автореферат диссертации по электронике, 05.27.01, диссертация на тему:Разработка методов проектирования и моделирования интегральных сенсоров ускорения на основе туннельных наноструктур

На правах рукописи

ПРИСТУПЧИК Никита Константинович'

РАЗРАБОТКА МЕТОДОВ ПРОЕКТИРОВАНИЯ И МОДЕЛИРОВАНИЯ ИНТЕГРАЛЬНЫХ СЕНСОРОВ УСКОРЕНИЯ НА ОСНОВЕ ТУННЕЛЬНЫХ

НАНОСТРУКТУР

Специальность: 05.27.01 —твердотельная электроника, радиоэлектронные компоненты, микро- и наноэлектроника, приборы на квантовых эффектах

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Таганрог — 2010

004605551

Работа выполнена на кафедре конструирования электронных средств Технологического института ФГОУ ВПО «Южный федеральный университет» в г. Таганроге.

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Коноплев Борис Георгиевич (ТТИ ЮФУ, г. Таганрог).

Официальные оппоненты: член-корреспондент РАН,

доктор физико-математических наук, профессор Квардаков Владимир Валентинович (Курчатовский центр синхротронного излучения и нанотехнологий (КЦСИиНТ) РНЦ "Курчатовский институт", г. Москва);

доктор технических наук, профессор Червяков Георгий Георгиевич (Технологический институт ФГОУ ВПО «Южный федеральный университет» в г. Таганроге).

Ведущая организация: Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Московский государственный институт электронной техники (технический университет)», г. Москва.

Защита диссертации состоится «24» июня 2010 г. в 14 ч. 20 мин. на заседании диссертационного совета Д212.208.23 при Южном федеральном университете по адресу: 347922, г. Таганрог Ростовской области, ул. Шевченко, 2, корп. «Е», комн. Е-306.

С диссертацией можно ознакомиться в зональной научной библиотеке Южного федерального университета.

Автореферат разослан » 2010 г.

Ученый секретарь диссертационного совета доктор технических наук, доцент

И. Б. Старченко

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы

В настоящее время компоненты микросистемной техники широко применяются во многих отраслях народного хозяйства. Из всего многообразия микросистем следует выделить устройства предназначенные для решения задачи анализа траектории, параметров движения и динамических характеристик подвижного объекта. Данный класс представлен микромеханическими компонентами инерциальных навигационных систем — микромеханическими гироскопами и акселерометрами.

Тенденция к миниатюризации технических устройств, реализуемых методами групповой обработки, приводит к необходимости учитывать особенности протекания физических процессов, проявляющиеся при переходе к линейным масштабам порядка единиц нанометров. Таким образом, представляется возможным говорить о микроэлектромеханических системах (МЭМС), содержащих наноразмерные функциональные элементы, как об элементах наносистемной техники в первом приближении.

Разработка конструкций, а также методов моделирования и проектирования микро - и наномеханических компонентов измерительных систем требует, помимо поиска новых конструктивных решений, глубокого изучения особенностей физических процессов, протекающих в наносистемах, а также технологических аспектов изготовления микро - и наноструктур, поскольку именно междисциплинарный характер исследований, выполняемых в процессе разработки наносистем, открывает перспективы развития как самой наносистемной техники, так и смежных областей научного знания.

Таким образом, разработка и исследование принципов построения, конструкций, методов моделирования и проектирования компонентов микро- и наносистемной техники в целом и разработка интегральных МЭМС, обеспечивающих решение задачи анализа траектории, параметров движения и динамических характеристик подвижных объектов является актуальной проблемой.

Состояние вопроса

Для решения задачи анализа траектории, параметров движения и динамических характеристик подвижных объектов возникает потребность в регистрации линейных ускорений по трем взаимно перпендикулярным осям. В настоящее время известны два различных подхода к решению этой задачи с использованием МЭМС регистрации линейных ускорений или микромеханических акселерометров (ММА).

Существует возможность восстановления полной информации о параметрах движения объекта путем обработки результатов измерения, поступающих от нескольких дискретных сенсорных устройств, каждое из которых обладает лишь одной осью чувствительности. Технология формирования с использованием операций микросборки позволяет улучшить массо-габаритные показатели посредством размещения необходимого числа одноосевых микросенсоров на общей основе. Вместе с тем, указанный метод требует прецизионных операций позиционирования и инсталляции микросистем, что снижает процент выхода

годных изделий и увеличивает их стоимость.

Другая возможность заключается в формировании необходимого числа многоосевых сенсоров, а также систем обработки информации в едином технологическом процессе с использованием групповых методов обработки. Таким образом, измерительный комплекс, оснащенный, при необходимости, цифровым интерфейсом, может быть выполнен в виде интегральной микросхемы, поэтому в целом указанная возможность решения рассматриваемой задачи представляется более перспективной.

Особенности интегральных ММА на основе туннельного эффекта, обусловливающие преимущества перед другими типами преобразователей:

— принцип функционирования преобразователя предоставляет возможность эксплуатации интегральной МЭМС регистрации линейных ускорений в экстремальных условиях;

— экспоненциальная зависимость туннельного тока от ширины потенциального барьера определяет характерно высокую чувствительность устройств рассматриваемого класса;

— возможность интеграции микромеханических сенсорных устройств в комплексные системы сбора и анализа данных, а также преобразования и передачи информации, повышают как функциональную, так и экономическую эффективность конечных продуктов.

Для изготовления МЭМС в настоящее время применяются различные материалы микроэлектроники. В частности, широко используется моно- и поликристаллический кремний, его оксиды и нитриды, иные соединения и модификации, а также различные металлы, керамики, полимеры и их комбинации (биморфные, композиционные и гибридные структуры). Для обеспечения необходимых механических и электрофизических свойств применяется легирование.

Особенностью технологической реализации туннельных преобразователей перемещения следует считать необходимость формирования наноразмерных пространственных зазоров. Отсутствие отлаженных технологий групповой обработки, решающих данную задачу, сдерживает широкое применение интегральных ММА, содержащих туннельные контакты.

Из известных технологий наиболее подходящей для реализации интегральных ММА на основе туннельного эффекта можно считать технологию обработки фокусированными ионными пучками, позволяющую формировать латеральные преобразователи перемещения. К сожалению, данная технология не является групповой, что в совокупности с высокой стоимостью делает ее неприемлемой для производства МЭМС в промышленных масштабах.

Один из наиболее перспективных путей создания туннельных контактов, повышения их надежности, снижения рабочих напряжений предполагает разработку нелитографических технологий формирования туннельных наноструктур на основе процессов самоорганизации.

В качестве примера можно привести процесс пористого анодирования алюминия, который естественным образом за счет самоорганизации структуры создает диэлектрический слой с регулярной матрицей цилиндрических наноканалов, плотность упаковки которых может варьироваться от 108 до 1012 см 2.

Полученные поры представляют собой маску для формирования эмиттepoвJ которые могут быть использованы в автоэмиссионном преобразователе перемещения с вертикальным расположением электродов. Вместе с тем, применение матриц, полученных таким образом катодов для обеспечения туннельного режима работы ММА представляется затруднительным.

Уникальная технология управляемой самоорганизации механически напряженных полупроводниковых слоев гетеропереходов типа ¡пАвЛЗаАв, разработанная в Институте физики полупроводников СО РАН, в перспективе позволяет формировать как латеральные, так и вертикальные туннельные контакты в едином технологическом процессе, используя управляемую самоорганизацию структурных слоев СэАбЛпАз и групповые методы обработки, такие как анизотропное плазмо-химическое травление жертвенных слоев.

Цель работы

Целью диссертационной работы является разработка принципов построения, конструкций, методов моделирования и проектирования интегральных сенсоров ускорения на основе туннельных наноструктур, способствующих решению проблем повышения эффективности анализа траектории, параметров движения и динамических характеристик подвижных объектов.

Для достижения поставленной цели в работе решались следующие основные задачи:

— разработка принципов построения интегральных МЭМС регистрации линейных ускорений на основе туннельных наноструктур;

— разработка моделей, методов и программных средств моделирования преобразователей перемещения на основе туннельных наноструктур;

— разработка аналитических моделей элементов передачи движения в МЭМС регистрации линейных ускорений на основе туннельных наноструктур;

— разработка аналитической модели управляемой самоорганизации функциональных элементов МЭМС на основе механически напряженных слоев ОаАз/ТпАз;

— разработка методики анализа динамических характеристик МЭМС регистрации линейных ускорений на основе туннельных наноструктур, содержащих элементы сложной формы для передачи движения;

— разработка методов проектирования интегральных сенсоров ускорения на основе туннельных наноструктур.

Научная новизна-.

— разработаны принципы построения интегральных микромеханических сенсоров линейных ускорений, содержащих наноразмерные преобразователи перемещения на основе туннельного эффекта, с горизонтальным и вертикальным расположением электродов преобразователя, а также принципы построения многоосевых МЭМС регистрации линейных ускорений с произвольной ориентацией осей чувствительности;

— разработаны модели и методы моделирования преобразователей перемещения на основе туннельных наноструктур, отличающиеся тем, что форма потенциального барьера может быть задана параметрически с учетом кон-

фигурации электродов, а также корреляционного взаимодействия между электронами, а коэффициент прозрачности рассчитан численно для потенциального барьера произвольной формы;

— разработаны аналитические модели элементов передачи движения в МЭМС регистрации линейных ускорений на основе туннельных наноструктур, отличающиеся тем, что позволяют рассчитать конфигурацию электродов наноразмерных преобразователей перемещения на основе туннельного эффекта в зависимости от приложенной внешней силы;

— разработана аналитическая модель управляемой самоорганизации функциональных элементов МЭМС на основе наноразмерных механически напряженных слоев GaAs/InAs.

Практическая значимость полученных результатов состоит в том, что на основе предложенных принципов построения и анализа результатов моделирования разработаны:

— методика проектирования многоосевых микроэлектромеханических систем регистрации линейных ускорений, содержащих наноразмерные преобразователи перемещения на основе туннельного эффекта и обеспечивающих одинаковую чувствительность по трем осям;

— конструкции интегральных одно- и многоосевых микромеханических акселерометров на основе туннельного эффекта (защищены патентами Российской Федерации);

— программные средства численного моделирования наноразмерных преобразователей перемещения, основанные на численном решении стационарного уравнения Шредингера;

— технологические маршруты изготовления интегральных МЭМС регистрации линейных ускорений на основе туннельных наноструктур.

Внедрение и практическое использование результатов работы Результаты диссертационной работы использованы в научных исследованиях и разработках КЦСИиНТ ФГУ РНЦ «Курчатовский институт» (г. Москва), НОЦ «Нанотехнологии» ФГОУ ВПО «Южный федеральный университет», кафедры конструирования электронных средств Технологического института ФГОУ ВПО «Южный федеральный университет» в г. Таганроге, а также внедрены в учебный процесс подготовки студентов Технологического института ФГОУ ВПО «Южный федеральный университет» в г. Таганроге.

Апробация результатов работы

Основные результаты работы обсуждались и были одобрены на следующих научных конференциях:

— The Second International Competition of Scientific Papers in Nanotechnology for Young Researchers (Moscow, 2009);

— Всероссийской молодежной школе-семинаре "Нанотехнологии и инновации" (НАНО-2009) (г. Таганрог, 2009);

— X конференции молодых ученых «Навигация и управление движением» (Санкт-Петербург, 2008);

— Международной научно-технической конференции «Микроэлектроника и наноинженерия - 2008» (Москва, 2008);

— I, II и III ежегодных научных конференциях студентов и аспирантов базовых кафедр Южного научного центра РАН (г. Ростов-на-Дону, 2005, 2006,2007);

— LI научно-технической конференции профессорско-преподавательского состава, аспирантов и Сотрудников ТРТУ (г. Таганрог, 2005);

— XIII, XIV Всероссийская межвузовская научно-техническая конференция студентов и аспирантов "Микроэлектроника и информатика" (Москва, 2006, 2007);

— Международной научно-технической конференции "Фундаментальные проблемы радиоэлектронного приборостроения" (INTERMATIC - 2008) (Москва, 2008);

— VIII и IX всероссийской научной конференции студентов и аспирантов техническая кибернетика, радиоэлектроника и системы управления (г. Таганрог, 2006, 2008);

— X и XI Международной конференции "Опта-, наноэлектроника, нанотехно-логии и микросистемы" (Ульяновск, 2008);

— XI научной молодёжной школе по твердотельной электронике "Нанотехно-логии, наноматериалы, нанодиагностика" (Санкт-Петербург, 2008);

— X международной научно-технической конференции "Актуальные проблемы твердотельной электроники и микроэлектроники" (ПЭМ - 2006) (Дивноморское, 2006).

Основные положения и результаты, выносимые на защиту:

— принципы построения и конструкции интегральных сенсоров ускорения на основе туннельных наноструктур;

— модели и методика моделирования наноразмерных преобразователей перемещения на основе туннельного эффекта;

— модели и методика моделирования динамических характеристик элементов передачи движения интегральных сенсоров ускорения на основе туннельных наноструктур;

— методика проектирования интегральных сенсоров ускорения на основе туннельных наноструктур.

Публикации

По теме исследований опубликовано 26 печатных работ, в том числе 2 статьи в изданиях, рекомендованных ВАК РФ, получены 2 патента РФ.

Структура и объем работы

Диссертация состоит из введения, четырех глав с выводами и заключения, а также списка литературы и приложений. Работа изложена на 169 страницах машинописного текста и содержит список литературы на 6 страницах, 68 рисунков, 3 таблицы.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы, сформулированы цель и задачи работы, определены методы исследования, выделены научная новизна, основные защищаемые положения, приведены другие общие характеристики работы.

В первой главе проводится анализ современного состояния элементной базы МЭМС регистрации линейных ускорений, в том числе рассматриваются сенсорные и актюаторные элементы с различными принципами функционирования, а также некоторые аспекты применяемых в настоящее время технологий изготовления.

Выявляются существенные особенности преобразователей перемещения на основе туннельного эффекта, обусловливающие их преимущества перед иными типами преобразователей для микро- и наносистемной техники в свете тенденций к дальнейшей миниатюризации компонентов МЭМС.

Вторая глава посвящена разработке принципов построения и конструкций интегральных МЭМС регистрации линейных ускорений, содержащих наноразмер-ные преобразователи перемещения.

Рассматриваются различные типы преобразователей перемещения на основе туннельного эффекта, а также технологические маршруты изготовления, выявляются их принципы построения, преимущества и недостатки.

Предлагается новый принцип построения многоосевых МЭМС регистрации линейных ускорений на основе туннельных наноструктур с произвольной ориентацией оси чувствительности, заключающийся в такой организации структуры МЭМС, при которой оси чувствительности МЭМС выводятся из плоскости, параллельной плоскости подложки, и, в общем случае, не являются взаимно ортогональными. Применение данного принципа, в частности, позволяет построить мкогоосе-вые МЭМС регистрации линейных ускорений на основе туннельных наноструктур, обеспечивающие одинаковую чувствительность по трем взаимно ортогональным осям.

В третьей главе освещаются вопросы, связанные с разработкой моделей, методов и методик моделирования функциональных элементов МЭМС регистрации линейных ускорений, содержащих наноразмерные преобразователи перемещения, а также некоторых физических процессов, оказывающих влияние на стабильность структуры и свойств данных функциональных элементов.

Разработана модель распределения потенциала в преобразователе перемещения на основе туннельных наноструктур, предполагающая параметрическое задание формы потенциального барьера с учетом конфигурации электродов, а также корреляционного взаимодействия между электронами:

Л-и ¡.УЩх+йЧ)

0,а)

(1,6)

(1,в)

О, (1,г)

i/(x)=c/4(*)+i;'W, (1,д)

где U '(х) — распределение потенциала в областях электродов и зазоре, обусловленное разностью потенциалов между электродами, UR—UL — разность потенциалов электрода-эмиттера (£/*) и электрода-коллектора (¿Л), d — расстояние между электродами, Uh(x) — распределение потенциала в зазоре (параметрическое представление потенциального барьера), ср^ — работа выхода, С/ — поправочная функция, выражающая работу электрона против сил изображения левого электрода, U'n(x) —поправочная функция, выражающая работу электрона против сил изображения правого электрода, § — параметр, определяемый из соотношения

-k^-=-(pwf, характеризует протяженность поверхностного слоя, в котором электрон еще считается связанным в твердом теле, = . ' — коэффициент для си-

4ТГ £0

стемы физических величин (СИ).

Предложен численный метод расчета коэффициента прозрачности потенциального барьера произвольной формы, основанный на численном решении стационарного уравнения Шредингера:

-~~^-+U(x)Y(x)=EY(x)t (2)

QX

где У (л*) - волновая функция, U (х ) - потенциальный рельеф, определяемый выражениями (1), х - координата, £ - полная энергия частицы, т — эффективная масса электрона.

Принимая диапазон разрешенных значений полной энергии электронов

AU нормировочным множителем для потенциальной энергии, а у^отлТ/ —

нормировочным множителем для координаты, запишем уравнение (2) в нормированном виде:

-£$+№х)-ё)Ф=О (3)

ох w

Конечно-разностная схема решения уравнения (3) на равномерной сетке имеет вид:

--^-+[и-Е)^=0, (4, а)

Ч>,+, = 2х2 (£-!/>,, (4, б)

где U-,- значение сеточной функции потенциального рельефа, Ах - шаг сетки.

Для инициализации вычислительной схемы (4) необходимо задать значения сеточной функции Ф, в двух точках сетки х, , х2.

Решение уравнения (4, а) для рассеянной частицы в соответствии с определенными ранее допущениями можно представить в виде:

^,=ехр(к,х,+ 5),

где к, =

- волновое число, определяемое потенциальным рельефом, 5 -приращение фазы, обусловленное рассеянием.

Условие непрерывности и непрерывной дифференцируемое™ волновой

функции в каждой точке сетки (непрерывности логарифмической производной) однозначно определяет ее значение в последующей точке.

Предполагая, что частица движется справа налево, имеем из условия непрерывности логарифмической производной в точке х, :

ехр((с,х| + 5)=ф1 , (5, а)

к, ехр, (5,6)

Аху, у

Ц/2=^1{1 + Лхк1)=1р{(]+Лх^/и~Е) , (5, г)

где к, - волновое число, соответствующее координате X, , 5 - приращение фазы, Фг . Ч'г - численные значения волновой функции в соответствующих точках сетки, причем ф\ может быть задано произвольно.

Из условия непрерывности логарифмической производной в точке Хп следует:

Л ехр(-к„х„)+Я-ехр(к„х,,)=ф„, (6, а)

-к„А-ехр(-к„х„)+кпЯ-ехр(к„х„) = 1 , (6, б)

где хп - точка, соответствующая правой границе области решения, кп - волновое число в точке хп, А - амплитуда падающей волны, Я - амплитуда отраженной волны.

Решая систему уравнений (6), получаем выражения, определяющие амплитуды отраженной и падающей волн:

(1+кпАх)1р„-ф„_! 2кпД*ехР(кЛ) ' л=Ч>,гЯ-ехр(КпХ„) „

ехр {-к„х„) ' '

Таким образом, коэффициент прозрачности для барьера произвольной формы может быть рассчитан по формулам:

2 к„Лх х '

Для расчета основных характеристик преобразователя перемещения

используются следующее выражение:

* к

—ет к„Т 'Г ,

¿ТТ П ¿г

1+ехр[~(АЕ)1(к0Т)] ' {9)

Х1п

1.+ехр[(-Д Е+е{ик~и1_))1(к(>Т)}

йАЕ

2 max(U{x)) _ верхняя граница разрешенных значений энергии электрона, ЛЕ - полная энергия электрона, отсчитанная от дна зоны проводимости эмиттера, Т(А E,d,UR—UL,(pwf) — коэффициент прозрачности, определяемый из (8) с учетом полученных ранее выражений (1) — (7).

Достоверность разработанных моделей и метода подтверждается сравнением полученных с их использованием результатов с результатами, полученными на основании точных аналитических решений уравнения (2) для потенциальных барьеров прямоугольной формы, а также приближенных аналитических решений уравнения (2) для потенциальных барьеров специальной формы.

На рис.1 представлено семейство характеристик преобразователя перемещения, отражающих зависимость туннельного тока от расстояния между электродами при различных напряжениях. На рис. 2 представлены характеристики, отражающие зависимости туннельного тока от ускорения. Зависимости, позволяющие определить пороги чувствительности, отображены на рис. 3. На рис. 4 представлена зависимость логарифмической производной абсолютной чувствительности сенсорного элемента на основе туннельного эффекта.

Таким образом, полученные результаты позволяют оценить пороги чувствительности, диапазоны измерения МЭМС регистрации линейных ускорений, а также показывают, что наноразмерные преобразователи перемещения на основе туннельного эффекта характеризуются значительными приращениями выходных сигналов при малом изменении конфигурации электродов, что позволяет обеспечить высокую чувствительность.

Рис. 1. Зависимости туннельного тока от расстояния между электродами

гС

О 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 а.мкд

Рис. 2.3ависимости туннельного тока от ускорения

100 120 140 160 180 200 а.мкд

Рис. 3. Приращения туннельных токов в зависимости от ускорения (1Л - величина тепловых шумов)

_

о U=60mkB ----U=75MK8 U=100M<B

.J i

О 50 100 150 200 250 300 360 400 450 а.мкд

Рис. 4. Логарифмическая производная абсолютной чувствительности

Разработана аналитическая модель элемента передачи движения балочного типа для расчета конфигурации наноразмерного преобразователя перемещения с горизонтальным расположением электродов (рис. 5). Модель имеет вид:

EJ

EJ

Г F¿ „ЕJ +1%

-/■COS

^.EJFL2

-tg

FL2 E„J . FL2

EJ FL

•sin

EJ

Щ

Ej'

H

COS

FL EJ

-+H

Г 212

П

где Р — внешняя сила, Ею —■ модуль Юнга, I — длина балочного элемента, / — лина электродов, Я— высота держателей электродов.

азработана аналитическая модель элемента передачи движения торсионного типа, позволяющая рассчитать конфигурацию электродов наноразмерного преобразовате-я перемещения с произвольной ориентацией оси чувствительности (рис. 6). одель имеет вид:

1 ПК 1 + у)= /¿2( 1 + У) г 2 2 141-х4 4 £^0,141 -х4 ' де Р — внешняя сила, Ею — модуль Юнга, у — коэффициент Пуассона, I — дли-[а торсионов, х — толщина напряженных слоев, Е — длина инерционной массы.

Рис. 5: Преобразователь с горизонтальным расположением электродов преобразователя

1пА8 I;

Ь/2

М,® м2

Рис. 6. Преобразователь с произвольной ориентацией оси чувствительности

Разработана аналитическая модель, позволяющая оценить формирующий момент сил в процессе управляемой самоорганизации функциональных элементов МЭМС на основе механически напряженных слоев ОаАйЛпАз:

Л а х1

Четвертая глава посвящена разработке методик проектирования функциональных элементов МЭМС, содержащих наноразмерные преобразователи перемещения, на примере конструкций, представленных во второй главе.

В приложениях приводятся технологические маршруты изготовления разработанных конструкций ММА на основе туннельных наноструктур, листинги исходного кода разработанного программного обеспечения, результаты численного расчета коэффициента прозрачности потенциального барьера, а также документы, подтверждающие внедрение полученных результатов.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

— разработаны принципы построения интегральных микромеханических сенсоров линейных ускорений, содержащих наноразмерные преобразователи перемещения на основе туннельного эффекта, с горизонтальным и вертикальным расположением электродов преобразователя, а также принципы построения многоосевых МЭМС регистрации линейных ускорений с произвольной ориентацией осей чувствительности;

— разработаны модели и методы моделирования преобразователей перемещения на основе туннельных наноструктур, отличающиеся тем, что форма потенциального барьера может быть задана параметрически с учетом конфигурации электродов, а также корреляционного взаимодействия между электронами, а коэффициент прозрачности рассчитан численно для потенциального барьера произвольной формы;

— разработаны аналитические модели элементов передачи движения в МЭМС регистрации линейных ускорений на основе туннельных наноструктур, отличающиеся тем, что позволяют рассчитать конфигурацию электродов наноразмерных преобразователей перемещения на основе туннельного эффекта в зависимости от приложенной внешней силы;

— разработана аналитическая модель управляемой самоорганизации функциональных элементов МЭМС на основе наноразмерных механически напряженных слоев ОаАБЛпАз;

— разработана методика проектирования многоосевых микроэлектромеханических систем регистрации линейных ускорений, содержащих наноразмерные преобразователи перемещения на основе туннельного эффекта и обеспечивающих одинаковую чувствительность по трем осям;

— разработаны конструкции интегральных одно- и многоосевых микромеханических акселерометров на основе туннельного эффекта (защищены патентами Российской Федерации);

— разработаны программные средства численного моделирования наноразмерных преобразователей перемещения на основе туннельного эффекта, основанные на численном решении стационарного уравнения Шредингера;

— разработаны технологические маршрута изготовления интегральных МЭМС регистрации линейных ускорений на основе туннельных наноструктур.

Публикации по диссертации

Статьи в изданиях, рекомендованных ВАК РФ:

1. Коноплев Б. Г., Приступчик Н. К., Рындин Е. А. Автоэмиссионный акселерометр с тремя осями чувствительности // Нано- и микросистемная техника, №3, 2007. С. 36 - 39.

2. Рындин Е. А., Приступчик Н. К. Интегральный микромеханический туннельный акселерометр на основе напряженных слоев GaAs/InAs // Известия ЮФУ. Технические науки. - Таганрог: Изд-во ТТИ ЮФУ, №1, 2009.-246 с.-С. 129- 135.

Публикации в других изданиях

3. Приступчик Н. К., Шерова Е. В. Методика моделирования многоосевого автоэмиссионного акселерометра // Навигация и управление движением: Материалы докладов X конференции молодых ученых "Навигация и управление движением". - СПб.: ГНЦ РФ ЦНИИ "Электроприбор", 2009. -468 с. С. 375-382.

4. Шерова Е. В., Приступчик Н. К. Моделирование многоосевого микромеханического гироскопа-акселерометра // Навигация и управление движением: Материалы докладов X конференции молодых ученых "Навигация и управление движением". - СПб.: ГНЦ РФ ЦНИИ "Электроприбор", 2009.-468 с. С. 129-135.

5. Приступчик Н. К., Шерова Е. В. Методика моделирования многоосевого автоэмиссионного акселерометра // Труды X конференции молодых ученых «Навигация и управление движением»,— СПб.: ГНЦ РФ ЦНИИ «Электроприбор», №2, 2008,- С.102.

6. Шерова Е. В., Приступчик Н. К. Моделирование многоосевого микромеханического гирскопа-акселерометра // Труды X конференции молодых ученых «Навигация и управление движением».- СПб.: ГНЦ РФ ЦНИИ «Электроприбор», №2, 2008,- С.100.

7. Арзуманян Г. В., Колпачев А. Б., Приступчик Н. К. Моделирование потенциала и процесса переноса заряда в нанометрической гетероструктуре кремний (111)- титан - кремний // Известия ТРТУ. Специальный выпуск: Материалы LI научно-технической конференции профессорско-преподавательского состава, аспирантов и сотрудников ТРТУ - Таганрог: Изд-во ТРТУ, 2005. №9(53) - С. 226 - 227.

8. Приступчик Н. К. Интегральный преобразователь механических величин на основе SIMOX-пластин // Первая ежегодная научная конференция студентов и аспирантов базовых кафедр Южного научного центра РАН. Материалы молодежной конференции (Ростов-на-Дону, 15-21 апреля 2005 г.). Ростов-на-Дону: Изд-во ЮНЦ РАН, 2005. С. 260-261.

9. Приступчик Н. К. Интегральный микромеханический автоэмиссионный 3D-акселерометр // Вторая ежегодная научная конференция студентов и аспирантов базовых кафедр Южного научного центра РАН. Материалы молодежной конференции (Ростов-на-Дону, 15-21 апреля 2006 г.). Ростов-на-Дону: Изд-во ЮНЦ РАН, 2006. С. 154 - 155.

10. Приступчик Н. К. Автоэмиссионный трехосевой акселерометр // Восьмая всероссийская научная конференция студентов и аспирантов техническая кибернетика, радиоэлектроника и системы управления. Тезисы докладов. (Таганрог, 19-20 октября 2006 г.). Таганрог: Изд-во ТРТУ,200б.

С. 277 - 278.

11. Рындин Е. А., Пристуцчик Н. К. Интегральная микромеханическая система регистрации линейных ускорений // Труды Десятой международной научно-технической конференции "Актуальные проблемы твердотельной электроники и микроэлектроники" (ПЭМ-200б).Дивноморское, 2006.4.1. -С. 240 - 242.

12. Приступчик Н. К. Особенности компьютерного моделирования автоэмиссионного сенсорного элемента // 14-я Всероссийская межвузовская научно-техническая конференция студентов и аспирантов "Микроэлектроника и информатика - 2007": Тезисы докладов. -М.: МИЭТ, 2007. С. 117.

13. Приступчик Н. К. Методика моделирования транспорта носителей заряда в автоэмиссионном контакте // Третья ежегодная научная конференция студентов и аспирантов базовых кафедр Южного научного центра РАН. Материалы молодежной конференции (Ростов-на-Дону, 5-24 апреля 2007 г.). Ростов-на-Дону: Изд-во ЮНЦ РАН, 2007. С. 188 - 189.

14. Приступчик Н. К. Методика моделирования МЭМС регистрации линейных ускорений на основе туннельного эффекта И Материалы Международной научно-технической конференции "Фундаментальные проблемы радиоэлектронного приборостроения" (INTERMATIC - 2008). -

М.: МИРЭА, 2008. - 4.1. - С. 195-198.

15. Приступчик Н. К. Особенности конструкции и методики проектирования МЭМС регистрации линейных ускорений на основе туннельного эффекта // Материалы Международной научно-технической конференции "Фундаментальные проблемы радиоэлектронного приборостроения" (INTERMATIC -2008). - М.: МИРЭА, 2008. - 4.1. - С. 199-201.

16. Приступчик Н. К, Особенности моделирования интегральной микромеханической системы регистрации линейных ускорений, содержащей наноразмерный преобразователь перемещения // Материалы X Международной конференции "Опто-, наноэлектроника, нанотехнологии и микросистемы" Ульяновск.: УлГУ, 2008. С. 102.

17. Приступчик Н. К. Особенности проектирования интегральной микромеханической системы регистрации линейных ускорений, содержащей наноразмерный преобразователь перемещения // Материалы X Международной конференции "Опто-, наноэлектроника, нанотехнологии и микросистемы" Ульяновск.: УлГУ, 2008. С. 101.

18. Приступчик Н. К. Анализ структуры и свойств интегрального микромеханического акселерометра, содержащего наноразмерный автоэмиссионный преобразователь // XI научная молодёжная школа по твердотельной электронике "Нанотехнологии, наноматериалы, нанодиагностика".- СПб: Изд-во СПбГЭТУ (ЛЭТИ), 2008,- С.49.

19. Приступчик Н. К. Методика проектирования интегральной микромеханической системы регистрации линейных,ускорений, содержащей наноразмерный преобразователь // Девятая всероссийская научная конференция студентов и аспирантов техническая кибернетика, радиоэлектроника и системы управления. Тезисы докладов. (Таганрог, 23 -24 октября 2008 г.). Таганрог: Изд-во ТРТУ,2008. Т. 2 С. 30 - 31.

20. Коноплев Б. Г., Приступчик Н. К. Интегральный микромеханический акселерометр, содержащий наноразмерный преобразователь перемещения на основе напряженных слоев GaAs/InAs // Микроэлектроника и наноинженерия-2008. Международная научно-техническая конференция. Тезисы докладов. - М.: МИЭТ, 2008. - 188 с. С. 139 - 140.

21. Приступчик Н. К. Интегральная многоосевая микросистема регистрации линейных ускорений на основе арсенида галлия // Материалы XI Международной конференции "Опто-, наноэлектроника, нанотехнологии и микросистемы" Ульяновск.: УлГУ, 2009. С.193.

22. Pristupchik N. К. Nanoelectromechanical Accelerometer Based on Technology of Driven Self-Assembly of Mechanically Stressed GaAs/InAs Layers // Abstracts. The Second International Competition of Scientific Papers in Nanotechnology for Young Researchers. - Moscow.: RUSNANO, 2009. - 880 p. P. 159- 160.

23. Приступчик H. К. Наноэлектромеханический акселерометр на основе технологии управляемой самоорганизации механически напряженных слоев GaAs/InAs // Сборник тезисов докладов участников Второго международного конкурса научных работ молодых ученых в области нанотехнологий,- М.: Роснано, 2009. 992 с. С. 180 - 182.

24. Приступчик Н. К. Наноэлектромеханический акселерометр на основе туннельного эффекта // Сборник тезисов докладов Всероссийской молодежной школы-семинара "Нанотехнологии и инновации" (НАНО-2009). Таганрог, 2009. С. 41—42.

Патенты:

25. Рындин Е. А., Приступчик Н. К. Интегральный микромеханический акселерометр на основе туннельного эффекта // Патент РФ 2289822, 2006.

26. Рындин Е. А., Приступчик Н. К. Интегральный микромеханический автоэмиссионный акселерометр // Патент РФ 2298191,2007.

В работах, опубликованных в соавторстве, лично автору принадлежат: в [1] — конструкция и методика моделирования интегрального многоосевого ММА на основе туннельного эффекта; в [2, 20] — принцип построения интегрального ММА с произвольной ориентацией оси чувствительности, аналитические модели управляемой самоорганизации функциональных элементов МЭМС на основе механически напряженных слоев GaAs/InAs и передачи движения; [3, 5, 11] — конструкция и методика моделирования многоосевого интегрального ММА с горизонтальным расположением электродов преобразователя; в [7] — численный метод расчета коэффициента прозрачности потенциального рельефа произвольной формы; в [4, 6] — разработка элементов моделей функциональных элементов.

ЛР 02205665 от 23.06.1997 г. Подписано к печати /X 0*Г\2010 г. Формат 60x84 1/16. Печать офсетная. Бумага офсетная. Усл.п. л. -

Заказ № Тираж 100 экз. _©_

Издательство Технологического института Южного федерального университета в

г. Таганроге Таганрог, 28, ГСП 17А, Некрасовский, 44 Типография Технологического института Южного федерального университета в

г. Таганроге Таганрог, 28, ГСП 17А, Энгельса, 1

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. Анализ современного состояния элементной базы МЭМС регистрации линейных ускорений.

1.1. Общие сведения.

1.2. Актюаторы.

1.3. Преобразователи перемещения.

1.4. Технологические аспекты.

1.5. Выводы.

ГЛАВА 2. Разработка • принципов построения и конструкций интегральных

МЭМС регистрации линейных ускорений на основе туннельных наноструктур.

2.1. Классификация туннельных контактов.

2.2. Элементы передачи движения в МЭМС.

2.3. Разработка конструкции ММА с горизонтальным расположением электродов преобразователя.

2.4. Разработка конструкции ММА с вертикальным расположением электродов преобразователя.

2.5. Разработка многоосевого ММА на основе туннельных наноструктур с горизонтальным расположением электродов.

2.6. Концепция произвольной ориентации осей чувствительности.

2.7. Технологические аспекты изготовления МЭМС с произвольной ориентацией осей чувствительности.

2.8. Многоосевой ММА на основе туннельных наноструктур с произвольной ориентацией осей чувствительности.

2.9. Выводы.

ГЛАВА 3. Разработка моделей и методов моделирования интегральных МЭМС регистрации линейных ускорений.

3.1. Обзор методов моделирования МЭМС.

3.2. Декомпозиция задачи моделирования туннельного преобразователя перемещения.

3.3. Разработка модели распределения потенциала в преобразователе перемещения.'.

3.4. Модель транспорта носителей заряда в наноразмерном преобразователе перемещения.

3.5. Разработка численного метода расчета коэффициента прозрачности потенциального барьера туннельного преобразователя перемещения.

3.6. Расчет основных характеристик преобразователя перемещения на основе туннельных наноструктур.

3.7. Разработка аналитических моделей элементов передачи движения.

3.8'. Разработка модели самосборки функциональных элементов ММА с произвольной ориентацией осей чувствительности.100'

3.9. Исследование механических характеристик интегрального-многоосевого

ММА с горизонтальным расположением электродов.

ЗЛО. Разработка модели электростатического взаимодействия ' между электродами туннельного преобразователя перемещения'.

3.11. Выводы.

ГЛАВА 4. Разработка методов и методик проектирования интегральных МЭМС регистрации линейных ускорений.

4.1. Обзор методов проектирования МЭМС.

4.2. Разработка обобщенной методики проектирования МЭМС.

4.3. Методика параметрического представления элемента передачи движения-многоосевого ММА с горизонтальным расположением электродов преобразователя перемещения.

4.4. Методика определения8 диапазона отклонений подвижного электрода под действием внешнего ускорения.

4.5. Методика проектирования двухосевого ММА.".

4.6. Выводы.

На основании анализа теоретических предпосылок и фундаментальных физических законов, лежащих в основе функционирования современной элементной базы микроэлектроники и микросистемной техники, представляется возможным утверждать, что прирост функциональной эффективности микросистем, а также повышение эффективности процесса разработки рассматриваемых устройств в целом обеспечивается, главным образом, посредством раскрытия потенциала их физико-топологических особенностей, что сопровождается дальнейшей миниатюризацией и, как следствие, переходом от элементной базы микроэлектроники и микросистемной техники к наноэлектронике и наноси-стемной технике [1, 2, 3]. Разумеется такой переход сопряжен с различными трудностями как технического (разработка перспективных конструкций, технологий изготовления, математических моделей, а также методик моделирования и проектирования), так и методологического (разработка новых принципов системной организации и подходов к решению технических задач) характера.

Настоящая работа, главным образом, посвящена решению узкоспециализированных задач технического характера, поэтому общеметодологическая сторона вопроса практически всегда остается без внимания. Вместе с тем, чтобы подчеркнуть важность идей, лежащих в основе современного подхода к рассматриваемым в последующих главах вопросам следует все же кратко остановиться на некоторых методологических предпосылках.

Прежде всего, следует отметить доклад выдающегося физика Р. Ф. Фейн-мана, в котором сформулированы основные идеи миниатюризации технических систем и нанотехнологии, в частности, идеи каскадной самосборки. Бурное развитие микроэлектроники, а затем и микросистемной техники, явилось доказательством фундаментального характера изложенных концепций, нашедших широкое практическое применение [4]. Вместе с тем, анализ современных тенденций развития нанотехнологий позволяет с уверенностью сказать, что идеи Фей-нмана не утратили своей актуальности и в наши дни.

Теоретическая сторона вопроса о самосборке, поднятого Фейнманом, разрабатывалась выдающимся математиком Дж. фон Нейманом [5]. Его теория самовоспроизводящихся автоматов стала фундаментальной основой направления разработки наноассемблеров — машин, осуществляющих молекулярную^ сборку наносистем и, таким образом, реализующих концепцию построения технических систем «снизу вверх», которая на сегодняшний день является одной: из наиболее приоритетных задач нанотехнологии. Следует также отметить, что. теория фон Неймана представляет собой весьма абстрактное математическое построение, поэтому непосредственное ее применение к вопросам техники w технологии в известной степени сопряжено со значительными трудностями*. Вместе с тем, фундаментальные результаты теории самовоспроизводящихся автоматов могут служить обоснованием необходимости-применения,математического моделирования при решении технико-технологических задач; связанных с конструированием и изготовлением микро- и наносистем, как инструмента получения новых знаний.

Концепция междисциплинарного^подхода к'решению научных и-технических ' проблем впервые была изложена в работе выдающегося биолога JL фон Берталанфи [6]. В настоящее время-междисциплинарный подход является-одной из наиболее эффективных методологических концепций, позволяющей получать новые знания в некоторой области, благодаря использованию^ известных результатов из иных областей (не обязательно смежных). В микросистемной технике междисциплинарные исследования являются неотъемлемой/частью разработки микросистемы,, вследствие разноплановости решаемых задач-.

Следует также отметить ряд работ отечественных авторов. В' работе Ж. И. Алферова представлен обзор исторического развития полупроводниковых наноразмерных гетероструктур — основы современной1 наноэлектроники. Ж. И. Алферов обращает внимание на определяющую роль процессов самоорганизации, которые в настоящее время недостаточно хорошо исследованы и немогут быть в полной мере использованы для построения функционально законченных устройств [7]. Помимо полупроводниковых материалов весьма перспективным видится использование в качестве строительного материала для микро- и наносистем углеродных наноструктур, которые впервые были исследованы Л. В. Радушкевичем и В. М. Лукьяновичем [8].

В настоящее время компоненты микросистемной техники широко применяются во многих отраслях народного хозяйства [2, 3, 9, 10]. Из всего многообразия микросистем следует выделить устройства предназначенные для решения задачи анализа траектории, параметров движения и динамических характеристик подвижного объекта. Данный класс представлен микромеханическими компонентами инерциальных навигационных систем — микромеханическими гироскопами и акселерометрами [9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16]. Применение микромеханических систем регистрации линейных ускорений в составе специализированных диагностических комплексов способствует значительному повышению эффективности решения поставленных задач в полном соответствии с рассмотренными ранее фундаментальными методологическими предпосылками.

Тенденция к миниатюризации технических устройств, реализуемых методами групповой обработки, приводит к необходимости учитывать особенности протекания физических процессов, проявляющиеся при переходе к линейным масштабам порядка единиц нанометров. Таким образом, представляется возможным говорить о микроэлектромеханических системах (МЭМС), содержащих наноразмерные функциональные элементы, как об элементах наносистем-ной техники в первом приближении.

Следует отметить, что для решения ряда задач (например, обеспечение безопасности пассажира автомобиля) экстремальная миниатюризация измерительных МЭМС по разным причинам не требуется, тогда как для других (медицина, робототехника, бионика) высоконадежные МЭМС, содержащие наноразмерные функциональные элементы, востребованы уже сегодня.

Разработка конструкций, а также методов моделирования и проектирования микро - и наномеханических компонентов измерительных систем требует, помимо поиска новых конструктивных решений, глубокого изучения особенностей физических процессов, протекающих в наносистемах, а также технологических аспектов изготовления микро - и наноструктур, поскольку именно междисциплинарный характер исследований, выполняемых в процессе разработки наносистем, открывает перспективы развития как самой наносистемной техники, так и смежных областей научного знания.

Таким образом, разработка и исследование принципов построения, конструкций, методов моделирования и проектирования компонентов микро- и наносистемной техники в целом и разработка интегральных МЭМС, обеспечивающих решение задачи анализа траектории, параметров движения и динамических характеристик подвижных объектов является актуальной проблемой.

Для решения задачи анализа траектории, параметров движения и динамических характеристик подвижных объектов возникает потребность в регистрации линейных ускорений по трем взаимно перпендикулярным осям. В настоящее время известны два различных подхода к решению этой задачи с использованием МЭМС регистрации линейных ускорений.

Существует возможность восстановления полной информации о параметрах движения объекта путем обработки результатов измерения, поступающих от нескольких дискретных сенсорных устройств, каждое из которых обладает лишь одной осью чувствительности. Соответствующим образом размещенные и ориентированные относительно осей симметрии исследуемого объекта такие устройства обеспечивают решение указанной задачи. Следует отметить, что в общем случае измерительный комплекс, построенный на основе дискретных сенсорных устройств, может быть весьма громоздким, что не всегда допустимо. Технология формирования с использованием операций микросборки позволяет улучшить массо-габаритные показатели посредством размещения необходимого числа одноосевых микросенсоров на общей основе. Вместе с тем, указанный метод требует прецизионных операций позиционирования и инсталляции микросистем, что снижает процент выхода годных изделий и увеличивает их стоимость

Другая возможность заключается в формировании необходимого числа многоосевых сенсоров, а также систем обработки информации в едином технологическом процессе с использованием групповых методов обработки. Таким образом, измерительный комплекс, оснащенный, при необходимости, цифровым интерфейсом, может быть выполнен в виде интегральной микросхемы, поэтому в целом указанная возможность решения рассматриваемой задачи представляется более перспективной.

Следует отметить, что применяемая в настоящее время планарная технология формирования микромеханических акселерометров на основе жертвенных слоев накладывает серьезные ограничения на возможные композиции функциональных элементов, предназначенных, в частности, для передачи движения, и приводит к обособлению оси чувствительности перпендикулярной плоскости подложки. В этой связи разработка конструкций микромеханических систем, обеспечивающих одинаковую чувствительность по трем взаимно перпендикулярным осям, представляет собой актуальную конструкторскую задачу.

Поскольку на данном этапе развития соответствующих направлений изготовление наноразмерных устройств регистрации линейных ускорений, в полной мере реализующих концепцию построения «снизу вверх», представляется затруднительным, приоритетным направлением в настоящей работе принята концепция построения- «сверху вниз», не исключающая, впрочем, применения наг норазмерных функциональных элементов и отдельных операций самоорганизации.

Целью диссертационной работы является разработка принципов построения, конструкций, методов моделирования и проектирования интегральных сенсоров ускорения на основе туннельных наноструктур, способствующих решению проблем повышения эффективности анализа траектории, параметров-движения и динамических характеристик подвижных объектов.

При выполнении данной диссертационной работы получены следующие научные результаты:

- разработаны принципы построения интегральных микромеханических сенсоров линейных ускорений, содержащих наноразмерные преобразователи перемещения на основе туннельного эффекта, с горизонтальным и вертикальным расположением электродов преобразователя;

- разработаны принципы, построения интегральных микромеханических сенсоров линейных ускорений, содержащих наноразмерные преобразова- ' тели перемещения на основе туннельного эффекта, с произвольной- ориг ентацией оси чувствительности;

- разработаны модели и методы моделирования преобразователей перемещения на основе туннельных наноструктур, отличающиеся тем, что форма потенциального барьера может быть задана параметрически с учетом конфигурации электродов, а также корреляционного взаимодействия между электронами, а коэффициент прозрачности рассчитан численно для потенциального барьера произвольной формы;

- разработаны аналитические модели элементов передачи движения в МЭМС регистрации линейных ускорений на основе туннельных наноструктур, отличающиеся тем, что позволяют рассчитать конфигурацию электродов наноразмерных преобразователей перемещения на основе туннельного эффекта в зависимости от приложенной внешней силы;

- разработана аналитическая модель управляемой .самоорганизации функциональных элементов МЭМС на основе наноразмерных механически напряженных слоев GaAs/InAs.

Практическая значимость полученных результатов состоит в том, что на основе предложенных принципов построения и анализа результатов моделирования разработаны:

- методики проектирования многоосевых микроэлектромеханических систем регистрации линейных ускорений, содержащих наноразмерные преобразователи перемещения на основе туннельного эффекта и обеспечивающих одинаковую чувствительность по трем осям;

- конструкции интегральных одно- и многоосевых микромеханических акселерометров на основе туннельного эффекта (защищены патентами I

Российской Федерации);

- программные средства численного моделирования наноразмерных преобразователей перемещения на основе туннельного эффекта, основанные на численном решении стационарного уравнения Шредингера;

- технологические маршруты изготовления интегральных МЭМС регистрации линейных ускорений на основе туннельных наноструктур. Основные результаты диссертации получены автором при выполнении научно-исследовательских работ №№ 13058, 13059, 13050, 13051 (базовое финансирование), 13462, 13464, 13065, 13009, 13060 (научно-технические программы Министерства образования и науки РФ) в период с 2004 г. по 2010 г.

Результаты диссертационной работы использованы в научных исследованиях и разработках КЦСИиНТ ФГУ РНЦ «Курчатовский институт» (г. Москва), кафедры конструирования электронных средств и НОЦ «Нанотехнологии» Технологического института ФГОУ ВПО «Южный федеральный университет» в г. Таганроге, а также внедрены в учебный процесс подготовки студентов Технологического института ФГОУ ВПО «Южный федеральный университет» в г. Таганроге.

Основные результаты работы обсуждались и были одобрены на следующих научных конференциях:

- LI научно-технической конференции профессорско-преподавательского состава, аспирантов и сотрудников ТРТУ (г. Таганрог, 2005);

- I, II и III ежегодных научных конференциях студентов и аспирантов базовых кафедр Южного научного центра РАН (г. Ростов-на-Дону, 2005, 2006, 2007);

- VIII и IX всероссийской научной конференции студентов и аспирантов техническая кибернетика, радиоэлектроника и системы управления (г. Таганрог, 2006, 2008);

- XIII, XIV Всероссийская межвузовская научно-техническая конференция студентов и аспирантов "Микроэлектроника; и информатика" (Москва, 2006,2007); - X международной научно-технической конференции "Актуальные проблемы твердотельной электроники и микроэлектроники" (ПЭМ - 2006) (Дивноморское, 2006);

- Международной научно-технической конференции "Фундаментальные проблемы радиоэлектронного приборостроения" (INTERMATIG — 2008) (Москва, 2008); . ,

- X и XI Международной конференции "Опто-, наноэлектроника, нанотех-нологии и микросистемы" (Ульяновск, 2008);

- XI научной молодёжной школе по твердотельной электронике "Нанотех-нологии; наноматериалы, нанодиагностика'' (Санкт-Петербург, 2008);

- X конференции молодых ученых. «Навигация и управление движением» (Санкт-Петербург, 20,08); ■ v: .

- Международной научно-технической конференции «Микроэлектроника и . наноинженерия - 2008» (Москва, 2008);

- Всероссийской молодежной школе-семинаре "Нанотехнологии и инновации" (НАНО—2009) (г. Таганрог, 2009);

- The Second International; Competition of Scientific Papers in Nanotechnology for Young Researchers (Moscow, 2009).

По теме исследований опубликовано 26 печатных работ, в том числе 4Г научных статьи, из которых 2 статьи в изданиях, рекомендованных ВАК РФ, получены 2 патента РФ.

Основные положения и результаты, выносимые на защиту: - принципы построения и конструкции интегральных сенсоров ускорения на основе туннельных наноструктур;

- модели и методика моделирования наноразмерных преобразователей перемещения на основе туннельного эффекта;

- модели и методика моделирования динамических характеристик элементов передачи движения интегральных сенсоров ускорения на основе туннельных наноструктур;

- методика проектирования интегральных сенсоров ускорения на основе туннельных наноструктур.

4.6. Выводы

Полученные результаты позволяют сделать следующие выводы:

- разработанные методики позволяют определить параметры МЭМС регистрации линейных ускорений на основе туннельных наноструктур с использованием разработанных моделей функциональных элементов;

- достоверность предложенных методик проектирования основывается на достоверности моделей, используемых на соответствующих этапах;

- разработанные методики не затрагивают вопросов, связанных с технологией изготовления конструкций МЭМС и схем обработки выходных сигналов.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Диссертационная работа посвящена разработке принципов построения, конструкций, методов моделирования и проектирования интегральных сенсоров ускорения на основе туннельных наноструктур, способствующих решению проблем повышения эффективности анализа траектории, параметров движения и динамических характеристик подвижных объектов.

Научная новизна диссертационной работы отражена в следующих основных результатах:

- разработаны принципы построения интегральных микромеханических сенсоров линейных ускорений, содержащих наноразмерные преобразователи перемещения на основе туннельного эффекта, с горизонтальным и вертикальным расположением электродов преобразователя, а также принципы построения многоосевых МЭМС регистрации линейных ускорений с произвольной ориентацией осей чувствительности;

- разработаны модели и методы моделирования преобразователей перемещения на основе туннельных наноструктур, отличающиеся тем, что форма потенциального барьера может быть задана параметрически с учетом конфигурации электродов, а также корреляционного взаимодействия между электронами, а коэффициент прозрачности рассчитан численно для потенциального барьера произвольной формы;

- разработаны аналитические модели элементов передачи движения в МЭМС регистрации линейных ускорений на основе туннельных наноструктур, отличающиеся тем, что позволяют рассчитать конфигурацию электродов наноразмерных преобразователей перемещения на основе туннельного эффекта в зависимости от приложенной внешней силы;

- разработана аналитическая модель управляемой самоорганизации функциональных элементов МЭМС на основе наноразмерных механически напряженных слоев GaAs/InAs.

Практическая ценность полученных результатов состоит в том, что на основе предложенных принципов построения и анализа результатов моделирования разработаны:

- методика проектирования многоосевых микроэлектромеханических систем регистрации линейных ускорений, содержащих наноразмерные преобразователи перемещения на основе туннельного эффекта и обеспечивающих одинаковую чувствительность по трем осям;

- конструкции интегральных одно- и многоосевых микромеханических акселерометров на основе туннельного эффекта (защищены патентами Российской Федерации);

- программные средства численного моделирования наноразмерных преобразователей перемещения, основанные на численном решении стационарного уравнения Шредингера;

- технологические маршруты изготовления интегральных МЭМС регистрации линейных ускорений на основе туннельных наноструктур. Диссертационная работа выполнена на кафедре конструирования электронных средств Технологического института ФГОУ ВПО «Южный федеральный университет» в г. Таганроге.

1. Драгунов В. П., Неизвестный И. Г., Гридичин В. А. Основы наноэлектроники: Учеб. пособие. —2-е изд., испр. и доп. —Новосибирск: Изд. НГТУ, 2000. — 496 с.

2. Лучинин В. В., Таиров Ю. М. Индустрия наносистем. Основные понятия и направления развития //Вестник молодых ученых 8'2003. Серия: неограническая химия и материалы Г2003. с. 4—12

3. Лучинин В. В. Введение в наноиндустрию // Нано- и микросистемная техника. — 2005, №5, с. 2—9

4. Фейнман Р. Ф. Внизу полным-полно места: приглашение в новый мир физики //Рос. хим. ж. (Ж. Рос. хим. об-ва им. Д.И. Менделеева). 2002. т. XLVI. №5. С.4 — 6.

5. Дж. фон Нейман, Теория самовоспроизводящихся автоматов. — М.: Изд. «Мир», 1971.

6. L. von Bertalanffy, General System Theory—A Critical Review, «General Systems», vol. VII, 1962, p. 1—20. Перевод H.C. Юлиной

7. Алферов Ж. И. История и будущее полупроводниковых гетероструктур //Физика и техника полупроводников, 1998, том 32, №1

8. Радушкевич Л. В., Лукьянович В. М. О структуре углерода, образующегося при термическом разложении окиси углерода на железном контакте. //ЖФХ, 26, 88 (1952)

9. Климов Д. М. , Васильев А. А., Лучинин В. В., Мальцев П. П. Перспективы развития микросистемной техники в XXI веке. // Микросистемная техника. — 1999. — № 1.

10. Погалов А. И., Тимошенков В. П., Тимошенков С. П., Чаплыгин Ю. А. Разработка микрогироскопов на основе многослойных структур кремния и стекла // Микросистемная техника 1999 - №1.- С. 36-41.

11. Тимошенков С. П. Элементы микроэлектромеханических систем, реализуемых на составных структурах // Микросистемная техника.— 2002 — №4.— С. 3-6.

12. Мальцев П. П., Никифоров А. Ю., Телец В. А. Интегрированные технологии микросистемной техники // Микросистемная техника 2001- №11 — С. 22-24.

13. Тимошенков В. П., Тимошенков С. П., Миндеев А. А. Разработка конструкции микрогироскопа на основе КНИ-технологии // Известия вузов. Электроника 1999-№6 - С.46-50.

14. Евстифеев М. И., УнтиловА. А. Конструкции подвесов микромеханических гироскопов // Материалы докладов VI конференции молодых ученых «Навигация и управление движением».- СПб.: ГНЦ РФ ЦНИИ «Электроприбор», 2005.— 324 с.

15. Золотов Ю. Н., Тимошенков С. П., Шелепин Н. А. Применение комплексных методов проектирования в процессе разработки интегральных преобразователей механических величин // Нано- и микросистемная техника —2007.-№3.-С. 4-10.

16. Распопов В. Я. Микромеханические приборы: Учебное пособие для ВУЗов. — М.: Изд-во: Машиностроение, 2007. — 400 с.

17. Онлайн-версия БСЭ (3-е издание) http://sIovari.yandex.ru/dict/bse

18. Механцев Е. Б., Лысенко И. Е. Физические основы микросистемной техники. Учебное пособие.— Таганрог: Изд-во ТРТУ, 2004.— 54 с.

19. Лысенко И. Е. Проектирование сенсорных и актюаторных элементов микросистемной техники.— Таганрог: Изд-во ТРТУ, 2005.— 103 с.

20. Navid Yazdi, Farrokh Ayazi, and Khalil Najafi. Micromachined Inertial Sensors. Proceedings of the IEEE. — Vol. 86. — No. 8, August 1998. —pp. 1640—1659.

21. Veljlco Milanovic', Lance Doherty, Dana A. Teasdale, Siavash Parsa, Kristofer S. J. Pister. Micromachining Technology for Lateral Field Emission Devices // IEEE Transactions on Electron Devices, Vol. 48, No. 1, Jannuary 2001.

22. Lance Doherthy, Dana A. Teasdale, Siavash Parsa, Kristopher S J. Pister. Micromachining technology for lateral field emission devices: IEEE Transactions on electron devices. — Vol.48, №1, January 2001.

23. Lance Doherthy, Dana A. Teasdale, Chen Zhang, Siavash Parsa, Kristopher S J. Pister. Application of micromachining technology to lateral field emission devices: IEEE Transactions on electron devices. — Vol.51, №4, March 2003.

24. Татаренко H. И., Кравченко В. Ф. Автоэмиссионные наноструктуры и приборы на их основе: — М.: ФИЗМАТЛИТ, 2006. — 192 с.

25. Edward Boyden, Osamah El Rifai, Brian Hubert, Maurice Karpman, Dave Roberts A High-Performance Tunneling Accelerometer // Term Project 6.777, Introduction to Microelectromechanical Systems , Spring 1999, Prof. Stephen D. Senturia.

26. Продукция NT MDT. Сканирующие зондовые микроскопы. // http://ru.ntmdt.ru/Products/Scanning Probe Microscopes/product listl.html

27. Ehrfeld W, Hessl V., Lowe H., Schulz Ch., Weber L. Material of LIGA technology // Microsystem Technologies.— 1999.— No5.— pp. 105-112.

28. Ritzhaupt-Kleissl H.-J., Bauer W., Gunther E., Laubersheimer J., Haubelt J. Development of ceramic microstructures // Microsystem Technologies 1996-No2.— pp. 130-134.

29. Knitter R., Gunther E., Odemer C., Maciejewski U. Ceramic microstructures and potential application // Microsystem Technologies.— 1996.— No2.pp.135-138.

30. Koester D. A., MahadevanR., Hardy В., Markus К. W. MUMPs design handbook. Revision 5.0. URL: http://www.memsrus.com.

31. Sun W., Li W. J., Xu Y. A MUMPs angular-position and angular-speed sensor with off-chip wireless transmission // Microsystem Technologies.— 2001.pp.63-70.

32. Sandia National Laboratories. URL: http://www.sandia.gov.

33. Нанотехнологии в полупроводниковой электронике/ Отв. Редактор A. JI. Асеев. — Новосибирск: Издательство СО РАН, 2004. — 368 с.

34. Kurt Е. Petersen Silicon as a Mechanical Material // PROCEEDINGS OF THE IEEE, VOL. 70, NO. 5, MAY 1982 , pp. 420 — 457.38. Патент РФ №228982239. Патент РФ №2298191

35. A. Y. Cho and J. R. Arthur Jr., "Molecular beam epitaxy," Prog. Solid State Chem., vol. 10, pp. 157—192, 1975

36. Strain induced semiconductor nanotubes: from formation process to device applications//!. Phys. D: Appl. Phys. 41 (2008) 193001 (12pp)

37. Киселев В. Ф., Козлов С. Н., Зотеев А. В. Основы физики поверхности твердого тела. — М.: Изд-во Московского университета. Физический факультет МГУ, 1999. — 284 с.

38. Валиев К. А., Раков А.В. Физические основы субмикронной литографии в микроэлектронике. — М.: Радио и связь, 1984. — 352 с.

39. Fowler R. Н., Nordheim L. W. Electron emission in intense electric fields // Proc. Roy. Soc. London A. — 1928. — V. 119. — pp. 173-181.

40. Блохинцев Д. И. Основы квантовой механики, учеб. пособие, издание пятое, переработанное и дополненное. — М.: Главная редакция физико-математической литературы изд-ва "Наука", 1976. — 648 с.

41. Флюгге 3. Задачи по квантовой механике. Пер. с англ. Т.2. Изд.2 2008. — 344 с.

42. Флюгге 3. Задачи по квантовой механике. Пер. с англ. Т.2. Изд.2 2008. —320 с.

43. Фреман Н., Фреман П. У. ВКБ приближение - М.: Изд-во Мир, 1967. — 166 с.

44. Ландау Л. Д. и Лифшиц Е. М. Теоретическая физика. Том 3. Квантовая механика. Нерелятивистская теория. — М.: Изд-во Наука. Гл. ред. физ-мат. лит., 1989.—768 с.

45. Razavy, Mohsen. Quantum Theory of tunnelling. World Scientific. ISBN 981238-019-1

46. ХартриД. Расчеты атомных структур. — М.: Изд-во иностр. Лит-ры., I960.— 272 с.

47. Суканава С. Квантовая теория рассеяния. Пер. с яп. — М.: Изд-во Мир, 1979,—271 с.

48. Бабиков В. В. Метод фазовых функций в квантовой механике // Успехи физических наук, Т. 92, вып. 1, 1967, с. 3—26.

49. Рындин Е. А. Методы решения задач математической физики: Учеб. Пособие для вузов. — Таганрог: Изд-во ТРТУ, 2004. — 119 с.

50. Александров А. В., Потапов В.Д., Державин Б.П. Сопротивление материалов: Учеб. для вузов. — М.: Высш. шк., 1995. — 560 с.

51. Зозуля В.В., Мартыненко А.В., Лукин А.Н. Механика материалов : — Харьков: Изд-во Национ. ун-та внутр. дел, 2001. — 404 с.

52. Каплун А.Б., Морозов Е.М., Олферьева М.А. ANSYS в руках инженера: Практическое руководство: — М.: Едиториал УРСС, 2003. — 272 с.

53. Басов К. A. ANSYS в примерах и задачах: М.: КомпьютерПресс, 2002. — 224 с.

54. Выгодский М. Я. Справочник по элементарной математике. — М.: ACT Астрель, 2006. — 509с.

55. Кухлинг К. Справочник по физике. 2-е изд. — М.: Мир, 1985. — 520 с.

56. Ляпунов А. М. Общая задача об устойчивости движения.— М.: Гос. изд-во техн.-теоретич. лит-ры, 1950. — 473 с.

57. Блехман И. И. Вибрационная механика. — М.: Физматлит, 1994. — 400 с.

58. Тамм И. Е. Основы теории электричества. — 10-е изд., испр. — М.: Наука. Гл. ред. физ.-мат. лит., 1989. — 504 с.

59. Матвеевский В. Р. Проектирование технических систем: Учебное пособие.—М.: МГИЭМ, 2003. — 103 с.

60. Круглов Г. Е. Аналитическое проектирование механических систем: Учебное пособие / Самар. гос. аэрокосм. ун-т. Самара, 2001. — 132 с.

61. ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ МАРШРУТЫ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ИНТЕГРАЛЬНЫХ МЭМС РЕГИСТРАЦИИ ЛИНЕЙНЫХ УСКОРЕНИЙ НА ОСНОВЕ ТУННЕЛЬНЫХ НАНОСТРУКТУР

62. На рис. П1.1 — П1.7 представлены топология и основные операции технологического маршрута изготовления многоосевого ММА с горизонтальным расположением электродов.пг1. Гб"

63. Рис. П1.1 Топология многоосевого ММА с горизонтальным расположением электродов1. А-А Б-Б1. В-В

64. Рис. П1.2 Первая литография, формирование элементов первого структурного слоя, выращивание жертвенного слоя диэлектрика (Si02), планаризация1. А-А1. Б-Б1. В-В

65. Рис. П1.3 Вторая литография, формирование элементов второго структурного слоя, выращивание жертвенного слоя диэлектрика (SiCb), планаризация1. А-А1. Б-Б1. В-В

66. Рис. П1.4 Третья литография, формирование элементов третьего структурного слоя, выращивание жертвенного слоя диэлектрика (SiC^), планаризация1. А-А Б-Б1. В-В

67. Рис. П1.5 Четвертая литография, формирование элементов четвертого структурного слоя, выращивание жертвенного слоя диэлектрика (SiCb) ,планаризация1. А-А1. Б-Б В-В

68. Рис. П1.6 Пятая литография, формирование элементов пятогоструктурного слоя1.Z.1. Б-Б В-В

69. Рис. П1.7 Травление жертвенных слоев (SiCb), формирование полости в подложке