors, IJRIS 2013, Vol.5, No3, pp.177-

182.

12.Georgi D. Kolev, Krassimir H. Denishev, Mariya P. Aleksandrova, Yodanka D.

Dutcolova, Investigation of thin PZT and ZnO Piezoelectric layers in dynamic mode for

application in MEMS, “ICEST”-Ohrid, Macedonia, Vol. 2, pp 691-694, 2013.

13. Йорданка Дуцолова, Георги Колев, Мария Александрова, Светозар Андреев, Георги

Добриков, Красимир Денишев, “Метод за структуриране на пиезоелектрични, тънки

слоеве от оловноциркониев титанат (PZT) и цинков оксид(ZnO) за приложение в

МЕМС устройства”, XI Младежка научно-практическа конференция, стр.76-79, ISSN:

1314-0698, 2013

Използвана литература

[1] Арнаудов Р.Г., В.Х. Видеков. „Хибридни микромодули” ,Учебник ,ТУ-София,

2001г.

[2]Ръсовска М., Ф. Филипов. „Материалознание в микроелектрониката”, Учебник ,ТУ-

София, 2003г.

[3] Таков Т. , Минчев В. „Полупроводникови датчици”, издателство „Техника”, 1986 г.

31

[12] Bassiri-Gharb N Piezoelectric and acoustic materials for transducer applications

(Springer) p 415, 2008.

[15] Beeby St., Gr. Ensell, M. Kraft, N. White, “MEMS Mechanical Sensors”, Artech House

Inc., 2004.

[16] Bharat Bhushan (Editor), „Springer Handbook of Nanotechnology”, Springer-Verlag,

November, ISBN-10: 354029855X, 2006.

[17] Bian Tian *, Yulong Zhao, Zhuangde Jiang , Ling Zhang, Nansheng Liao, Yuanhao Liu

and Chao Meng, „Fabrication and Structural Design of Micro Pressure Sensors for Tire

Pressure Measurement Systems (TPMS)“, Sensors, 9, 1382-1393, 2009.

[23] Gardner J.W., Varadan V.K., Awadelkarim O.O. , „Microsensors, MEMS, and Smart

Devices” book 2001.

[31] Husam S. Al-Salman, M.J. Abdullah Hydrogen gas sensing based on ZnO nanostructure

prepared by RF-sputtering on quartz and PET substrates Sensors and Actuators B: Chemical,

Volume 181, pp. 259-266, 2013.

[32] Husam S. Al-Salmana, M.J. Abdullaha, Fabrication and characterization of ZnO thin

film for hydrogen gas sensing prepared by RF-magnetron sputtering, Measurement, Volume

46, Issue 5, June, pp. 1698–1703, 2013.

[41] K.Govardhan;Z.C.Alex”Mems based humidity sensor”, 2005.

[45] Ma, R.H., Wang D.A., and Lee C.Y. “A MEMS-Based Flow Rate and Flow Direction

Sensing Platform with Integrated Temperature Compensation Scheme”, Sensors, 9, 5460-

5476; doi:10.3390/s90705460, 2009.

[47] McKee R A, Walker F J and Chisholm M F Crystalline oxides on silicon: The first five

monolayers Phys. Rev. Lett. 81 3014-17, 1998.

[57] Raluca Frunzaa, Dan Ricinschib, Felicia Gheorghiud, Radu Apetreid, Dumitru Lucad,

Liliana Mitoseriud, Masanori Okuyamab Preparation and characterisation of PZT films by

RF-magnetron sputtering Journal of Alloys and Compounds, Volume 509, Issue 21, Pages

6242–6246, 2011.

[60] Raegan Lynn Johnson, „Characterization of piezoelectric ZnO thin _lms and the

fabrication of piezoelectric micro-cantilevers“, Copyright c Raegan Lynn Johnson, 2005.

[62] Schneller T and Waser R Chemical modifications of Pb(Zr0.3Ti0.7)O3 precursor

solutions and their influence on the morphological and electrical properties of the resulting

thin films J. Sol-Gel Sci. Technol. 42 337-52, 2007.

[65] Sergey Edward Lyshevski, Victor Giurgiutiu, „Micromechatronics: Modeling, Analysis,

and Design With MATLAB”, CRC Pr I Llc, May, ISBN-10: 1420065629, 2009.

[77] Wang C, Kryder M H Low fatigue in epitaxial Pb(Zr0.2Ti0.8)O3 on Si substrates with

LaNiO3 electrodes by RF sputtering J. Electron. Mater. 38 1921-5, 2009.

[86] http://www.mems-exchange.org/

[88] http://iopscience.iop.org/0957-4484/17/6/023

32

RESUME

Research and investigation of microsensor devices and microsystems for control the

parameters of environment

Nowadays many devices and systems find application for measuring and control

parameters and quantity of the environment. That is possible by using of different

microsensors for measuring of parameters as temperature, pressure, humidity, wind or air

direction and velocity.

The microelectronic progress leads to the decreasing of topology dimensions and

researching of new materials. The environment parameters are not electrical quantities. Their

transformation in an electrical signal by transducers with specific effects is provided.

The microsensors are input transducers for microsistems. The method of transforming

is related with so-called sensitive parts of the microsensor, that include sensitive materials as

thin layers. Every one of them is characterized by a physic effect as: thermoelectric effect,

photo and pyroelectric effect, Hall effect, piezoelectric and piesoresistive effect, etc.

In the first chapter the microsensors and technology processes for their manufacturing

are described. The basic transducers techniques, theory and materials are presented. As a

conclusion it’s proves that microsensors are widely used in metrology for measuring

parameters of environments.

In the second chapter the constructions of different microsensors are obtained. The

piezoelectric materials PVDF, PZT, ZnO are researched.

In the third chapter silicon micromembrans are designed and investigated. The two

microfluidic sensors (for open and closed sistem) are designed and constructed. The influence

of the fluid velocity and temperature are investigated.

In the fourth chapter thin piezoelectric layers (PVDF, PZT, ZnO) are deposited. The

technology parameters and deposition techniques are investigated. The forward and reverse

piezoelectric effects by SAW method are registered. For structuring of piezoelectric layers

lift-off process is used.

The structures with PZT layer on PET substrates in static and dynamic mode are

investigated.

The obtained results in this thesis are also applicable for other type microsensors and

actuators, working with piezoelectric effect as touch sensors, harvesting devices, etc.