автореферат диссертации по электронике, 05.27.01, диссертация на тему:Туннельные и эмиссионные акселерометры на основе микроэлектромеханических систем

005045724

Вопилкин Евгений Александрович

ТУННЕЛЬНЫЕ И ЭМИССИОННЫЕ АКСЕЛЕРОМЕТРЫ НА ОСНОВЕ МИКРОЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ СИСТЕМ

05.27.01 - твердотельная электроника, радиоэлектронные компоненты, микро- и наноэлекгроника, приборы на квантовых эффектах

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Нижний Новгород - 2012

1 А [^пи ?012

005045724

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном учреждении науки Институте физики микроструктур Российской академии наук (ИФМ РАН)

Научный руководитель: доктор физико-математических наук

Шашкин Владимир Иванович

Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук Амиров Эльдар Искандерович, зав. лаб. ЯФ ФТИАН РАН

доктор физико-математических наук Миронов Виктор Леонидович, в. н. с. ИФМ РАН

Ведущая организация:

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Московский государственный технический университет радиотехники, электроники и автоматики" МГТУ МИРЭА

Защита состоится 28 июня 2012 года в 14 часов на заседании диссертационного совета Д 002.098.01 при Институте физики микроструктур РАН (607680, Нижегородская обл., Кстовский район, д. Афоноино, ул. Академическая, д. 7).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института физики микроструктур РАН.

Автореферат разослан 28 мая 2012 г.

Общая характеристика работы

Актуальность темы

Предсказанная Фейнманом микроминиатюризация [1] происходит не только в электронике. Вслед за микроэлектроникой появилась и микромеханика, представленная микроэлектромеханическими системами - МЭМС. Возможно, в недалеком будущем получат распространение ещё более миниатюрные наноэлектромеханические системы - НЭМС.

Важнейшей задачей этого направления является создание и развитие элементной базы МЭМС и изучение основных физических принципов функционирования этих систем. В отличие от макроскопических систем, в МЭМС большое значение имеют силы Ван-дер-Ваальса, капиллярные силы, упругие напряжения, могут оказаться заметными квантовые эффекты. Поэтому нельзя создать прямые МЭМС аналоги макроскопических механизмов путем простого масштабирования. Способы создания МЭМС так же радикально отличаются от привычной механической обработки. На сегодняшний день МЭМС представлены на рынке в основном микропереключателями [2], варакторами [3] и датчиками физических величин [4] - давления, ускорения и гироскопами. Все эти элементы выполняются интегрированными в микросхемы (in chip), что приводит к существенной экономии места и удешевлению прибора. Конструктивными элементами этих устройств являются микроразмерные балки, консоли и мембраны, изготовленные методами литографии и селективного травления [5]. Актуальной задачей является создание высокочувствительных МЭМС акселерометров, гироскопов и датчиков давления для применений в автомобилестроении, робототехнике, гидроакустике, системах навигации и др. Высокой чувствительностью к смещению обладают датчики, использующие туннельный ток для регистрации расстояния между электродами [6]. Характерные значения туннельного тока составляют величину порядка 1 нА при напряжениях порядка 0,1 В и расстоянии 1 нм между электродами. В макроскопических системах такое расстояние между подвижными электродами не может существовать продолжительное время из-за термодрейфов, вибраций и акустических шумов. Это хорошо известно из опыта эксплуатации сканирующих туннельных микроскопов. Поэтому для поддержания неизменной величины туннельного зазора приходится использовать двигатель и петлю обратной связи по току. При микроминиатюризации такого датчика и переходе к МЭМС смещения за счет термодрейфов и термических градиентов уменьшаются пропорционально размеру. Это может позволить в перспективе отказаться от использования двигателя и петли обратной связи, что должно сильно упростить и удешевить конструкцию акселерометра

Но при переходе к МЭМС возникает ряд других проблем, таких, как рост влияния термомеханического шума с уменьшением размера [7], утечки тока, залипание подвижных электродов из-за сил Ван-дер-Ваальса и других, не характерных для макроскопических систем. Рассмотрению актуальных на сегодняшний день физических принципов создания базовых элементов МЭМС и исследованию их свойств посвящена данная диссертационная работа.

Цель работы

Цель диссертационной работы состояла в разработке физических основ технологий и экспериментальном исследовании физических свойств базовых элементов МЭМС, предназначенных для применений в первичных датчиках акселерометров.

Научная новизна

Научная новизна работы определяется оригинальностью поставленных экспериментов, полученными новыми результатами, и заключается в следующем.

1. Показано, что в режиме регистрации автоэмиссионного тока чувствительность акселерометра пропорциональна току, который при плоскопараллельных электродах пропорционален их площади, в отличие от традиционных эмиссионных игольчатых катодов. При этом, зависимость тока от расстояния между электродами является экспоненциальной. Впервые показано, что для обеспечения максимальной чувствительности акселерометра работающего в режиме эмиссионного тока, следует отказаться от традиционных эмиссионных игольчатых катодов и использовать плоские электроды.

2. Впервые изготовлен датчик акселерометра с квазиплоскими электродами, работающий в туннельном и эмиссионном режимах протекания тока. Порог обнаружения составил менее lO~4g/^J7\j в первом режиме и менее

во втором режиме в диапазоне частот до 6 кГц. Показано, что

эмиссионный режим (напряжение смещения ~ 100 В, ток ~ 100 нА при зазоре между электродами —100 нм) сохраняется десятки минут в лабораторных условиях при разомкнутой обратной связи.

3. Впервые проведены прямые статические измерения проявлений поперечного пьезоэлектрического эффекта в микроконсолях, направленных по ортогональным диагональным осям [110] и [1 1 0], изготовленных на основе эпитаксиальных слоев ОаАБ и АЮаАя. При подаче постоянного на-

пряжения обнаружено взаимно противоположное движение микроконсолей длиной до 100 мкм, определены константы пьезоэлектрического модуля, совпадающие по величине со справочными значениями, что служит доказательством пьезоэлектрической природы функционирования микродвигателя.

4. Впервые создан макет акселерометра с пассивным туннельным датчиком смещения вместо традиционной конструкции с двигателем и обратной связью по току [6]. Технология основана на разрезании сфокусированным ионным пучком тонкого кремниевого моста в структуре кремний на изоляторе (КНИ) с последующим напылением платины в зону микроконтактов. Разрешающая способность акселерометра не хуже 2,2^/^71/, частота собственного резонанса находится в диапазоне нескольких МГц.

Научная и практическая значимость работы

1. Оптимизирована конструкция эмиссионного акселерометра. Предложена плоскопараллельная геометрия электродов для эмиссионного акселерометра, позволяющая достигнуть максимальной чувствительности. Техническое решение защищено патентом Российской Федерации.

2. Предложен способ реализации квазиплоских электродов на основе скрещенных цилиндрических кварцевых волокон, покрытых золотом и расположенных друг от друга на расстоянии много меньше их радиуса. Разработан и создан макет высокочувствительного туннельно-эмиссионного акселерометра с активной системой поддержания тока, имеющий разрешение не хуже 10"4 g/лpЛf на частотах до 6 кГц.

3. Показана возможность создания датчика смещения туннельно-эмиссионного акселерометра без активной системы под держания тока.

4. Предложена методика измерения жёсткости кантилеверов и оценки упругих напряжений в тонких металлических плёнках на поверхности микроконсолей. В частности, показана возможность создания металлической плёнки (N1) на поверхности ваАэ с малыми упругими напряжениями.

5. Создан макет переменного конденсатора на основе МЭМС, представляющий собой подвижную золотую мембрану расположенную над металлизированной подложкой СаАБ.

6. Разработан и изготовлен макет МЭМС биморфного пьезодвигателя на основе микроконсолей ОаАэ или АЮаАэ. Направление изгиба микроконсолей зависит от их ориентации на плоскости СаА.ч(001). Максимальное статическое смещение достигает 60 нм при частоте низшей резонансной моды около 160 кГц.

Основные положения, выносимые на защиту

1. Геометрия квазиплоских электродов обеспечивает максимальную чувствительность эмиссионного датчика смещения.

2. Изгибом микроконсолей, изготовленных из монокристаллических и поликристаллических материалов, можно управлять путём магнетронного напыления на их поверхность металлических плёнок с различными внутренними упругими напряжениями. Напыление Та изгибает микроконсоль вниз, a Cr - вверх. Напыление Ni оказывает минимальное воздействие.

3. На основе эпитаксиальных структур GaAs и AlGaAs возможно создание МЭМС биморфного пьезодвигателя. Величина максимального смещения такого двигателя определяется электрическим полем пробоя материала. Микроконсоли, ориентированные вдоль ортогональных осей [110] и [1 1 0], смещаются в противоположные стороны, что увеличивает величину их взаимного относительного перемещения в 2 раза.

4. Возможно создание датчика смещений на основе МЭМС с нанометровым зазором между электродами, обеспечивающим протекание туннельного/эмиссионного тока, при сохранении заметной подвижности электродов относительно друг друга без применения активной системы поддержания величины туннельного/эмиссионного зазора.

Личный вклад автора в проведенные исследования

Диссертант принимал участие в постановке и решении задач, проведении измерений, обработке и обсуждении полученных результатов, а также в комплексном анализе влияния технологических факторов на всех стадиях формирования структур для оптимизации процессов с целью достижения их наилучших характеристик. В работах [А1,А2,А6-А10] вклад автора является определяющим с точки зрения изготовления объекта исследования, построения измерительных систем, проведения измерений, в работах [АЗ-А5, Al 1-А14] -равноценным.

Апробация работы

Основные результаты представлялись на следующих семинарах и конференциях:

International Workshop "Scanning Probe Microscopy - 2004", Nizhny Novgorod, 2-6 May 2004;

7th Expert Evaluation & Control of Compound Semiconductor Materials & Technologies, EXMATEC'04, Montpellier, France, June 1-4, 2004;

I Международном Форуме по Нанотехнологиям "Rusnanotech08", Москва 3-15 декабря 2008;

а также на внутренних семинарах ИФМ РАН. Публикации

По теме диссертации имеется 14 работ, из них 10 статей в отечественных и зарубежных реферируемых журналах и сборниках, один патент на изобретение и 3 тезиса в сборниках докладов и трудов конференций.

Объем и структура диссертации

Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, приложения и списка литературы, включающего в себя список цитированной литературы и список работ автора по теме диссертации. В начале каждой главы дается краткий обзор состояния соответствующих исследований. Общий объем диссертации составляет 122 страницы, включая 90 страниц основного текста, 77 рисунков, размещенных на 42 страницах, список цитированной литературы из 102 наименований и список работ автора по теме диссертации из 14 наименований.

Основное содержание работы

Во введении к диссертации обоснована актуальность темы исследований, показана ее научная значимость, сформулированы цели работы, представлены сведения о структуре и содержании работы, а так же приведены положения, выносимые на защиту.

В первой главе описаны принципы работы и устройства акселерометров. Представлен обзор работ, демонстрирующих широкие возможности МЭМС технологии в создании высокочувствительных первичных датчиков физических величин.

Вторая глава посвящена проблеме создания и исследования высокочувствительных туннельных и эмиссионных акселерометров.

В разделе 2.1 сделаны вводные замечания о существующих на сегодняшний день конструкциях туннельных и эмиссионных акселерометров.

В разделе 2.2 произведены теоретические расчёты оптимальной формы электродов для эмиссионного акселерометра. Показано, что оптимальной геометрией для реализации максимальной чувствительности эмиссионного тока к смещению, является геометрия плоского конденсатора, обеспечивающая экспоненциальную зависимость тока от расстояния между электродами, поэтому для обеспечения максимальной чувствительности акселерометра при

работе в режиме эмиссионного тока следует отказаться от традиционной для эмиссионных устройств геометрии с игольчатыми катодами и использовать плоские электроды.

В разделе 2.3 предложен способ реализации квазиплоской геометрии электродов путём сближения двух скрещенных гладких металлизированных цилиндров на расстояние много меньше их радиуса. Взаимное расположение электродов показано на рис. 1. В области протекания эмиссионного тока

Рис. 1. Реализация квазиплоской геометрии токопереноса при помощи скрещенных цилиндрических электродов, расположенных на расстоянии много меньше их радиуса (/« г).

площадью 5 ~ И геометрия электродов близка к геометрии плоского конденсатора. В качестве цилиндров выбраны покрытые золотом стеклянные оптические волокна диаметром 120 мкм, представляющие собой почти идеальные цилиндры с гладкой поверхностью. Разработан и создан макет миниатюрного акселерометра с такими электродами, способного работать как в режиме туннельного тока, так и в режиме тока холодной эмиссии электронов в вакуум. Поведены измерения разрешающей способности акселерометра от частоты в туннельном и эмиссионном режиме с помощью калиброванного вибростенда. Зависимость разрешения от частоты для различных режимов приведена на рис. 2. Видно, что на частотах до 6 кГц в туннельном режиме (напряжение смещения V = 0,1 В) датчик имеет разрешение не хуже чем 10"4 g/л[Гlf и в режиме тока холодной эмиссии (напряжение смещения V = 100 В) не хуже чем 10" V ^уГц . Повышение разрешения датчика во всех режимах на частоте

около 3,5 кГц связано с резонансными свойствами пьезодвигателя датчика.

При работе датчика в эмиссионном режиме, расстояние между электродами оказывается существенно больше, чем в туннельных режимах. Можно ожидать, что рабочий режим акселерометра может долго сохраняться при 8

1 нА, 100 В

fcd

О)

1 Е-З -

1 Е-4 -

1 нА; С

100 н,

1 Е-5 -

0

2000

4000

6000

8000

10000

V, Гц

Рис.2. Зависимость разрешения акселерометра от частоты для различных режимов работы.

несильных вибрациях. Для проверки этой гипотезы в одном эксперименте обратная связь была отключена. Электроды сближались в ручном режиме путём подачи постоянного напряжения на пьезодвигатель до возникновения эмиссионного тока. Оказалось, что заданный таким образом рабочий ток может сохраняться по крайней мере в течение десятков минут без специальных мер вибро- и шумоизоляции и термостатов, несмотря на то, что данная конструкция датчика не была оптимизирована для работы без обратной связи. На рис. 3 показаны вольтамперные характеристики датчика без обратной связи при двух разных расстояниях между электродами 90 и 120 нм. Видно, что данные ВАХ хорошо совпадают с теоретическими зависимостями Фаулера-Нордгейма, что свидетельствует об эмиссионном характере тока.

В разделе 2.4 сделаны заключительные выводы о характеристиках высокочувствительного туннельно-эмиссионного акселерометра с обратной связью и о возможности создания эмиссионного акселерометра без обратной связи.

Третья глава посвящена проблеме получения и исследования конструкционных элементов МЭМС - микроконсолей, а также управлению их пространственным положением.

В разделе 3.1 сделаны вводные замечания об элементах конструкции МЭМС - микроконсолях и мембранах, способах их изготовления и способах управления их пространственным положением.

В разделе 3.2 описана технология изготовления микроконсолей при помощи фотолитографии и последующего селективного вытравливания жертвенного слоя из под консоли. Микроконсоли изготовлялись из двух типов

-5.0 -, -5,5 --6,0 - ■

■

-6,5- ■

-7,0- " ■

■ ■

_ -7.5- ■ ' .

S " .

S -8,5- m ,

-9,0 - щ

-9,5:

■ ■

-10,0 -

-10,5 -I-1-,-,-,-,-,-1-,-1-,-1-,-,-,-1-,-1-1 |-1-1-1

0.008 0,009 0,010 0,01 1 0,012 0,013 0,014 0,015 0,016 0,017 0,018

U"\ B'1

Рис.3. В АХ акселерометра с отключенной обратной связью при двух разных расстояниях между электродами 90 и 120 нм.

материалов: монокристаллического GaAs с жертвенным слоем AlAs на подложке GaAs и поликристаллического Та205 с жертвенным слоем ванадия на ситаловой подложке. Были изготовлены микроконсоли длиной 50 мкм, шириной 5 мкм и толщиной 200 нм.

В разделе 3.3 описано исследование механических свойств полученных микроконсолей с помощью атомно-силового микроскопа (АСМ). Была измерена их статическая жёсткость и резонансная частота низшей моды колебаний. По данным измерений был вычислен модуль Юнга для Таг05. Получено значение модуля Юнга Е = 127,3 ГПа, что близко к справочным данным для этого материала [8].

В разделе 3.4 описаны эксперименты по управлению изгибом микроконсолей путём напыления на них различных металлов: тантала, хрома и никеля. Изображение микроконсоли из Та205, после напыления металлов, полученное в электронном микроскопе с помощью вторичных электронов, приведено на рис. 4. Из рисунка видно, что при напылении тантала консоль отгибается вниз, при напылении хрома - наверх. Изгиб является обратимым - каждое последующее напыление металла меняет изгиб в соответствующую сторону.

В разделе 3.5 описан эксперимент по изменению изгиба биморфной микроконсоли в зависимости от температуры. Показано, что микроконсоль из Та205 с напылённым на её поверхность слоем никеля толщиной 50 нм является тепловым биморфным двигателем. При нагревании от комнатной температуры на 142°С её конец смещался на 0,5 мкм.

В разделе 3.6 описано изготовление МЭМС с электростатическим управлением и исследование её электромеханических свойств. Изготовлена микроэлектромеханическая система на подложке арсенида галлия, представляющая

Рис.4. Вид микроконсоли из Та205: а) - после напыления 30 нм Та, б) - после напыления 30 нм Сг дополнительно, в) - после напыления 100 нм Та дополнительно, г) - после напыления 20 нм N1.

собой подвижную золотую мембрану толщиной 1,5 мкм размером 100x100 мкм с электростатическим управлением. На рис. 5 показано изображение этой структуры, полученное в оптической измерительной системе (интерферометр белого света) Та1узшТ СС1 2000. Исследованы статические электрофизические и резонансные колебательные свойства данной системы. Резонансная частота низшей моды составила 18 кГц. Ёмкость МЭМС конденсатора при подаче постоянного смещения на обкладки перестраивается в 1,6 раза: с 0,744 пФ при нулевом напряжении до 1,19 пФ при 20 В. Смещение верхней обкладки до касания диэлектрического слоя составляет 1,4 мкм, что примерно соответствует толщине зазора между верхней обкладкой и диэлектриком.

В разделе 3.7 сделаны заключительные выводы о методике измерения жёсткости кантилеверов и - с их помощью - измерения жёсткости элементов упругой подвески МЭМС. Сделаны оценки упругих напряжений в тонких металлических плёнках на поверхности микроконсолей. Предложены способы управления пространственным положением микроконсолей путём напыления на них различных металлов. Показана возможность использования таких микроконсолей в качестве теплового биморфного двигателя. Приведены характеристики МЭМС с электростическим управлением и продемонстрированы пути использования её для различных применений.

О 50 100 150 ;оо X, МКМ

Рис.5. Изображение структуры, полученное в оптической измерительной системе Talysurf CCI 2000.

Четвёртая глава посвящена исследованиям проявлений пьезоэлектрического эффекта в микроконсолях GaAs и AlGaAs.

В разделе 4.1 сделаны вводные замечания о возможностях существующих на сегодняшний день МЭМС двигателей различных конструкций.

В разделе 4.2 приводится теоретическое описание поперечного пьезоэлектрического эффекта в арсениде галлия и теоретические расчёты смещения биморфной пьезоэлектрической микроконсоли, состоящей из двух слоёв GaAs: сильно легированного и нелегированного толщиной по 1 мкм.

В разделе 4.3 описана технология изготовления микроконсоли на основе гетероструктур GaAs/AlGaAs для использования в качестве биморфного пье-зодвигателя. Гетероструктуры были выращены на подложках GaAs методом металлоороганической газофазной эпитаксии. Микроконсоли формировалась методом фотолитографии с последующим жидкостным травлением. Ширина микроконсоли - около 10 мкм, длина - 100 мкм. Селективное вытравливание "жертвенного" слоя AlAs из-под консоли проводилось в растворе HF. С целью прямого сравнения движений были изготовлены микроконсоли двух направлений ориентации, I - вдоль [110] и II - вдоль [1 10].

В разделе 4.4 описаны исследования механических и электрофизических свойств полученных микроконсолей. Были измерены ВАХ пьезоэлектрического слоя консолей. Ток утечки не превышал 10"7А. С помощью интерферометра белого света Talysurf CCI 2000 в режиме микроскопа была измерена резонансная частота микроконсолей в воздухе (измерения в вакууме проводились ранее группой Masmanidis et. al. [9]) путём подачи переменного напряжения на пьезоэлектрический слой и сканирования по частоте. Изображение микроконсоли, полученное в этом режиме, показано на рис. 6а. На консо-12

а б

Рис.6. Изображение микроконсоли полученное в режиме микроскопа на интерферометре Talysurf CCI 2000: а) - вне резонанса, б) - в резонансе.

ли видны интерференционные полосы. Резонанс обнаруживался по размыванию интерференционных полос за счёт роста амплитуды колебаний на резонансной частоте. Изображение микроконсоли в резонансе показано на рис. 66. Измеренная резонансная частота./0=160 кГц совпадает с расчетной.

Измерена зависимость статического смещения концов микроконсолей от приложенного напряжения. Результаты измерений показаны на рис. 7. Максимальное смещение составляет 60 нм. Описан эксперимент, демонстрирующий анизотропию пьезоэффекта в AlGaAs. Две консоли на одном основании,

Рис.7. Отклонение концов двух консолей от исходного состояния в зависимости от приложенного напряжения. И — I консоль, ориентированная вдоль [110], отгибается вверх, □ - II консоль, ориентированная вдоль [1 10], отгибается вниз.

ориентированные по ортогональным кристаллографическим осям I - вдоль [110] и II - вдоль [110] смещаются в противоположном направлении с одинаковой величиной смещения, что свидетельствует о пьезоэлектрическом характере работы данного двигателя.В разделе 4.5 сделаны заключительные выводы о пьезоэлектрическом характере работы биморфного МЭМС пьезо-двигателя, описанного в главе.

Пятая глава посвящена проблеме создания МЭМС туннельного акселерометра без двигателя и петли обратной связи, поддерживающих туннельное расстояние между электродами.

В разделе 5.1 сделаны вводные замечания о возможности создания МЭМС туннельного акселерометра без обратной связи и о методах, которые могут быть использованы для его создания.

В разделе 5.2 описана технология изготовления микроконсолей на основе структуры кремний на изоляторе (КНИ) с толщиной слоев кремния и окиси кремния по 1 мкм. Полученные методом фотолитографии и селективного жидкостного травления окиси кремния кремниевые микробалки длиной 20 мкм разрезались сфокусированным ионным пучком с шириной разреза менее 100 нм. После этого на микроконсоли напылялся слой платины толщиной 50 нм. Полученная структура МЭМС с нанометровым зазором между электродами показана на рис. 8.

В разделе 5.3 исследована ВАХ туннельного зазора и проведено сравнение с теоретической ВАХ, рассчитанной по формуле для туннельного тока между плоскими металлическими электродами с учётом сил изображения [9]. Наилучшее совпадение с экспериментом даёт расстояние 2,8 нм между электродами. Сравнение измеренной и теоретической ВАХ, рассчитанной для расстояния в 2,8 нм показано на рис. 9. Ток поддерживался неограниченное время без системы обратной связи.

В разделе 5.4 описано качественное измерение виброчувствительности датчика, которое проводилось путём ударного возбуждения механического резонатора, на поверхности которого был закреплён акселерометр. На частотах до 10 кГц наблюдался спектр из трёх мод механического резонатора. Количественное измерение разрешающей способности акселерометра проводилось на калиброванном вибростенде, к которому акселерометр был приклеен для обеспечения акустической связи. Измеренное разрешение акселерометра составило 2,2 gl т[Гц на частоте до 3 кГц.

Теоретически оценивалась резонансная частота микроконсоли датчика -порядка 2 МГц и рассчитывалось разрешение, которое можно получить при понижении резонансной частоты в килогерцовую область за счёт увеличения инерционной массы. Прии уменьшении собственной частоты исследуемого МЭМС датчика до 4 кГц его разрешение увеличится до 5,7x10"6 §/Гцш. Эта

в г

Рис.8. Изображение структуры, полученное в сканирующем электронном микроскопе Karl Zess Supra 50VP: а) до разрезания моста, б) и в) после разрезания моста (различаются масштабом), г) вид сверху после напыления платины.

Рис.9. ВАХ туннельного зазора: кружки - данные измерений, линия -расчет для ширины туннельного зазора 2,8 нм.

оценка хорошо совпадает с разрешением туннельного датчика в главе 2, порядка 10"5 ^ц"2 на частоте 4 кГц.

В разделе 5.5 сделаны заключительные выводы о возможности создания микроэлектромеханического туннельного датчика для акселерометра без двигателя и обратной связи по току.

В заключении сформулированы основные результаты, полученные в диссертационной работе.

Основные результаты работы

1. Показано, что максимальная чувствительность акселерометра в режиме регистрации эмиссионного тока достигается при квазиплоских, а не игольчатых электродах.

2. Изготовлен датчик акселерометра, который может работать в двух режимах протекания тока - туннельном и эмиссионном, с разрешением ~1(Y'ig/^fГl{ в первом и ~ 10"3 g/лJг\¡ во втором режиме в диапазоне

частот до 6 кГц. В эмиссионном режиме характерные расстояния между электродами ~ 100 нм, напряжения смещения ~ 100 В и ток -100 нА. Такой рабочий режим в лабораторных условиях сохраняется долгое время (десятки минут) при отключенной обратной связи.

3. Разработаны методы управления изгибом микроконсолей. При напылении различных металлов (Та, Сг, N1) на микроконсоль изменяется направление и радиус ее изгиба, причем, обратимым образом. Для биморф-ной микроконсоли есть дополнительная возможность прецезионного управления изгибом путем изменения ее температуры. Данные методы могут быть использованы для получения контролируемого субмикронного зазора между электродами в различных первичных сенсорах.

4. Исследовано проявление поперечного пьезоэлектрического эффекта в микроконсолях на основе ваАв и АЮаАБ. На основе эпитаксиальных структур СаАз/АЮаАз(00 Г) сформированы биморфные пьезоэлектрические микроконсоли, ориентированные вдоль ортогональных направлений [110] и [1 10]. При подаче постоянного смещения происходит изгиб микроконсолей в противоположных направлениях. Смещение концов микроконсолей длиной 100 мкм достигает ~ 60 нм в статическом режиме и ~ 1 мкм вблизи резонансной частоты/=166 кГц.

5. Создан макет микроэлектромеханического туннельного датчика для акселерометра без активной системы поддержания величины туннельного тока. Туннельный зазор сформирован путем разрезания моста из кремния в структуре КНИ сфокусированным ионным пучком и последующего напыления платины на электроды. Реализована конструкция с относительно жёсткими микроконсолями-электродами, имеющая частоту низшей моды

механических колебаний ~ 2 МГц. В диапазоне частот до единиц кГц разрешение составило 2,2 g/^Гц .

Список цитированной литературы

1. Feynman Richard P. There's Plenty of Room at the Bottom //Caltech Engineering and Science. - V.23. - 5. - 1960. - P.22-36.

2. Kim J.M. Electrostatically driven low-voltage micromechanical RF switches using robust single-crystal silicon actuators /Jong-Man Kim, Sanghyo Lee, Jae-Hyoung Park, Chang-Wook Baek, Youngwoo Kwon and Yong-Kweon Kim //J. Micromech. Microeng. - 2010. - V.20. - N.9. - 095007

3. Verger A. Sub-hundred nanosecond electrostatic actuated RF MEMS switched capacitors /А Verger, A Pothier, С Guiñes, A Crunteanu, P Blondy, J-C Or-lianges, J Dhennin, A Broue, F Courtade and O Vendier //J. Micromech. Microeng. - 2010. - V.20. - N.6. - 064011

4. Телец B.A. Микроэлектромеханические инерционные преобразователи физических величин: типовые варианты исполнения. //МСТ. - 2004. - №2.

- С.2-5.

5. Ilic В. Attogram detection using nanoelectromechanical oscillators /В. Ilic, H. G. Craighead, S. Krylov, W. Senaratne, C. Ober, and P. Neuzil //J. Appl. Phys.

- 2004. — V.95. - 7. - 3694

6. Liu C-H. A high-precision, wide-bandwidth micromachined tunneling accele-rometer. /Cheng-Hsien Liu and Thomas W. Kenny. //J. of Microelectromech. System, - 2001. - 10. - P.425-433.

7. Gabrielson Thomas B. Mechanical-thermal noise in micromachined acoustic and vibration sensors. //IEEE Transactions on Electron Devices. - 1993. - 40. -P.903-909.

8. Физические величины /Под ред. И.С. Григорьева, Е.З. Мейлихова, - М. Энергоатомиздат 1991. 1232с.

9. Masmanidis S.C. Multifiinctional Nanomechanical Systems via Tunably Coupled Piezoelectric Actuation /S.C.Masmanidis, R.B.Karabalin, I.DeVlaminck, G.Borghs, M.R.Freeman, M.L.Roukes //Science. - 2007. -V.317. - P.780-783.

10. John G. Simmons Generalized Formula for the Electric Tunnel Effect between Similar Electrodes Separated by a Thin Insulating Film Hi. Appl. Phys. - 1963.

- 34. - P.1793-1803.

Список публикаций автора по теме диссертации

А1. Шашкин В.И. О возможных конструкциях датчиков туннельно-эмиссионных акселерометров /В.И.Шашкин, Н.В.Востоков, Е.А.Вопилкин, А.Ю.Климов, Д.Г.Волгунов, В.В.Рогов, С.Г.Лазарев. //Микросистемная техника. - 2003. -№5. - С.3-6.

Шашкин В.И. О возможных конструкциях датчиков туннельно-эмиссионных акселерометров /В.И.Шашкин, Н.В.Востоков, Е.А.Вопилкин, А.Ю.Климов, Д.Г.Волгунов, В.В.Рогов, С.Г.Лазарев. //Мир электроники - нано- и микросистемная техника. От исследований к разработкам, под редакцией проф. П.П.Мальцева, 2005 — Москва. — "Техносфера" - С.445-451.

А2. Shashkin V.I. High-Sensitivity Accelerometer Based on Cold Emission Principle. /Vladimir. I. Shashkin, Nikolai V. Vostokov, Evgeny A. Vopilkin, Alexandr Yu. Klimov, Dmitry G. Volgunov, Vladimir V. Rogov, Sergey G. Lazarev //IEEE Sensors Journal. - 2004. - Vol.4. - No.2. - P.211-215.

A3. Shashkin V.I. AFM-Characterization of Microlevers. /V.I.Shashkin, E.A.Vopilkin, N.V.Vostokov, A.Yu.Klimov, V.V.Rogov, S.A.Gusev. //Phys. Low-Dim. Struct. - 2004/ - 1/2/ - P.41-46.

A4. Шашкин В.И. Изготовление микроконсолей и управление их изгибом /В.И.Шашкин, Е.А.Вопилкин, Н.В.Востоков, А.Ю.Климов, В.В.Рогов, С.А.Гусев, И.Ю.Шулешова. //Микросистемная техника. - 2004 - №9. -С.22-26.

А5. Shashkin V.I. Fabrication and characterization of stress-free microbeams for MEMS applications /V.I.Shashkin, N.V. Vostokov, E.A.Vopilkin,

A.Yu.Klimov, V.M.Daniltsev, V.V.Rogov, S.G.Lazarev //Phys. Stat. Sol. (c) - 2 2005. -N.4. - P.1433-1437.

A6. Vopilkin E.A. A nanomechanical system with piezoelectric actuation of a GaAs microbeam /E.A.Vopilkin, V.I.Shashkin, Y.N.Drozdov, V.M.Daniltsev, S.A.Gusev and I.Yu.Shuleshova //J. Micromech. Microeng. - 2008. - V.18. -N.9. - 095006(5pp)

A7. Вопилкин E.A. Биморфный пьезоэлектрический двигатель для МЭМС на основе GaAs //Е.А.Вопилкин, В.И.Шашкин, Ю.Н.Дроздов,

B.М.Данильцев, С.А.Гусев, И.Ю.Шулешова //Нано- и Микросистемная техника. - 2008 - №10. - С.47-51.

А8. Вопилкин Е.А. Анизотропный пьезоэффект в микроэлектромеханических системах на основе эпитаксиальных гетероструктур Alo,5Gao,5As/AlAs //Е.А.Вопилкин, В.И.Шашкин, Ю.Н.Дроздов,

В.М.Данильцев, А.Ю.Климов, В.В.Рогов, И.Ю.Шулешова //ЖТФ - 2009. - Т79. - Вып.10. - С.75-79.

А9. Вопилкин Е.А. Микроэлектромеханический туннельный датчик для виброакселерометра //Е.А.Вопилкин, А.Ю.Климов, В.В.Рогов, И.Ю.Шулешова, Д.А.Пряхин, С.А.Гусев, Е.В.Скороходов, В.И.Шашкин. //Нано- и Микросистемная техника. - 2012. - 5. - С.48-53.

АЮ.Вопилкин Е.А. МЭМС - переменный конденсатор с электростатическим управлением /Е.А.Вопилкин, Ю.И. Чеченин, JI.H. Савицкая, Н.Г. Бронникова, В.И.Шашкин //МНСТ. - 2010. - №12. - С.30-34.

А11.Патент № 2291449 "ЭМИССИОННЫЙ ДАТЧИК МЕХАНИЧЕСКИХ И ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИН" Шашкин В.И., Востоков Н.В., Вопилкин Е.А., Климов А.Ю., Рогов В.В., Лазарев С.Г. заявка № 2005109703, приоритет изобретения 29 ноября 2004 г., зарегистрировано 10 января 2007.

A12.Shashkin V.I. AFM-Characterization of Microlevers /V.I.Shashkin, E.A.Vopilkin, N.V.Vostokov, A.Yu.Klimov, V.V.Rogov, S.A.Gusev. //Scanning Probe Microscopy - 2004": proceedings, Nizhny Novgorod, 2-6 May 2004, P.239-241.

A13.Shashkin V.I. Fabrication of high-sensitivity accelerometers and development of MEMS microconsoles /V.I.Shashkin, N.V.Vostokov, E.A.Vopilkin, A.Yu.Klimov, V.M.Daniltsev, V.V.Rogov, D.Volgunov, S.G.Lazarev //EXMATEC'04 - 7th Expert Evaluation & Control of Compound Semiconductor Materials & Technologies, Montpellier: Program and abstracts, France, June 1-4, 2004.-P. 150.

А14.Шашкин В.И. О возможных конструкциях туннельных и эмиссионных акселерометров /В.И.Шашкин, Е.А.Вопилкин //Меуждународный Форум по Нанотехнологиям "Rusnanotech08": сборник тезисов докладов научно-технологических секций, Москва, 3-15 декабря 2008, - Т2. - С.38-40.

Вопилкин Евгений Александрович

ТУННЕЛЫЮ-ЭМИССИОННЫЕ АКСЕЛЕРОМЕТРЫ НА ОСНОВЕ МИКРОЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ СИСТЕМ

Автореферат

Подписано к печати 24 мая.2012 г. Тираж 100 экз. Отпечатано на ризографе в Федеральном государственном бюджетном учреждении науки Институте физики микроструктур Российской академии наук (ИФМ РАН), 603950, г. Нижний. Новгород, ГСП-105

Введение

Глава 1. Микроэлектромеханические системы для датчиков физических величин обзор литературы)

1.1. Введение

1.2. Технология МЭМС

1.3. МЭМС двигатели

1.4. Модель акселерометра

1.5. В иды акселерометров

1.6. Туннельный МЭМС сенсор

Глава 2. Датчики туннельно-эмиссионных акселерометров

2.1. Введение

2.2. Обсуждение конструкции и оптимальной геометрии электродов эмиссионного акселерометра

2.3. Экспериментальные исследования эмиссионного акселерометра

2.4. Выводы

Глава 3. Изготовление и исследование микроконсолей для применений в МЭМС датчиках физических величин

3.1. Введение

3.2. Изготовление микроконсолей на основе материалов с различным кристаллическим совершенством

3.3. Изучение механических свойств микроконсолей с помощью атомно-силового микроскопа

3.4. Обращение изгиба микроконсоли при введении дополнительных упруго-напряженных слоев

3.5. Изгиб микроконсолей при изменении температуры

3.6. Исследование электромеханических свойств МЭМС с электростатическим управлением

3.7. Выводы

Глава 4. Анизотропный пьезоэффект в микроэлектромеханических системах на основе эпитаксиальных гетероструктур GaAs/AlAs и Alo^Gao^As/AlAs

4.1. Введение

4.2. Пьезоэффект в кристалле GaAs(OOl)

4.3. Формирование пьезоэлектрических микроконсолей для МЭМС

4.4. Исследование статических и динамических смещений консолей

4.5. Выводы

Глава 5. Микроэлектромеханический туннельный датчик для акселерометра

5.1. Введение

5.2. Изготовление МЭМС структуры с туннельным зазором

5.3. Исследование характера токопереноса через зазор в МЭМС на основе структуры кремний на изоляторе

5.4. Исследование электромеханических свойств МЭМС с туннельным зазором

5.5. Выводы

В своем выступлении в Калифорнийском технологическом институте на ежегодной встрече Американского физического общества 29 декабря 1959 года Ричард Фейнман предсказал огромные возможности, которые открывает микроминиатюризация элементной базы. Выступление называлось «There's Plenty of Room at the Bottom» - «Там внизу полно места» [1]. В этой лекции он сказал, что если использовать для записи одного бита информации 100 атомов, то для записи всех книг, написанных человечеством, потребуется кубик размером в одну двухсотую дюйма - это пылинка, которую еле различает человеческий глаз. Эти его предсказания уже во многом сбылись. Развитие микроэлектроники привело к широкому распространению компьютеров. Первые компьютеры, основанные на лампах, занимали целые здания и нуждались в огромном энергопотреблении. Современные компьютеры, обладающие несравненно большей вычислительной мощностью, являются компактными и питаются от аккумулятора. Миниатюризация элементной базы привела к появлению принципиально новых систем передачи и хранения информации. Микроминиатюризация происходит не только в электронике. Вслед за микроэлектроникой появилась и микромеханика, представленная микроэлектромеханическими системами - МЭМС. Возможно, в недалеком будущем получат распространение ещё более миниатюрные наноэлектромеханические системы - НЭМС.

Актуальность темы

Важнейшей задачей микромеханики является создание и развитие элементной базы МЭМС и изучение основных физических принципов функционирования этих систем. В отличие от макроскопических систем, в МЭМС большое значение имеют силы Ван-дер-Ваальса, капиллярные силы, упругие напряжения, могут оказаться заметны квантовые эффекты. Поэтому нельзя создать прямые МЭМС аналоги макроскопических механизмов путем простого масштабирования. Способы создания МЭМС так же радикально отличаются от привычной механической обработки. На сегодняшний день МЭМС представлены на рынке в основном микропереключателями [2], варакторами [3] и датчиками физических величин [4] - давления, ускорения и гироскопами. Все эти элементы выполняются интегрированными в микросхемы (in chip), что приводит к существенной экономии места и удешевлению прибора. Конструктивными элементами этих устройств являются микроразмерные балки, консоли и мембраны, изготовленные методами литографии и селективного травления [5]. Актуальной задачей является создание высокочувствительных МЭМС акселерометров, гироскопов и датчиков давления для применений в автомобилестроении, робототехнике, гидроакустике, системах навигации и др. Высокой чувствительностью к смещению обладают датчики, использующие туннельный ток для регистрации расстояния между электродами. Туннельный акселерометр, созданный группой Kenny et. al. [6] в 2001 году продемонстрировал

8 1/2 разрешение 2-10" g/Гц на частотах до 1,5 кГц. Характерные значения туннельного тока составляют величину порядка 1 нА при напряжениях порядка 0,1 В и расстоянии 1 нм между электродами. В макроскопических системах такое расстояние между подвижными электродами не может существовать продолжительное время из-за термодрейфов, вибраций и акустических шумов. Это хорошо известно из опыта эксплуатации сканирующих туннельных микроскопов. Поэтому, для поддержания неизменной величины туннельного зазора приходится использовать двигатель и петлю обратной связи по току. При микроминиатюризации такого датчика и переходе к МЭМС смещения за счет термодрейфов и термических градиентов уменьшаются пропорционально размеру. Это может позволить в перспективе отказаться от использования двигателя и петли обратной связи, что должно сильно упростить и удешевить конструкцию акселерометра. Но при переходе к МЭМС возникает ряд других проблем, таких, как рост влияния термомеханического шума с уменьшением размера [7], утечки тока, залипание подвижных электродов из-за сил Ван-дер-Ваальса и других, не характерных для макроскопических систем. Рассмотрению актуальных на сегодняшний день физических принципов создания базовых элементов МЭМС и исследованию их свойств посвящена данная диссертационная работа.

Цель работы

Целью диссертационной работы состояла в разработке физических основ технологий и экспериментальном исследовании физических свойств базовых элементов МЭМС, предназначенных для применений в первичных датчиках акселерометров.

Научная новизна

Научная новизна работы определяется оригинальностью поставленных экспериментов, полученными новыми результатами, и заключается в следующем.

1. Показано, что в режиме регистрации автоэмиссионного тока чувствительность акселерометра пропорциональна току, который при плоскопараллельных электродах пропорционален их площади, в отличие от традиционных эмиссионных игольчатых катодов. При этом, зависимость тока от расстояния между электродами является экспоненциальной. Впервые показано, что для обеспечения максимальной чувствительности акселерометра, работающего в режиме эмиссионного тока, следует отказаться от традиционных эмиссионных игольчатых катодов и использовать плоские электроды.

2. Впервые изготовлен датчик акселерометра с квазиплоскими электродами, работающий в туннельном и эмиссионном режимах протекания тока. Порог обнаружения составил менее lO'4g/^Jгц в первом режиме и менее

ВіЩ во втором режиме в диапазоне частот до 6 кГц. Показано, что эмиссионный режим (напряжение смещения ~ 100 В, ток ~ 100 нА при зазоре между электродами ~ 100 нм) сохраняется десятки минут в лабораторных условиях при разомкнутой обратной связи.

3. Впервые проведены прямые статические измерения проявлений поперечного пьезоэлектрического эффекта в микроконсолях, направленных по ортогональным диагональным осям [110] и [1І0], изготовленных на основе эпитаксиальных слоев ОаАэ и АЮаАБ. При подаче постоянного напряжения обнаружено взаимно противоположное движение микроконсолей длиной до 100 мкм, определены константы пьезоэлектрического модуля, совпадающие по величине со справочными значениями, что служит доказательством пьезоэлектрической природы функционирования микродвигателя.

4. Впервые создан макет акселерометра с пассивным туннельным датчиком смещения вместо традиционной конструкции с двигателем и обратной связью по току [6]. Технология основана на разрезании сфокусированным ионным пучком тонкого кремниевого моста в структуре кремний на изоляторе (КНИ) с последующим напылением платины в зону микроконтактов. Разрешающая способность акселерометра не хуже 2,2g/л[Гц, частота собственного резонанса находится в диапазоне нескольких МГц.

Научная и практическая ценность

1. Оптимизирована конструкция эмиссионного акселерометра. Предложена плоскопараллельная геометрия электродов для эмиссионного акселерометра, позволяющая достигнуть максимальной чувствительности. Техническое решение защищено патентом Российской Федерации.

2. Предложен способ реализации квазиплоских электродов на основе скрещенных цилиндрических кварцевых волокон, покрытых золотом и расположенных друг от друга на расстоянии много меньше их радиуса. Разработан и создан макет высокочувствительного туннельно-эмиссионного акселерометра с активной системой поддержания тока, имеющий разрешение не хуже \0~4g/■sfГц на частотах до 6 кГц.

3. Показана возможность создания датчика смещения туннельно-эмиссионного акселерометра без активной системы поддержания тока.

4. Предложена методика измерения жёсткости кантилеверов и оценки упругих напряжений в тонких металлических плёнках на поверхности микроконсолей. В частности, показана возможность создания металлической плёнки (N1) на поверхности ваАз с малыми упругими напряжениями.

5. Создан макет переменного конденсатора на основе МЭМС, представляющий собой подвижную золотую мембрану расположенную над металлизированной подложкой ваАБ.

6. Разработан и изготовлен макет МЭМС биморфного пьезодвигателя на основе микроконсолей ваАБ или АЮаАБ. Направление изгиба микроконсолей зависит от их ориентации на плоскости ОаА5(ОС)1). Максимальное статическое смещение достигает 60 нм при частоте низшей резонансной моды около 160 кГц.

Положения, выносимые на защиту

1. Геометрия квазиплоских электродов обеспечивает максимальную чувствительность эмиссионного датчика смещения.

2. Изгибом микроконсолей, изготовленных из монокристаллических и поликристаллических материалов, можно управлять путём магнетронного напыления на их поверхность металлических плёнок с различными внутренними упругими напряжениями. Напыление Та изгибает микроконсоль вниз, а Сг - вверх. Напыление N1 оказывает минимальное воздействие.

3. На основе эпитаксиальных структур ваА^ и АЮаАв возможно создание МЭМС биморфного пьезодвигателя. Величина максимального смещения такого двигателя определяется электрическим полем пробоя материала. Микроконсоли, ориентированные вдоль ортогональных осей [110] и [1 1 0], смещаются в противоположные стороны, что увеличивает величину их взаимного относительного перемещения в 2 раза.

4. Возможно создание датчика смещений на основе МЭМС с нанометровым зазором между электродами, обеспечивающим протекание туннельного/эмиссионного тока, при сохранении заметной подвижности электродов относительно друг друга без применения активной системы поддержания величины туннельного/эмиссионного зазора.

Апробация работы

Основные результаты диссертации были представлены на следующих отечественных и зарубежных конференциях:

International Workshop "Scanning Probe Microscopy - 2004", Nizhny Novgorod,

2-6 May 2004;

7th Expert Evaluation & Control of Compound Semiconductor Materials &

Technologies, EXMATEC'04, Montpellier, France, June 1-4, 2004;

I Международном Форуме по Нанотехнологиям "Rusnanotech08", Москва 315 декабря 2008; а также на внутренних семинарах ИФМ РАН. Публикации

По теме диссертации имеется 14 работ, из них 10 статей в отечественных и зарубежных реферируемых журналах и сборниках, один патент на изобретение и 3 тезиса в сборниках докладов и трудов конференций.

Личный вклад автора в проведенные исследования

Диссертант принимал участие в постановке и решении задач, проведении измерений, обработке и обсуждении полученных результатов, а также в комплексном анализе влияния технологических факторов на всех стадиях формирования структур для оптимизации процессов с целью достижения их наилучших характеристик. В работах [А1,А2,А6-А10] вклад автора является определяющим с точки зрения изготовления объекта исследования, построения измерительных систем, проведения измерений, в работах [АЗ-А5, А11-А14] -равноценным.

Объем и структура диссертации

Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, приложения и списка литературы, включающего в себя список цитированной литературы и список работ автора по теме диссертации. В начале каждой главы дается краткий обзор состояния соответствующих исследований. Общий объем диссертации составляет 122 страницы, включая 90 страниц основного текста, 77 рисунков,

5.5. Выводы

Впервые экспериментально продемонстрирована возможность создания микроэлектромеханического туннельного датчика для акселерометра без актуатора и обратной связи по току. Технология реализована для структуры кремний на изоляторе.

Изготовлен макет «жёсткого» туннельного акселерометра на основе МЭМС, где нанометровый туннельный зазор создан путём разрезания кремниевой балки сфокусированным ионным пучком с последующим напылением платины на края полученного разреза. На частоте до 3 кГц разрешающая способность

1 Ю акселерометра оказалась не хуже 2,2 g/Гц . Частота низшей моды механических колебаний датчика находится в диапазоне нескольких МГц.

Заключение

В диссертации получены следующие основные результаты:

1. Показано, что максимальная чувствительность акселерометра в режиме регистрации эмиссионного тока достигается при квазиплоских, а не игольчатых электродах.

2. Изготовлен датчик акселерометра, который может работать в двух режимах протекания тока - туннельном и эмиссионном, с разрешением ~ 1СУ4g/^¡Гц в первом и ~ 80 втором режиме в диапазоне частот до

6 кГц. В эмиссионном режиме характерные расстояния между электродами ~ 100 нм, напряжения смещения ~ 100 В и ток ~ 100 нА. Такой рабочий режим в лабораторных условиях сохраняется долгое время (десятки минут) при отключенной обратной связи.

3. Разработаны методы управления изгибом микроконсолей. При напылении различных металлов (Та, Сг, N1) на микроконсоль изменяется направление и радиус ее изгиба, причем, обратимым образом. Для биморфной микроконсоли есть дополнительная возможность прецезионного управления изгибом путем изменения ее температуры. Данные методы могут быть использованы для получения контролируемого субмикронного зазора между электродами в различных первичных сенсорах.

4. Исследовано проявление поперечного пьезоэлектрического эффекта в микроконсолях на основе ваАБ и АЮаАз. На основе эпитаксиальных структур ОаАз/АЮаА8(001) сформированы биморфные пьезоэлектрические микроконсоли, ориентированнь1е вдоль ортогональных направлений [110] и [110]. При подаче постоянного смещения происходит изгиб микроконсолей в противоположных направлениях. Смещение концов микроконсолей длиной 100 мкм достигает ~ 60 нм в статическом режиме и ~ 1 мкм вблизи резонансной частоты166 кГц.

5. Создан макет микроэлектромеханического туннельного датчика для акселерометра без активной системы поддержания величины туннельного тока. Туннельный зазор сформирован путем разрезания моста из кремния в структуре КНИ сфокусированным ионным пучком и последующего напыления платины на электроды. Реализована конструкция с относительно жёсткими микроконсолями-электродами, имеющая частоту низшей моды механических колебаний ~ 2 МГц. В диапазоне частот до единиц кГц разрешение составило 2,2 g/^¡Гц .

1. Feynman Richard P. There's Plenty of Room at the Bottom //Caltech Engineering and Science. V.23. - 5. - 1960. - P.22-36.

2. Kim J.M. Electrostatically driven low-voltage micromechanical RF switches using robust single-crystal silicon actuators /J.-М. Kim, S. Lee, J.-H. Park, C.-W. Baek, Y. Kwon and Y.-K. Kim //J. Micromech. Microeng. 2010. - V.20. - N.9. - P.095007.

3. Телец B.A. Микроэлектромеханические инерционные преобразователи физических величин: типовые варианты исполнения. //МСТ. 2004. - №2. -С.2-5.

4. Ilic В. Attogram detection using nanoelectromechanical oscillators /В. Ilic, H. G. Craighead, S. Krylov, W. Senaratne, C. Ober, and P. Neuzil //J. Appl. Phys. 2004. - V.95. - No.7. - P.3694.

5. Liu C.-H. A high-precision, wide-bandwidth micromachined tunneling accelerometer. /С.-Н. Liu and T. W. Kenny. //J. of Microelectromech. System, -2001,- 10. -P.425-433.

6. Gabrielson T. B. Mechanical-thermal noise in micromachined acoustic and vibration sensors. //IEEE Transactions on Electron Devices. 1993. - 40. - P.903-909.

7. Физические величины /Под ред. И.С. Григорьева, Е.З. Мейлихова, М. Энергоатомиздат.1991. 1232с.

8. Simmons J. G. Generalized Formula for the Electric Tunnel Effect between Similar Electrodes Separated by a Thin Insulating Film //J. Appl. Phys. 1963. - V.34. -P.1793-1803.

9. Lee I. Development and analysis of thevertical capacitive accelerometer /I. Lee, G. H. Yoon, J. Park, S. Seok, K. Chun, K. Lee //Sensors and Actuators A. 2005. -V.119. -P.8-18.

10. Chollet F. A (not so) short introduction to MEMS /F. Chollet, H. Liu, //(http://memscyclopedia.org/introMEMS.html (18.2.2008))

11. Beeby S. MEMS mechanical sensors /S. Beeby, G. Ensell, M. Kraft, N.White, //Artech house inc.,USA, 2004,

12. Вопилкин E. А. Возможности микроэлектромеханических систем //HMCT2009.-№1.-С.47-50.

13. Zorman С. Material Aspects of Micro- and Nanoelectromechanical Systems Springer Handbook of Nanotechnology. /Zorman C; Mehregany, //M. SpringerVerlag Berlin Heidelberg. 2007. - Р.299/

14. Вардан В. ВЧ МЭМС и их применение /В. Вардан, К. Виной, К. Джозе, //ИЦ "ТЕХНОСФЕРА". 2004. - 528 стр.

15. Ekinci К. L. Ultimate limits to inertial mass sensing based upon nanoelectromechanical systems /К. L. Ekinci, Y. T. Yang, and M. L. Roukes // J. Appl. Phys. 2004. - V.95. - 5. - 2682.

16. Guangtao D. MEMS magnetic field sensor based on silicon bridge structure /D. Guangtao, C. Xiangdong, L. Qibin, L. Hui, G. Huihui//Journal of Semiconductors.2010. V.31. - No. 10. - P. 104011.

17. Zachary J. Aluminum nanocantilevers for high sensitivity mass sensors /J. D. Zachary and A. Boisen //Appl. Phys. Lett. 2005. - V.87. -No.l. - P.013102.

18. Ilic B. Virus detection using nanoelectromechanical devices /В. Ilic, Y. Yang, and H. G. Craighead //Appl. Phys. Lett. -2004. -V.85. No. 13. - P.2604.

19. Yamaguchi H. Application of InAs Freestanding Membranes to Electromechanical Systems /Н. Yamaguchi, R. Dreyfus, S. Miyashita and Y. Hirayama //Jpn. J. Appl. Phys. 2002. - V.41. - P.2519-2521.

20. Koppaka, S.B. Release processing effects on laser repair of stiction-failed microcantilevers. //Journal of Microelectromechanical Systems. 2005. - V.14. -No.2. -P.410-418.

21. Luber S.M. Nanometre spaced electrodes on a cleaved AlGaAs surface. / S. M. Luber, S. Strobel, H.-P. Tranitz, W. Wegscheider, D. Schuh, M Tornow //Nanotechnology. 2005. - V. 16(8). - P.1182-1185.

22. Krahne R. Nanoparticles and nanogaps: controlled positioning and fabrication /R. Krahne, T. Dadosh, Y. Gordin, A. Yacoby, H. Shtrikman, D. Mahalu, J. Sperling, I. Bar-Joseph //Physica E. 2003. - V.17. - P.498-502.

23. Prinz V.Ya. Elastic silicon-film-based nanoshells: formation, pripeties, and application /V.Ya.Prinz, S.V.Golod //Journal of Applied Mechanics and Technical Physics. 2006. - V.47(6). - P.868-878.

24. Prinz V.Ya. Precise, molecularly thin semiconductor shells: from nanotubes to nanocorrugated quantum systems //Phys. Stat. Sol. (b). 2006. - V.243(13). -P.3333-3339.

25. Prinz V.Ya. Novel technique for fabrication of one- and two-dimensional systems /V.Ya. Prinz, V.A. Seleznev, A.K. Gutakovsky //Surface Science. 1995. -V.331/362. -P.886-889

26. Принц В.Я. Упругие нанооболочки на основе кремниевых пленок: формирование, свойства и практическое применение /В.Я.Принц, С.В.Голод, //ПМФТ. 2006. - V.47(6). - С.114-128.

27. Prinz V.Ya. Precise semiconductor, metal and hybrid nanotubes and nanofibers. In: "Nanoengineered Nanofibrous Materials" //NATO Science Series, II. Mathematics, Physics and Chemistry. 2004. - V.169. P.47-63.

28. Prinz V.Ya. Precise semiconductor nanotubes and nanoshells fabricated on (110) and (111) Si and GaAs //Physica E. 2004. - V.23. - P.260-268.

29. Prinz V.Ya. Precise semiconductor nanotubes and nanocorrugated quantum systems //Physica E. 2004. - V.24. - P.54-62.

30. Принц В.Я. Самоформирующиеся полупроводниковые микро- и нанотрубки /В.Я.Принц, В.А.Селезнев, А.В.Чеховский //Микросистемная техника. 2003. - № 6. - С. 10-16.

31. Prinz A.V. Application of semiconductor micro- and nanotubes in biology /A.V. Prinz, V. Ya Prinz //Surface Science. 2003. - V.911. - P.532-535.

32. Принц В.Я. Трехмерные самоформирующиеся наноструктуры на основе свободных напряженных гетеропленок //Известия ВУЗов, серия: Физика. -2003. -Т.46. С.35-43.

33. Vorob'ev А. В. Directional rolling of strained heterofilms /А. В. Vorob'ev and V. Ya. Prinz //Semicond. Sci. Technol. 2002 - V.17. - P.614 - 616.

34. Prinz V. Ya. Free-standing and overgrowth InGaAs/GaAs nanotubes, nanohelicies and their arrays. /V. Ya. Prinz, V. A. Seleznev, A. K. Gutakovsky, A. V. Chehovskiy, V. // Physica E. 2000. - V.6. - P.828 - 831.

35. Fernández-Martínez I. Parallel nanogap fabrication with nanometer size control using III-V semiconductor epitaxial technology /I. Fernández-Martínez, Y. González, F. Briones //Nanotechnology. 2008. - V.19. - P.275302.

36. Kiefer T. Large arrays of chemo-mechanical nanoswitches for ultralow-power hydrogen sensing /Т Kiefer, A Salette, L G Villanueva and J Brugger //J. Micromech. Microeng. 2010 - V.20. - N. 10. - P. 105019.

37. Grade, J.D. Design of large deflection electrostatic actuators / J.D.Grade, H.Jerman, T.W. Kenny //Journal of Microelectromechanical Systems. 2003. - V.12. - No.3. -P.335-343.

38. Hassanzadeh, A. Design considerations for basic MEMS electrostatic actuators /41st Southeastern Symposium on System Theory, SSST 2009: Proceedings, March 1517, 2009.-P. 271-273.

39. Zine-El-Abidine I. Tunable radio frequency MEMS inductors with thermal bimorph actuators /I. Zine-El-Abidine, M. Okoniewski, J. G. McRory //J. Micromech. Microeng. 2005. - V. 15. - No. 11. - P.2063.

40. Conway N.J. A strain amplifying piezoelectric MEMS actuator /N. J Conway, Z. J. Traina and S.-G. Kim //J. Micromech. Microeng. 2007. - V.17. - P.781-787.

41. Ongkodjojo, A. Micromachined III-V multimorph actuators for MOEMS applications concept, design, and model I A. Ongkodjojo, F.E.H. Tay, R. Akkipeddi, //Journal of Microelectromechanical Systems. - 2005. - V.14. - No.3. P.610-618.

42. Rebeiz GMRF MEMS Theory, Design and Technology 2003. - Hoboken NJ: Wiley.

43. Rebeiz G M Tuning in to RF MEMS /G. Rebeiz, M. Entesari, K.Reines //IEEE Microw. Mag. 2009. - V. 10. - P.55-72.

44. ГОСТ 18955-73 Акселерометры низкочастотные линейные. Термины и определения //1973 Издательство стандартов - Москва.

45. DeVoe D.L. A fully surface-micromachined piezoelectric accelerometer /D.L.DeVoe and A.P.Pisano //Proc. Solid-State Sensors and Actuators. 1997. -P.1205-1208.

46. Tadigadapa S. Piezoelectric MEMS sensors ¡state-of-the-art and perspectives / S.Tadigadapa and K. Mateti //Meas. Sci. Technol. 2009. - V.20. - P.092001.

47. Plaza J. Piezoresistive accelerometers for MCM package /J. Plaza, A. Collado, E. Cabruja, and J. Esteve, //J. Microelectromech. Syst. 2002. - V.l 1. No.6. - P.794-801.

48. Partridge A. A High-Performance planar piezorezistive accelerometer /A.Partridge, J.K.Reynolds, B.W.Chui, E.M.Chow, A.M.Fitzgerald, L.Zhang, S.R.Cooper and T.W.Kenny //Proc. Solid-State Sensors and Actuators Workshop (Hilton Head'98) -1998.-P.59-64.

49. Lim M.K. A micromachined piezoresistive accelerometer with high sensitivity: design and modelling /M.K.Lim, H.Du, C.Su, W.L.Jin //Microelectronic Engineering. 1999. - V.49. - P.263-272.

50. Xue C. Development of a novel two axis piezoresistive micro accelerometer based on silicon /С. Xue, S. Chen, H. Qiao, W. Zhang, J. Xiong, B. Zhang, and G. Zhang, //Sens. Lett. 2008. - V.6. - P. 149-158.

51. GURALP Broadband Seismometer, Guralp Systems Ltd. U.K.

52. Chau K.L. An integrated force-balanced capacitive accelerometer for low-g applications. /K.L.Chau, S.R.Lewis, Y.Zhao, R.T.Howe, S.F.Bart, and R.G.Marcheselli //Proc. Solid-State Sensors and Actuators (Transducers'95). -1995. P.593-596.

53. Bernstein J.W. Low-noise MEMS vibration sensor for geophysical application /J.W.Bernstein, R.Miller, W.Kelley, and P.Ward //Proc. Solid-State Sensors and Actuators Workshop (Hilton Head'98). 1998. P.55-58.

54. Chae J. A monolithic three-axis micro-g micromachined silicon capacitive accelerometer /J. Chae, H. Kulah, and K. Najafi J. //Microelectromech. syst. 2005. -V.14. No.2. - P.235-242.

55. Farahani H. Design, fabrication and analysis of micromachined high sensitivity and 0% cross-axis sensitivity capacitive accelerometers /Н. Farahani, J. K. Mills, and W. L. С leghorn //Microsyst. Technol. 2009. - V.15. - P. 1815-1826.

56. Biswas K. MEMS capacitive accelerometers /К. Biswas, S. Sen, and P. K. Dutta //Sens. Lett. 2007. - V.5. - P.471-484.

57. Boser B.E. Surface micromachined accelerometers /B.E.Boser and R.T.Howe //IEEE J. Solid-Stale Circuits 1996. - V.31. - No.3. - P.366-375.

58. Scanning Tunneling Microscopy and Related Methods /Edited by R.J.Behm, N.Garcia, H.Rohrer. Kluwer Academic Publishers, 1990 - 525c.

59. Tahmasebi A. Studying of a Tunneling Accelerometer with Piezoelectric Actuation and Fuzzy Controller /A. Tahmasebi M.Y. Kanani, B. Tousi, A. Motalebi, G. Rezazadeh //Sensors & Transducers Journal. 2008. - V.89. - No.3. - P. 17-29.

60. Mahameed R. Dual-beam actuation of piezoelectric A1N RF MEMS switches monolithically integrated with A1N contour-mode resonators /R. Mahameed, N. Sinha, M.B. Pisani and G. Piazza //J. Micromech. Microeng. 2008. - V.18. - N.9. -P.105011.

61. Dong H. A novel out-of-plane MEMS tunneling accelerometer /H. Dong, Y. Jia, Y. Hao, S. Shen //Sensors and Actuators A. 2005. - V.120. - P.360-364.

62. Daniel J.H. A microaccelerometer structure fabricated in silicon-on-insulator using a focused ion beam process. /J.H.Daniel, D.F.Moore //Sensors and Actuators 1999. -V.73. -P.201-209.

63. Boisen A. Cantilever-like micromechanical sensors /A. Boisen, S. Dohn, S. Sylvest Keller, S. Schmid and M. Tenje //Rep. Prog. Phys. 2011. - V.74. - P.036101.

64. Dragoman D. Micro/nano-optoelectromechanical systems /D. Dragoman, M. Dragoman //Progress in Quantum Electronics. 2001. - V.25. - P.229-290.

65. Zavracky P.M. Design and process considerations for a tunneling tip accelerometer. /P.M.Zavracky, B.McClennand, K.Warner, J.Wang, F.Hartley, B.Dolgin //J. Micromech. Microeng. 1996. - V.6. - P.352-358.

66. McCord M.A. The micromechanical tunneling transistor. /M.A.McCord, A.Dana, R.F.W.Pease //J. Micromech. Microeng. 1998. - V.8. - P.209-212.

67. Kubena B.L. A new miniaturized surface micromachined tunneling accelerometer. /B.L.Kubena, G.M.Atkinson, W.P.Robinson, F.P.Stratton //IEEE Electron Dev. Lett. 1996. - V.17. -No.6. - P.306-308.

68. Vatannia S. Resonant tunneling displacement transducer /S. Vatannia, J.L.Schiano, G.Gildenblat, D.M.Ginsberg //IEEE Transactions on Electron Devices 1998. -V.45. -No.7. - P.1616-1619.

69. Marques M.I. Modeling of a pressure sensor based on an array of wedge emitters /M.I.Marques, P.A.Serena, D.Nicolaescu, J.Itoh //Applied Surface Science 1999. -V.146. - P.239-244.

70. Nicolaescu D. Modeling of the field emitter triode (FET) as a displacement/ pressure sensor //Applied Surface Science 1995. - V.87/88. - P.61-68.

71. Модинос А. Авто- термо- и вторично-электронная эмиссионная спектроскопия. -М.: Наука, 1990. 320с.

72. Туннельные явления в твёрдых телах /Под ред. Э. Бурштейна, С. Лундквиста. -М. Мир, 1973.-424с.

73. Yamaguchi Н. Excellent electric properties of free-standing InAs membranes. /H.Yamaguchi, R.Dreyfus, Y.Hirayama //Appl. Phys. Lett. 2001. - V.78. - No.16. - P.2372-2374.

74. Nikishkov G.P. Finite element analysis of self-positioning microstructures and nanostructures. /G.P.Nikishkov, I.Khmyrova, V.Ryzhii //Nanotechnology 2003. -V.14. - P.820-823.

75. Prack E.R. An introduction to process visualization in ESEM //Microscopy Research and Technique V. 1993. - V.25. P.487-492.

76. Ландау Л. Д., Лифшиц Е. М. Теория упругости. М.: Наука, 1965. 202с.

77. Lai J. Optimization and performance of high-resolution micro-optomechanical thermal sensors. /J.Lai, T.Perazzo, Z.Shi, A.Majumdar //Sensors and Actuators A -1997 V.58. - P. 113-119.

78. Jeon S. Instant curvature measurement for microcantilever sensor /S. Jeon, T. Thundat //Appl. Phys. Lett. 2004. - V.85. -No.6. - P. 1083-1084.

79. Masmanidis S.C. Multifunctional Nanomechanical Systems via Tunably Coupled Piezoelectric Actuation /S.C.Masmanidis, R.B.Karabalin, I.DeVlaminck, G.Borghs, M.R.Freeman, M.L.Roukes //Science. 2007. - V.317. - P.780-783.

80. Kumar P. Fabrication of piezoelectric Alo.3Gao.7As microstructures /Р. Kumar, L. Li, L. Calhoun, P. Bourdreaux, D. DeVoe //Sensors and Actuators A 2004. - V.l 15. -No.l. -P.96-103.

81. Blencowe M. How to Strum a Nanobar //Science. 2007. - V.l0. - P.762-763.

82. Doll J.C. Aluminum nitride on titanium for CMOS compatible piezoelectric transducers /J. C. Doll, В. C. Petzold, B. Ninan, R. Mullapudi and B. L. Pruitt //J. Micromech. Microeng. 2010. - V.20. - N.2. - P.025008.

83. Дж. Най. Физические свойства кристаллов. /Пер. с англ. М. Мир. 1967. -385с.

84. Adachi S. GaAs, AlAs and AlxGai.xAs: Material parameters for use in reseach and device applications //J. Appl. Phys. 1985. - V.58. - No.3. - P.R1-R30.

85. Hjort K. Gallium arsenide as a machanical material /К. Hjort, J. Soderkvist, J.A. Schweitz. //J. Micromech. Microeng. 1994. - V.4. - P. 1-13.

86. Madelung O. Semiconductors: Data Handbook. 3rd edition. New York.: SpringerVerlag, 2003. 691 p.

87. Brantley W.A. Calculated elastic constants for stress problems associated with semiconductor devices //J. Appl. Phys. 1973. - V.44. - No.l. - P.534-535.

88. Зи С.М. Физика полупроводниковых приборов 1973 - Москва - Энергия -656 с,

89. Kordlar Н. J. Modeling Open-Loop MEMS Tunneling Accelerometer Based on Circular Plate /Н. J. Kordlar, G. Rezazadeh //Sensors & Transducers Journal. -2007. V.78. -No.4. - P.l083-1092.

90. Daniel J.H. A microaccelerometer structure fabricated in silicon-on-insulator using a focused ion beam process /J.H.Daniel, D.F.Moore //Sensors and Actuators. -1999. V.73.P.201-205.

91. Chuang Wen-Hsien Mechanical Property Characterization of LPCVD Silicon Nitride Thin Films at Cryogenic Temperatures /Wen-Hsien Chuang, T.Luger, R.K.Fettig and R. Ghodssi //J. of MEMS. 2004. - V.13. - No.5. - P.870-879.

92. Список работ автора по теме диссертации

93. А1. Шашкин В.И. О возможных конструкциях датчиков туннельно-эмиссионных акселерометров /В.И.Шашкин, Н.В.Востоков, Е.А.Вопилкин, А.Ю.Климов, Д.Г.Волгунов, В.В.Рогов, С.Г.Лазарев. //Микросистемная техника. 2003. -№5. - С.3-6.

94. A3. Shashkin V.I. AFM-Characterization of Microlevers. /V.I.Shashkin, E.A.Vopilkin, N.V.Vostokov, A.Yu.Klimov, V.V.Rogov, S.A.Gusev. //Phys. Low-Dim. Struct. -2004/- 1/2/-P.41-46.

95. A4. Шашкин В.И. Изготовление микроконсолей и управление их изгибом /В.И.Шашкин, Е.А.Вопилкин, Н.В.Востоков, А.Ю.Климов, В.В.Рогов, С.А.Гусев, И.Ю.Шулешова. //Микросистемная техника. 2004 - №9. - С.22-26.

96. А5. Shashkin V.I. Fabrication and characterization of stress-free microbeams for MEMS applications /V.I.Shashkin, N.V.Vostokov, E.A.Vopilkin, A.Yu.Klimov, V.M.Daniltsev, V.V.Rogov, S.G.Lazarev //Phys. Stat. Sol. (c) 2 2005. - N.4. -P.1433-1437.

97. A6. Vopilkin E.A. A nanomechanical system with piezoelectric actuation of a GaAs microbeam /E.A.Vopilkin, V.I.Shashkin, Y.N.Drozdov, V.M.Daniltsev, S.A.Gusev and I.Yu.Shuleshova //J. Micromech. Microeng. 2008. - V.18. - N.9. - 095006(5pp)

98. A7. Вопилкин E.A. Биморфный пьезоэлектрический двигатель для МЭМС на основе GaAs //Е.А.Вопилкин, В.И.Шашкин, Ю.Н.Дроздов, В.М.Данильцев,

99. С.А.Гусев, И.Ю.Шулешова //Нано- и Микросистемная техника. 2008 -№10. - С.47-51.

100. А9. Вопилкин Е.А. Микроэлектромеханический туннельный датчик для виброакселерометра //Е.А.Вопилкин, А.Ю.Климов, В.В.Рогов, И.Ю.Шулешова, Д.А.Пряхин, С.А.Гусев, Е.В.Скороходов, В.И.Шашкин. //Нано- и Микросистемная техника. 2012. - 5. - С.48-53.

101. А10. Вопилкин Е.А. МЭМС переменный конденсатор с электростатическим управлением /Е.А.Вопилкин, Ю.И. Чеченин, JI.H. Савицкая, Н.Г. Бронникова, В.И.Шашкин //МНСТ. - 2010. - №12. - С.30-34.

102. А12. Shashkin V.I. AFM-Characterization of Microlevers /V.I.Shashkin, E.A.Vopilkin, N.V.Vostokov, A.Yu.Klimov, V.V.Rogov, S.A.Gusev. //Scanning Probe Microscopy 2004": proceedings, Nizhny Novgorod, 2-6 May 2004, P.239-241.