eng
Выпуск #5/2010
В.Шубарев.
Микросистемотехника. Инновационное направление развития электроники
Микросистемотехника. Инновационное направление развития электроники
Просмотры: 4499
В ходе сложившейся диалектической модели развития электроники появилось ее инновационное направление – микросистемотехника (МСТ), для реализации которой необходимы достаточно емкие инвестиционные источники финансирования работ, определенные ФЦП, программами МО РФ и Союзного государства. С целью концентрации усилий по развитию МСТ необходимо создание отраслевого Центра микросистемотехники. Теоретические предпосылки возникновения МСТ и технологические предпочтения в разработках изделий МСТ уже сформулированы. Целевая направленность создания изделий МСТ для обеспечения комплексной безопасности жизнедеятельности человека является решением социально значимой задачи. Первые результаты проектирования изделий МСТ и систем на их основе, ориентированных на производство Центром МСТ, уже реализованы на отечественных предприятиях радиоэлектронной отрасли.
Основные задачи микросистемотехники
Возникшая в последнее время в электронном сообществе дискуссия о перспективах развития электроники содержит некоторый пессимизм вследствие предполагаемого завершения действия закона Мура [1]. Действительно, этот закон, носящий явно эмпирический характер, связан с физическими ограничениями минимальных размеров транзисторов и имеет отношение только к одному виду электронных технологий – микроэлектронике. С точки зрения диалектики мы, скорее всего, находимся на завершении витка диалектической спирали развития этой технологии [2], начавшегося с момента изобретения транзистора [3]. Диалектическая теория предусматривает, что далее должен произойти некий качественный скачок, приводящий к инновационной технологии.
Вместе с тем, в рамках реальных технологий электроники развиваются новые направления – использование ранее известных, но не находивших масштабных применений, физических принципов, таких как магнитоэлектроника, оптоэлектроника, акустоэлектроника, хемотроника, криоэлектроника. Этимология этих терминов говорит о явно пограничных физических явлениях, которые оказались достижимыми, в частности, и на основе успехов микроэлектронной технологии. Объединение результатов исследований в области новых физических явлений (в плане возможности их использования для создания реальной радиоэлектронной аппаратуры) привело к формированию инновационного технологического направления – микросистемотехники (МСТ). Сам термин "микросистемотехника" и определяемое им понятие сегодня нельзя считать окончательно установившимися, поэтому рассмотрим наше понимание термина "микросистемотехника".
Итак, микросистемотехника – это комплексное технологическое направление электроники, использующее первичные чувствительные элементы (ПЧЭ) в микроэлектронном исполнении, позволяющие получать информацию о физических, химических, биологических свойствах среды в электронном виде для последующего направленного управления средой или исполнительными приборами и механизмами.
В диалектическом плане МСТ можно считать новой ветвью развития электроники, которая, с одной стороны, опирается на технологические результаты предыдущих этапов (микроэлектроника, физика пограничных эффектов), а с другой стороны — использует инновационные возможности нанотехнологий. Последнее обстоятельство способствует определенному оптимизму в оценке перспектив развития электроники в пределах современного диалектического витка, основанного на эффекте переноса носителей заряда в твердом теле.
Технологическое направление микросистемотехники предполагает создание и производство изделий микросистемотехники. Под такими изделиями мы понимаем устройства, получаемые совокупностью научно-технических и технологических способов формирования в объеме и (или) на поверхности твердого тела упорядоченной композиции микронных и субмикронных областей с заданными составом, структурой и геометрией. Эти изделия должны реализовывать функции восприятия и преобразования информации из физической (либо химической) формы в электрическую, а также функции хранения, обработки (используя эффекты, отличные от традиционной транзисторной электроники), трансляции информации, энергии и движения, а затем выработки управляющих воздействий в требуемых режимах и условиях эксплуатации.
За истекшие десять лет микросистемотехника преодолела путь от исследовательских лабораторий до широкого внедрения в повседневную практику. Согласно оценкам, мировой объем производства изделий МСТ увеличится с 46 млрд. долл. в 2008 году до 90 млрд. долл. в 2015-м (ежегодные темпы роста до 15%). Следует отметить, что наибольшую долю рынка – 32% – занимают изделия МСТ для систем обеспечения комплексной безопасности.
По состоянию на 2008 год потребность в изделиях МСТ для различных устройств и систем в России и странах СНГ оценивалась в 25 млрд. руб. К 2015 году прогнозируется увеличение этой потребности до 45 млрд. руб. (ежегодные темпы роста 10%). При этом по-прежнему будет преобладать спрос на изделия МСТ для систем комплексной безопасности (доля их составит до 70%).
Известно, что электроника одна из самых динамично развивающихся отраслей промышленности, в которой каждые три–пять лет происходит переоснащение производства. Развитие инновационного направления микросистемотехники неизбежно приведет к очередному технологическому переоснащению отрасли, которое потребует значительных ресурсов для решения следующих задач:
* проектирования изделий МСТ на основе программных и аппаратных средств нового поколения;
* создания наноструктурированных материалов;
* производства изделий МСТ на основе технологического и метрологического оборудования нового поколения;
* формирования и завоевания рынков сбыта систем на основе изделий МСТ.
Стратегия развития направления микросистемотехники реализуется в настоящее время за счет объединения ресурсов Федеральной целевой программы Минпромторга "Развитие электронной компонентной базы и радиоэлектроники на 2008–2015 годы" (ФЦП "ЭКБ и РЭ"), комплексных целевых программ Министерства обороны РФ, программы "Микросистемотехника" (МСТ) Союзного государства Российской Федерации и Республики Беларусь (рис.1). Следует отметить, что в рамках выполнения ФЦП "ЭКБ и РЭ" в период 2008 – первая половина 2010 годов предприятиями радиоэлектронной отрасли страны достигнуты значительные успехи в создании следующих базовых технологий (БТ) и конструкций изделий МСТ и приборов на их основе:
микроэлектромеханических датчиков ускорения и давления, позволяющих реализовать широкий спектр приборов, в том числе для блоков ориентации малых космических аппаратов, УЗ-счетчиков газа;
микросистем анализа магнитных полей, позволяющих реализовать приборы для научных исследований, машиностроения и медицины;
формирования сверхпроводниковых структур туннельного типа для построения современных квантовых эталонов напряжения, приемо-преобразовательных систем субмиллиметрового диапазона длин волн и элементной базы квантовых компьютеров на основе Q-битовой логики;
матриц микрозеркал для модуляции оптического излучения;
микроэлектромеханических переключателей и коммутаторов для комплексной миниатюризации специальной аппаратуры;
полупроводниковых газовых сенсоров на основе композитных и мембранных структур, обеспечивающих создание газовых течеискателей и пороговых газоанализаторов, применяемых в промышленности и ЖКХ (уже освоены в производстве);
твердотельных гироскопов вибрационного типа на основе пьезоэффекта, позволяющих реализовать устройства управления подвижными объектами в экстремальных условиях;
микроакустоэлектромеханических датчиков давления жидких и газообразных сред широкого спектра применений;
параметрического ряда кантилеверов для прецизионных измерений современных атомно-силовых микроскопов.
Актуальная задача современного этапа – развертывание работ по созданию широкой номенклатуры изделий МСТ, приборов и систем на их основе применительно к требованиям конкретных групп потребителей и организация серийного производства продукции для удовлетворения платежеспособного спроса. С целью решения этой задачи, помимо базовых технологий, предприятиям необходимы эффективные системы автоматизированного проектирования (САПР), адаптированные к специфике конструкций изделий МСТ и технологии их производства. Кроме того, требуются комплекты специального технологического и метрологического оснащения и методики контроля параметров изделий МСТ в условиях серийного производства.
Круг дополнительных проблем, ожидающих решения для широкого внедрения результатов научно-технических разработок базовых технологий и базовых конструкций изделий МСТ в повседневную практику, входит в научно-техническую программу "Микросистемотехника". Эта программа – логическое продолжение ряда Федеральных целевых программ Российской Федерации, а также результат анализа достижений и недостатков, выявленных в процессе выполнения конкретных разработок изделий МСТ, приборов и систем на их основе десятками предприятий России и Белоруссии. Программа предусматривает комплексный подход к решению следующих поставленных задач:
* разработка базовых чувствительных элементов, приборов и систем на основе изделий МСТ;
* создание ключевого технологического и метрологического оснащения;
* формирование базы данных и специализированных подпрограмм САПР для автоматизированного проектирования конструкций и технологий устройств на основе изделий МСТ.
Программа ориентирована на учет реальных потребностей рынка конечной продукции. Она предусматривает обеспечение глубокого технологического переоснащения производства продукции гражданского назначения, формирование технических и экономических условий для внедрения инновационных решений в производство специальной техники и использование потенциала частно-государственного партнерства, создание в качестве пилотного проекта интегрированной производственной структуры – Центра МСТ. Головные исполнители программы – ОАО "Авангард" (Санкт-Петербург) и ГНПО точного машиностроения "Планар" (Минск) (рис.2). Соисполнителями программы выступают ведущие предприятия радиоэлектроники РФ и Белоруссии (ФГУП НИИ ПС, НИТИ Электроприбор, ОАО "НИИ Элпа", ОАО "НИИФИ", ОАО "РНИИ Электронстандарт", ФГУП "НИИФП им. Ф.В.Лукина, "Протон-МИЭТ", ФГУП "НКТБ "Кристалл", ТЦ МИЭТ и др.).
Обращает на себя внимание то, что впервые за последние годы предусматривается централизованная разработка специального технологического и метрологического оснащения. Это – оборудование для прецизионной механической обработки и резки подложек для изделий МСТ; специализированное оборудование для проекционного экспонирования при изготовлении акустоэлектронных изделий; автоматизированные системы двух- и трехмерной оптической инспекции структур изделий МСТ в производственных условиях; установки сварки кремниевых, диэлектрических и пьезоэлектрических пластин; ряд другого оснащения. Комплексный подход реализуется и при разработке информационных систем, баз данных и систем автоматизированного проектирования изделий МСТ (рис.3).
В ходе развития работ по программе "Микросистемотехника" за 2010–2013 годы должен быть достигнут мировой уровень и восстановлен паритет с аналогичной продукцией ведущих зарубежных производителей. Предполагается создание МСТ-устройств нового поколения для аппаратуры специального и двойного применения, обеспечение технологической независимости при разработке и производстве стратегически значимых компонентов и систем, создание технологической базы для решения задач оснащения других производств изделий МСТ.
В качестве первоочередных осваиваемых в производстве изделий МСТ по программе "Микросистемотехника" выбраны микроэлектромеханические системы (МЭМС), акустоэлектронные и хемосорбционные системы. МЭМС-структуры достаточно хорошо проработаны как в теоретическом, так и практическом плане [4], и теперь требуется их широкое внедрение. Для этого в отрасли (в том числе на заводе "Ангстрем" и в МИЭТе) создана производственная база. Что касается акустоэлектронных и хемосорбционных изделий МСТ, то в этом направлении необходимы дополнительные работы по разработке серийной технологии и созданию соответствующих производственных мощностей.
Центр микросистемотехники
Микросистемотехника предъявляет комплекс жестких требований к специальному технологическому оборудованию, оснащению по подготовке технологических сред, обеспечению климатических условий производства и собственно к самим производственным помещениям. Комплексные решения по чистым помещениям, технологическим средам и технологическому оборудованию должны обеспечивать формирование геометрии функциональных слоев с точностью 0,5% и жестче, причем не для конкретного элемента локального изделия, а для групповой заготовки пластин диаметром 100 мм (для акустоэлектронных изделий) или 150 мм (для кремниевых изделий). Например, толщину металлических элементов на поверхности пьезокристаллических изделий МСТ необходимо воспроизводить с точностью ±0,5нм (5Å).
За последние годы в ОАО "Авангард" накоплен значительный опыт в области создания нового поколения изделий микросистемотехники. Освоены процедуры проектирования акустоэлектронных и хемосорбционных изделий, приборов и систем на их основе. Разработаны базовые технологии формирования структуры функциональных слоев таких изделий, получен опыт работы с современными материалами, разработаны методики контроля основных параметров, выявлены предпочтения по техническим и экономическим характеристикам приборов основных групп потребителей. Вместе с тем, макетные и опытные образцы изделий вследствие отсутствия в России соответствующего оборудования и условий производства, изготавливаются в широкой технологической кооперации с ведущими предприятиями Финляндии, Германии, Франции, Кореи, Тайваня, Китая. Дальнейшая ориентация (сегодня безальтернативная) на зарубежную кооперацию не обеспечит достижения требуемых конкурентных характеристик инновационной продукции, разрабатываемой на предприятиях РФ. Поэтому и возникла идея создания Центра микросистемотехники на основе ОАО "Авангард".
В программе "Микросистемотехника" предусмотрено создание Центра МСТ как формы внедрения проводимых разработок. Проект создания Центра микросистемотехники получил поддержку в ходе реализации ФЦП "ЭКБ и РЭ". При рассмотрении промежуточных итогов работ на НТС Минпромторга была подтверждена необходимость создания Центра МСТ для решения федеральных задач в области разработки и широкого внедрения технологий МСТ. Было определено, что только на принципах частно-государственного партнерства можно решить такую важную задачу. При этом определено, что для этих целей привлекаются внебюджетные источники финансирования. Создание Центра МСТ на базе ОАО "Авангард" призвано способствовать получению уникального опыта комплексного решения задачи разработки и внедрения в серийное производство инновационных технологий для удовлетворения спроса отечественных потребителей в современной аппаратуре с возможностью последующего тиражирования эффективных решений на предприятиях радиоэлектронной отрасли.
Как известно, ежегодно сотни тысяч людей в мире становятся жертвами техногенных и природных катастроф. Материальный ущерб оценивается в сотни миллиардов долларов. Федеральный закон РФ №384-ФЗ "Технический регламент о безопасности зданий и сооружений" определяет критерии безопасности жилых, производственных и специальных зданий и сооружений, методы обеспечения и контроля этих критериев. Вот почему важнейшие изделия МСТ, планируемые к производству в Центре МСТ, – комплексные системы безопасности жилых, промышленных и специальных зданий и сооружений. Виды и доля изделий МСТ, необходимых для выполнения Федерального закона, представлены на рис.4.
Кроме выпуска продукции собственной разработки предполагается освоить серийное производство изделий МСТ, заказанных смежными предприятиями радиоэлектронного комплекса, и участвовать в НИОКР, направленных на создание новых поколений изделий и инновационных технологий.
Акустоэлектронные изделия МСТ
Российские ученые и специалисты – пионеры в области исследований и разработок изделий на основе объемных и поверхностных акустических волн (ОАВ и ПАВ соответственно). В частности, фундаментальные теоретические исследования были выполнены научными коллективами, возглавляемыми академиками Ю.В.Гуляевым и В.И.Пустовойтом, которые впервые в мире предложили использовать ПАВ для обработки радиосигналов [5]. Открытие Ю.В.Гуляевым нового типа волн, названных "волнами Гуляева-Блюштейна", явилось толчком к исследованию разнообразных волн и мод в пьезоэлектриках, слоистых структурах на границах раздела. Ю.В.Гуляев и В.П.Плесский показали, что периодически неровная поверхность (покрытая, например, системой канавок) может поддерживать сдвиговую поперечную волну даже в случае изотропной подложки, т.е. без наличия пьезоэффекта. Сейчас эти волны называются "сдвиговые поверхностные волны" и широко используются в стабильных высокодобротных резонаторах. Пионерами в прикладных исследованиях ПАВ были сотрудники Санкт-Петербургского государственного университета аэрокосмического приборостроения (Г.К.Ульянов, Ю.Г.Смирнов, С.В.Кулаков и др.). Многие технологические вопросы производства и освоения серийного выпуска изделий на ПАВ решены ОАО "Авангард". Большой вклад в разработку технологий выращивания материалов для акустоэлектроники внесли ученые Института кристаллографии им. А.В.Шубникова (РАН). Многие другие российские предприятия и учреждения также внесли значительный вклад в развитие этого перспективного направления, получившего название "Акустоэлектроника".
Поверхностные акустические волны физически представляют собой упругие колебания атомов или молекул твердого тела (рис.5) в тонком приповерхностном слое пьезоэлектрического материала [6]. Математически эти колебания описываются уравнением движения, которое устанавливает связь между механическими напряжениями (вызванными внешними силами) и соответствующей деформацией среды. Несмотря на разнообразие типов поверхностных акустических волн, наибольшее применение находят классические пьезоактивные рэлеевские волны. Прямой и обратный пьезоэффекты свойственны ряду природных и искусственных материалов, таких как кристаллический кварц, ниобат лития, танталат лития, пленки оксида цинка и нитрида алюминия. Все эти материалы обладают рядом специфических свойств и характеристик, принципиальных для возбуждения на них ПАВ.
Кроме названных материалов в перспективе рассматривается возможность применения синтетического пьезоэлектрика – лангасита. Этот материал не имеет фазовых переходов и остается пьезоэлектриком вплоть до температур свыше 1000°С (хотя при высоких температурах заметно возрастает затухание ПАВ). Лангасит планируется использовать при производстве пассивного датчика температуры, работающего в диапазоне -196…650°С. Разработка этого датчика должна завершиться к 2012 году в ходе реализации Седьмой рамочной программы научных исследований и технологического развития ЕС с участием ОАО "Авангард" – Saw based passive RFID and sensor system with low radiation (Пассивные радиочастотные идентификационные и сенсорные системы с малым уровнем излучения на основе ПАВ).
Одной из актуальнейших задач МСТ является создание новых чувствительных элементов, в том числе акустоэлектронных, для производства на их основе различных пассивных датчиков физических величин, опрашиваемых по радиоканалу, а также производства систем радиочастотной идентификации на основе пассивных ПАВ меток. Особо следует отметить задачу производства пассивных ПЧ и ВЧ-фильтров на ПАВ со сверхмалыми потерями и высокой температурной стабильностью [7].
Для удовлетворения современных требований к акустоэлектронным датчикам и системам на их основе, в том числе для дистанционного измерения параметров, необходимо освоить область сверхвысоких частот (2–3 ГГц и выше). Решение этой задачи серьезно ограничено технологическими возможностями: сегодня устройства с воспроизводимыми характеристиками изготавливаются на пределе возможностей оптической фотолитографии. Дальнейшее повышение рабочих частот связано с освоением дорогостоящих субмикронных и нанотехнологий, а также соответствующего оборудования.
Освоенные технологические процессы производства ПАВ-компонентов основаны на использовании подложек пьезоэлектрических материалов различной толщины (0,35 мм, 0,5 мм, 1,0 мм и 2,0 мм) с напылением на них электродов из ванадия, титана, золота или алюминия высотой 10–300 нм с точностью до 5 нм. Основные технологические этапы производства ПАВ-приборов и систем на их основе включают:
* изготовление чувствительных элементов на ПАВ путем нанесения наноразмерных пленок и формирования наноразмерных структур на подложках из ниобата лития, танталата лития, лангасита и пьезокварца методом фотолитографии, контроль электрических параметров;
* корпусирование чувствительных элементов ПАВ-датчиков, ПАВ-меток, сборка меток с антенной;
* автоматизированную сборку плат устройств считывания (ридеров) и компонентов на линии поверхностного монтажа, визуальный и рентгенографический контроль;
* корпусирование, программирование и тестирование ридеров для систем контроля давления, напряженно-деформированного состояния зданий и сооружений, а также систем радиочастотной идентификации;
* интеграцию систем для конкретного потребителя, испытания и контроль качества.
В рамках ФЦП "ЭКБ и РЭ" и программ МО выполнен ряд ОКР по проектированию и производству ПАВ-компонентов, работающих в диапазоне частот от 25 МГц до 2,5 ГГц. Разработаны технологические процессы массового производства групповым методом ПАВ-компонентов, в том числе ПАВ-фильтров и резонаторов, линий задержки на частоту до 1 ГГц и дисперсионных акустических линий задержки, созданы опытные образцы ПАВ-меток и ПАВ-сенсоров для пассивных датчиков давления и деформации. Главным конкурентным преимуществом пассивных датчиков на ПАВ, по сравнению с аналогичными изделиями на основе иных физических принципов, является возможность их использования в беспроводных системах мониторинга состояния объектов и в системах радиочастотной идентификации. Разработки ОАО "Авангард" в области акустонаноэлектроники полностью соответствуют современным тенденциям.
ПАВ-метки. При реализации изделия МСТ в виде ПАВ-метки полезная информация о состоянии ПАВ-компонента (а следовательно, и наблюдаемого объекта) считывается в режиме реального времени с минимальными временными затратами. При этом оператор или пользователь может находиться на расстоянии от контролируемого объекта. Возможность приема переотраженного ПАВ-компонентом (резонатором или линией задержки) радиосигнала без использования механических и электрических соединений на расстоянии более 5 м – основная особенность ПАВ-технологии. К тому же конструктивные и технологические решения, предлагаемые ПАВ-технологией, позволяют проводить мониторинг состояния объектов и их идентификацию в экстремальных условиях, например при повышенной радиации или в реактивных средах. К другим конкурентным преимуществам пассивных ПАВ-меток относятся: малая излучаемая мощность ридера – менее 10 мВт; температурная стабильность кода метки – до 400°С; возможность контроля температуры, давления и других физических параметров.
Принцип работы ПАВ-меток основан на том, что корпусированный и установленный на пластину с антенной ПАВ-компонент облучается коротким высокочастотным радиосигналом в диапазоне 2,45 ГГц. Отклик метки, содержащий кодовую последовательность, переизлучается ее антенной и поступает на вход ридера (рис.6).
ПАВ-датчики давления и деформации. Принцип работы пассивного датчика этого типа основан на изменении под действием деформации резонансной частоты ПАВ-резонатора, в структуру которого входят элементы, формируемые с помощью нанотехнологии (рис.7). На рис.8 приведены фотографии опытных образцов первичного чувствительного элемента на ПАВ (ПАВ-резонатора) и трансформатора механических напряжений для датчиков давления и деформации. Основными конкурентными характеристиками пассивных ПАВ-датчиков давления и деформации являются:
* расстояние бесконтактного считывания более 1 м;
* излучаемая мощность ридера 10 мВт;
* диапазон рабочих температур – -60…150°С;
* возможность заливки пассивных датчиков в бетонные конструкции и опроса по радиоканалу.
На предприятии создана и запатентована [8] новая пригодная для поверхностного монтажа бескорпусная конструкция для герметизации методом Flip Chip (непосредственного монтажа на плату перевернутого кристалла с жесткими выводами на лицевой стороне в виде шариков или столбиков) чувствительных элементов изделий на ПАВ, в том числе датчиков физических величин (рис.9).
ПАВ-фильтры. Особо следует отметить задачу производства пассивных ПЧ- и ВЧ-фильтров на ПАВ со сверхмалыми потерями и высокой температурной стабильностью. Их основными конкурентными преимуществами по сравнению с фильтрами на дискретных элементах, (LC- или RC-типа) являются:
* линейная выходная фазовая характеристика в широком диапазоне частот;
* высокая прямоугольность АЧХ (коэффициент прямоугольности, приближающийся к единице);
* максимально достижимое внеполосное подавление;
* возможность реализации различных АЧХ и ФЧХ при высокой точности обеспечения заданных параметров;
* высокая стабильность параметров и отсутствие необходимости сложной настройки, так как центральная частота и форма частотной характеристики фильтра определяются топологией;
* технологичность изготовления, возможность применения стандартных технологических процессов микроэлектроники;
* существенно меньшие масса и габаритные размеры.
Минимизировать потери акустической энергии в ПАВ-фильтрах можно за счет применения элементов нанотехнологии, позволяющей получить заданную разновысотность элементов встречно-штыревых преобразователей (ВШП).
В ОАО "Авангард" освоена разработка резонансных фильтров с предельно минимальными потерями 1–1,5 дБ и подавлением вне полосы 50–60 дБ. Амплитудно-частотная характеристика такого фильтра представлена на рис.10.
В ОАО "Авангард" освоена разработка резонансных фильтров с предельно минимальными потерями 1–1,5 дБ и подавлением вне полосы 50–60 дБ. Амплитудно-частотная характеристика такого фильтра представлена на рис.10.
Дисперсионные акустоэлектронные линии задержки (ДАЛЗ) сегодня обеспечивают наиболее эффективный метод решения задачи улучшения разрешающей способности РЛС, в частности по дальности. С этими широкополосными ПАВ-приборами, которые давно зарекомендовали себя на рынке радиолокационных систем, не могут конкурировать устройства цифровой обработки сигнала. В ОАО "Авангард" предполагается сосредоточить внимание на освоении высокопрецизионной технологии производства ДАЛЗ с высоким коэффициентом сжатия ЛЧМ-сигнала, что позволит улучшить разрешающую способность РЛС по дальности, а также повысить центральную частоту и увеличить полосу частот. Тем не менее, потери энергии сигналов в ДАЛЗ значительны и их необходимо минимизировать. Для снижения потерь в ДАЛЗ предполагается использовать широкополосные однонаправленные ВШП. Методы нанотехнологий позволяют существенно улучшить однонаправленность ВШП. На рис.11 представлена амплитудно-частотная характеристика ДАЛЗ с уникальными параметрами: широкой полосой ЛЧМ-сигнала (500 МГц), низкими потерями (32–35 дБ) и малой неравномерностью АЧХ (3–4 дБ) в полосе пропускания. Такие параметры обеспечивают высокие помехоустойчивость и разрешающую способность РЛС. Для этой дисперсионной системы предельно достижимый коэффициент сжатия (произведение ширины полосы частот на длительность ЛЧМ сигнала) может быть равен 700.
Теоретический и научно-практический задел ОАО "Авангард" позволил к настоящему времени завершить разработки товарной продукции акустоэлектронных изделий МСТ для приемников глобальных навигационных спутниковых систем ГЛОНАСС, GPS, Galileo, Compass, аппаратуры позиционирования и мониторинга различных объектов гражданского и специального назначения (рис.12). Сравнение по основным конкурентным характеристикам полосовых фильтров на ПАВ, разработанных ОАО "Авангард", с продукцией других фирм приведено в табл.1.
Системы РЧИД на основе пассивных ПАВ-меток (рис.13) позволяют обеспечивать физическую, техногенную и экологическую безопасность. Сравнение по основным конкурентным характеристикам этих изделий МСТ, разработанных ОАО "Авангард", с продукцией других фирм приведено в табл.2.
Системы бесконтактного контроля давления не агрессивных жидкостей и газов на основе пассивных резонансных датчиков на ПАВ позволяют обеспечивать физическую, техногенную и экологическую безопасность (рис.14). Этими изделиями МСТ комплектуются системы водоснабжения, теплоснабжения, отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха жилых и промышленных зданий. Сравнение по основным конкурентным характеристикам этих изделий МСТ, разработанных ОАО "Авангард", с продукцией других фирм приведено в табл.3.
Система контроля напряженно-деформированного состояния зданий и сооружений на основе пассивных датчиков деформации на ПАВ позволяет обеспечивать конструкционную безопасность зданий и сооружений, трубопроводов, шахт, тоннелей, плотин (рис.15). Сравнение по основным конкурентным характеристикам этих изделий МСТ, разработанных ОАО "Авангард", с продукцией других фирм приведено в табл.4.
Часть технических решений, использованных в разработках акустоэлектронных изделий МСТ, защищена патентами РФ [9,10,11].
Хемосорбционные изделия МСТ
Высокая насыщенность промышленных и жилищно-коммунальных объектов техническими средствами, использующими и выделяющими различные, в том числе вредные, газы (СО, NH3, СН4, NOx, CО2), приводит к частому возникновению критических ситуаций, сопровождающихся выбросом смесей токсичных и горючих газов. Особенно актуальными становятся проблемы безопасности населения, связанные с катастрофами, происходящими из-за неконтролируемых утечек природного газа и угарного газа, выделяющегося при любых процессах сгорания материалов и веществ.
Разрабатываемые химические наноэлектронные сенсоры не нуждаются в непрерывном обслуживании, неприхотливы в эксплуатации, значительно дешевле своих импортных аналогов, малоразмерны и позволяют создавать как переносные газоанализаторы, так и разветвленные автоматизированные системы мониторинга обширных территорий и помещений, управляемые центральным компьютером с анализом ситуаций в реальном времени.
Производство полупроводниковых газовых сенсоров для бытовых газосигнализаторов и систем контроля загазованности включает следующие основные технологические этапы:
электронно-лучевое напыление на кремниевые пластины с ориентацией (100) наноразмерных слоев двуокиси олова для формирования газочувствительных элементов сенсоров;
создание газочувствительного резистора методом "взрывной" фотолитографии в слоях двуокиси олова и нанесение их наноструктурированных каталитических покрытий;
формирование нанокомпозитных мембранных структур на основе р+-стоп слоев с применением оригинальной золь-гель технологии;
сборка газовых сенсоров, бытовых и промышленных газосигнализаторов, систем контроля загазованности, контроля качества изделий.
Полупроводниковый газовый сенсор разработки ОАО "Авангард" состоит из следующих слоев (рис.16):
монокристаллического кремния n-типа (конструкционная основа кристалла);
слоя SiO2, получаемого методом термического окисления;
элемента нагрева сенсора Si*, выполненного из поликристаллического кремния, легированного фосфором из растворных пленок;
трехслойного диэлектрика SiO2-Si3N4-Ta2O5, который отделяет нагревательный элемент от газочувствительного элемента;
газочувствительного элемента на основе наноструктурированных стекловидных пленок SnO2, легированных стабилизирующими примесями сурьмы и гадолиния;
подслоя Cr, служащего омическим контактом к Si* и SnО2;
слоя платины, обеспечивающего приварку золотой проволоки к выходным контактным площадкам сенсора. Сенсор имеет мембранную структуру, что позволяет снизить его потребляемую мощность и повысить быстродействие.
Газочувствительный резистивный слой SnO2 формируют наноструктурированные слои, металлооксидная пленка SnO2 и каталитический примесный слой, предназначенный для активации хемосорбционного процесса взаимодействия тестируемого газа с газочувствительным резистивным слоем SnO2. При создании чувствительного элемента в ОАО "Авангард" впервые был применен метод электронно-лучевого распыления порошка двуокиси олова, который позволил получить более плотную и мелкозернистую, по сравнению с другими методами, структуру слоя SnO2 с размером зерен 30–50 нм (рис.17). Стабилизирующие примеси сурьмы и гадолиния вводятся в слой SnO2 из наноструктурированных стекловидных пленок, сформированных золь-гель технологией.
Наноразмерные стекловидные пленки содержат и широкий ряд каталитических примесей (Pt,Pd,V,Mo,Co и др.), формирующих каталитический слой толщиной 47 нм. Нанокатализатор (мелкие темные вкрапления PtO размером 1–3 нм) статистически равномерно распределен по всей пленке (рис.18). Высокопрецизионные электронно-зондовые исследования подтвердили эффективность золь-гель-методов при формировании нанокомпозиционных каталитических материалов.
Введение гадолиния с размером частиц 100 нм позволяет уменьшить деформацию кристаллической решетки кремния и тем самым повысить механическую прочность мембраны [12, 13].
Принцип действия металлооксидного газового сенсора основан на хемосорбционном взаимодействии тестируемых газов с поверхностью (или объемом) полупроводникового слоя (в нашем случае SnО2 n-типа), приводящего к увеличению (в случае газов восстановительного типа) или уменьшению (в случае газов окислительного типа) концентрации электронов в его зоне проводимости.
При изменении концентрации газа в воздухе основным активизирующим пленку SnО2 веществом является кислород. Наличие сенсибилизирующего поверхность пленки кислорода – обязательное условие устойчивой работы сенсора. Таким образом, газовый сенсор на основе SnО2 (SnОх) может реагировать на ряд компонентов (например, СО) только в присутствии кислорода.
Разработки системы и приборов мониторинга окружающей среды с нанохемосорбционными сенсорами ОАО "Авангард" в настоящее время доведены до уровня промышленного продукта (рис.19). Сравнение по основным конкурентным характеристикам этих изделий МСТ, разработанных ОАО "Авангард", с продукцией других фирм приведено в табл.5.
Реализация проекта по освоению серийного производства новых типов приборов и систем безопасности позволит коммерциализировать разработки ОАО "Авангард" и смежных предприятий радиоэлектроники в интересах многих отраслей народного хозяйства.
Литература
1. Moore G. Progress in Digital Integrated Electronics. – IEEE, IDEM, Tech. Digest. 1975.
2. Лазер И. Схемотехника радиоэлектронной аппаратуры. Технологические аспекты. – ЭЛЕКТРОНИКА: НТБ, 2008, №8, с. 102–107.
3. Kilby J.S. Semiconductor solid circuits. Presented at American Roket Society Corp. – 14-th Annual Meeting, Nov. 1959.
4. Варадан В., Виной К., Джозе Л. ВЧ МЭМС и их применение. М. Техносфера, 2004, 528 с.
5. Гуляев Ю.В., Пустовойт В.И. Усиление поверхностных волн в полупроводнике. –ЖЭТФ, 1964, т.46, с.1386.
6. Reindl L. NATO Advanced Study Institute (ASI) "Smart Sensors and MEMS", Portugal, 8. – Sept. 19 2003.
7. Hartmann C.S., Plessky V.P. and Jen S. 112°-LiTaO3 periodic waveguides – Proc. IEEE. — Ultrasonic Symposium, 1995, p.63–66.
8.Новиков В.В. Свидетельство РФ на полезную модель №26277, приоритет от 08.05.2002.
9. Патент № 2387951 РФ. Пьезоэлектрический гироскоп. Калинин В.А., Лукьянов В.Д., Шубарев В.А., Мельников В.А. Приоритет 17.03.2009.
10. Патент №2389000 РФ. Микроакустоэлектромеханический гироскоп и способ его работы. Лукьянов В.Д., Калинин В.А., Шубарев В.А., Мельников В.А. Приоритет 25.03.2009.
11. Патент №2390727 РФ. Гироскоп на поверхностных акустических волнах. Калинин В.А., Лукьянов В.Д., Шубарев В.А., Мельников В.А. Приоритет 17.03.2009.
12. Смирнова И.В., Шилова О.А., Бубнов Ю.З. Исследование параметров слоев, полученных диффузией бора и гадолиния из силикатных и гибридных пленок в кремний – Физика и химия стекла. 2009, т.35, №1, с.127–139.
13. Патент №2189043 РФ. Устройство для измерения концентрации окислительно-восстановительных компонентов в газовой смеси. Бубнов Ю.З., Васильев В.Б., Шубарев В.А. Приоритет 19.04.2000.
Возникшая в последнее время в электронном сообществе дискуссия о перспективах развития электроники содержит некоторый пессимизм вследствие предполагаемого завершения действия закона Мура [1]. Действительно, этот закон, носящий явно эмпирический характер, связан с физическими ограничениями минимальных размеров транзисторов и имеет отношение только к одному виду электронных технологий – микроэлектронике. С точки зрения диалектики мы, скорее всего, находимся на завершении витка диалектической спирали развития этой технологии [2], начавшегося с момента изобретения транзистора [3]. Диалектическая теория предусматривает, что далее должен произойти некий качественный скачок, приводящий к инновационной технологии.
Вместе с тем, в рамках реальных технологий электроники развиваются новые направления – использование ранее известных, но не находивших масштабных применений, физических принципов, таких как магнитоэлектроника, оптоэлектроника, акустоэлектроника, хемотроника, криоэлектроника. Этимология этих терминов говорит о явно пограничных физических явлениях, которые оказались достижимыми, в частности, и на основе успехов микроэлектронной технологии. Объединение результатов исследований в области новых физических явлений (в плане возможности их использования для создания реальной радиоэлектронной аппаратуры) привело к формированию инновационного технологического направления – микросистемотехники (МСТ). Сам термин "микросистемотехника" и определяемое им понятие сегодня нельзя считать окончательно установившимися, поэтому рассмотрим наше понимание термина "микросистемотехника".
Итак, микросистемотехника – это комплексное технологическое направление электроники, использующее первичные чувствительные элементы (ПЧЭ) в микроэлектронном исполнении, позволяющие получать информацию о физических, химических, биологических свойствах среды в электронном виде для последующего направленного управления средой или исполнительными приборами и механизмами.
В диалектическом плане МСТ можно считать новой ветвью развития электроники, которая, с одной стороны, опирается на технологические результаты предыдущих этапов (микроэлектроника, физика пограничных эффектов), а с другой стороны — использует инновационные возможности нанотехнологий. Последнее обстоятельство способствует определенному оптимизму в оценке перспектив развития электроники в пределах современного диалектического витка, основанного на эффекте переноса носителей заряда в твердом теле.
Технологическое направление микросистемотехники предполагает создание и производство изделий микросистемотехники. Под такими изделиями мы понимаем устройства, получаемые совокупностью научно-технических и технологических способов формирования в объеме и (или) на поверхности твердого тела упорядоченной композиции микронных и субмикронных областей с заданными составом, структурой и геометрией. Эти изделия должны реализовывать функции восприятия и преобразования информации из физической (либо химической) формы в электрическую, а также функции хранения, обработки (используя эффекты, отличные от традиционной транзисторной электроники), трансляции информации, энергии и движения, а затем выработки управляющих воздействий в требуемых режимах и условиях эксплуатации.
За истекшие десять лет микросистемотехника преодолела путь от исследовательских лабораторий до широкого внедрения в повседневную практику. Согласно оценкам, мировой объем производства изделий МСТ увеличится с 46 млрд. долл. в 2008 году до 90 млрд. долл. в 2015-м (ежегодные темпы роста до 15%). Следует отметить, что наибольшую долю рынка – 32% – занимают изделия МСТ для систем обеспечения комплексной безопасности.
По состоянию на 2008 год потребность в изделиях МСТ для различных устройств и систем в России и странах СНГ оценивалась в 25 млрд. руб. К 2015 году прогнозируется увеличение этой потребности до 45 млрд. руб. (ежегодные темпы роста 10%). При этом по-прежнему будет преобладать спрос на изделия МСТ для систем комплексной безопасности (доля их составит до 70%).
Известно, что электроника одна из самых динамично развивающихся отраслей промышленности, в которой каждые три–пять лет происходит переоснащение производства. Развитие инновационного направления микросистемотехники неизбежно приведет к очередному технологическому переоснащению отрасли, которое потребует значительных ресурсов для решения следующих задач:
* проектирования изделий МСТ на основе программных и аппаратных средств нового поколения;
* создания наноструктурированных материалов;
* производства изделий МСТ на основе технологического и метрологического оборудования нового поколения;
* формирования и завоевания рынков сбыта систем на основе изделий МСТ.
Стратегия развития направления микросистемотехники реализуется в настоящее время за счет объединения ресурсов Федеральной целевой программы Минпромторга "Развитие электронной компонентной базы и радиоэлектроники на 2008–2015 годы" (ФЦП "ЭКБ и РЭ"), комплексных целевых программ Министерства обороны РФ, программы "Микросистемотехника" (МСТ) Союзного государства Российской Федерации и Республики Беларусь (рис.1). Следует отметить, что в рамках выполнения ФЦП "ЭКБ и РЭ" в период 2008 – первая половина 2010 годов предприятиями радиоэлектронной отрасли страны достигнуты значительные успехи в создании следующих базовых технологий (БТ) и конструкций изделий МСТ и приборов на их основе:
микроэлектромеханических датчиков ускорения и давления, позволяющих реализовать широкий спектр приборов, в том числе для блоков ориентации малых космических аппаратов, УЗ-счетчиков газа;
микросистем анализа магнитных полей, позволяющих реализовать приборы для научных исследований, машиностроения и медицины;
формирования сверхпроводниковых структур туннельного типа для построения современных квантовых эталонов напряжения, приемо-преобразовательных систем субмиллиметрового диапазона длин волн и элементной базы квантовых компьютеров на основе Q-битовой логики;
матриц микрозеркал для модуляции оптического излучения;
микроэлектромеханических переключателей и коммутаторов для комплексной миниатюризации специальной аппаратуры;
полупроводниковых газовых сенсоров на основе композитных и мембранных структур, обеспечивающих создание газовых течеискателей и пороговых газоанализаторов, применяемых в промышленности и ЖКХ (уже освоены в производстве);
твердотельных гироскопов вибрационного типа на основе пьезоэффекта, позволяющих реализовать устройства управления подвижными объектами в экстремальных условиях;
микроакустоэлектромеханических датчиков давления жидких и газообразных сред широкого спектра применений;
параметрического ряда кантилеверов для прецизионных измерений современных атомно-силовых микроскопов.
Актуальная задача современного этапа – развертывание работ по созданию широкой номенклатуры изделий МСТ, приборов и систем на их основе применительно к требованиям конкретных групп потребителей и организация серийного производства продукции для удовлетворения платежеспособного спроса. С целью решения этой задачи, помимо базовых технологий, предприятиям необходимы эффективные системы автоматизированного проектирования (САПР), адаптированные к специфике конструкций изделий МСТ и технологии их производства. Кроме того, требуются комплекты специального технологического и метрологического оснащения и методики контроля параметров изделий МСТ в условиях серийного производства.
Рис.1. Задачи, решаемые комплексными программами в области микросистемотехники
Круг дополнительных проблем, ожидающих решения для широкого внедрения результатов научно-технических разработок базовых технологий и базовых конструкций изделий МСТ в повседневную практику, входит в научно-техническую программу "Микросистемотехника". Эта программа – логическое продолжение ряда Федеральных целевых программ Российской Федерации, а также результат анализа достижений и недостатков, выявленных в процессе выполнения конкретных разработок изделий МСТ, приборов и систем на их основе десятками предприятий России и Белоруссии. Программа предусматривает комплексный подход к решению следующих поставленных задач:
* разработка базовых чувствительных элементов, приборов и систем на основе изделий МСТ;
* создание ключевого технологического и метрологического оснащения;
* формирование базы данных и специализированных подпрограмм САПР для автоматизированного проектирования конструкций и технологий устройств на основе изделий МСТ.
Программа ориентирована на учет реальных потребностей рынка конечной продукции. Она предусматривает обеспечение глубокого технологического переоснащения производства продукции гражданского назначения, формирование технических и экономических условий для внедрения инновационных решений в производство специальной техники и использование потенциала частно-государственного партнерства, создание в качестве пилотного проекта интегрированной производственной структуры – Центра МСТ. Головные исполнители программы – ОАО "Авангард" (Санкт-Петербург) и ГНПО точного машиностроения "Планар" (Минск) (рис.2). Соисполнителями программы выступают ведущие предприятия радиоэлектроники РФ и Белоруссии (ФГУП НИИ ПС, НИТИ Электроприбор, ОАО "НИИ Элпа", ОАО "НИИФИ", ОАО "РНИИ Электронстандарт", ФГУП "НИИФП им. Ф.В.Лукина, "Протон-МИЭТ", ФГУП "НКТБ "Кристалл", ТЦ МИЭТ и др.).
Рис.2. Распределение работ по программе "Микросистемотехника"
Обращает на себя внимание то, что впервые за последние годы предусматривается централизованная разработка специального технологического и метрологического оснащения. Это – оборудование для прецизионной механической обработки и резки подложек для изделий МСТ; специализированное оборудование для проекционного экспонирования при изготовлении акустоэлектронных изделий; автоматизированные системы двух- и трехмерной оптической инспекции структур изделий МСТ в производственных условиях; установки сварки кремниевых, диэлектрических и пьезоэлектрических пластин; ряд другого оснащения. Комплексный подход реализуется и при разработке информационных систем, баз данных и систем автоматизированного проектирования изделий МСТ (рис.3).
В ходе развития работ по программе "Микросистемотехника" за 2010–2013 годы должен быть достигнут мировой уровень и восстановлен паритет с аналогичной продукцией ведущих зарубежных производителей. Предполагается создание МСТ-устройств нового поколения для аппаратуры специального и двойного применения, обеспечение технологической независимости при разработке и производстве стратегически значимых компонентов и систем, создание технологической базы для решения задач оснащения других производств изделий МСТ.
Рис.3. Распределение работ в области САПР по программе "Микросистемотехника"
В качестве первоочередных осваиваемых в производстве изделий МСТ по программе "Микросистемотехника" выбраны микроэлектромеханические системы (МЭМС), акустоэлектронные и хемосорбционные системы. МЭМС-структуры достаточно хорошо проработаны как в теоретическом, так и практическом плане [4], и теперь требуется их широкое внедрение. Для этого в отрасли (в том числе на заводе "Ангстрем" и в МИЭТе) создана производственная база. Что касается акустоэлектронных и хемосорбционных изделий МСТ, то в этом направлении необходимы дополнительные работы по разработке серийной технологии и созданию соответствующих производственных мощностей.
Центр микросистемотехники
Микросистемотехника предъявляет комплекс жестких требований к специальному технологическому оборудованию, оснащению по подготовке технологических сред, обеспечению климатических условий производства и собственно к самим производственным помещениям. Комплексные решения по чистым помещениям, технологическим средам и технологическому оборудованию должны обеспечивать формирование геометрии функциональных слоев с точностью 0,5% и жестче, причем не для конкретного элемента локального изделия, а для групповой заготовки пластин диаметром 100 мм (для акустоэлектронных изделий) или 150 мм (для кремниевых изделий). Например, толщину металлических элементов на поверхности пьезокристаллических изделий МСТ необходимо воспроизводить с точностью ±0,5нм (5Å).
За последние годы в ОАО "Авангард" накоплен значительный опыт в области создания нового поколения изделий микросистемотехники. Освоены процедуры проектирования акустоэлектронных и хемосорбционных изделий, приборов и систем на их основе. Разработаны базовые технологии формирования структуры функциональных слоев таких изделий, получен опыт работы с современными материалами, разработаны методики контроля основных параметров, выявлены предпочтения по техническим и экономическим характеристикам приборов основных групп потребителей. Вместе с тем, макетные и опытные образцы изделий вследствие отсутствия в России соответствующего оборудования и условий производства, изготавливаются в широкой технологической кооперации с ведущими предприятиями Финляндии, Германии, Франции, Кореи, Тайваня, Китая. Дальнейшая ориентация (сегодня безальтернативная) на зарубежную кооперацию не обеспечит достижения требуемых конкурентных характеристик инновационной продукции, разрабатываемой на предприятиях РФ. Поэтому и возникла идея создания Центра микросистемотехники на основе ОАО "Авангард".
В программе "Микросистемотехника" предусмотрено создание Центра МСТ как формы внедрения проводимых разработок. Проект создания Центра микросистемотехники получил поддержку в ходе реализации ФЦП "ЭКБ и РЭ". При рассмотрении промежуточных итогов работ на НТС Минпромторга была подтверждена необходимость создания Центра МСТ для решения федеральных задач в области разработки и широкого внедрения технологий МСТ. Было определено, что только на принципах частно-государственного партнерства можно решить такую важную задачу. При этом определено, что для этих целей привлекаются внебюджетные источники финансирования. Создание Центра МСТ на базе ОАО "Авангард" призвано способствовать получению уникального опыта комплексного решения задачи разработки и внедрения в серийное производство инновационных технологий для удовлетворения спроса отечественных потребителей в современной аппаратуре с возможностью последующего тиражирования эффективных решений на предприятиях радиоэлектронной отрасли.
Рис.4. Виды продукции на основе изделий микросистемотехники
Как известно, ежегодно сотни тысяч людей в мире становятся жертвами техногенных и природных катастроф. Материальный ущерб оценивается в сотни миллиардов долларов. Федеральный закон РФ №384-ФЗ "Технический регламент о безопасности зданий и сооружений" определяет критерии безопасности жилых, производственных и специальных зданий и сооружений, методы обеспечения и контроля этих критериев. Вот почему важнейшие изделия МСТ, планируемые к производству в Центре МСТ, – комплексные системы безопасности жилых, промышленных и специальных зданий и сооружений. Виды и доля изделий МСТ, необходимых для выполнения Федерального закона, представлены на рис.4.
Кроме выпуска продукции собственной разработки предполагается освоить серийное производство изделий МСТ, заказанных смежными предприятиями радиоэлектронного комплекса, и участвовать в НИОКР, направленных на создание новых поколений изделий и инновационных технологий.
Акустоэлектронные изделия МСТ
Российские ученые и специалисты – пионеры в области исследований и разработок изделий на основе объемных и поверхностных акустических волн (ОАВ и ПАВ соответственно). В частности, фундаментальные теоретические исследования были выполнены научными коллективами, возглавляемыми академиками Ю.В.Гуляевым и В.И.Пустовойтом, которые впервые в мире предложили использовать ПАВ для обработки радиосигналов [5]. Открытие Ю.В.Гуляевым нового типа волн, названных "волнами Гуляева-Блюштейна", явилось толчком к исследованию разнообразных волн и мод в пьезоэлектриках, слоистых структурах на границах раздела. Ю.В.Гуляев и В.П.Плесский показали, что периодически неровная поверхность (покрытая, например, системой канавок) может поддерживать сдвиговую поперечную волну даже в случае изотропной подложки, т.е. без наличия пьезоэффекта. Сейчас эти волны называются "сдвиговые поверхностные волны" и широко используются в стабильных высокодобротных резонаторах. Пионерами в прикладных исследованиях ПАВ были сотрудники Санкт-Петербургского государственного университета аэрокосмического приборостроения (Г.К.Ульянов, Ю.Г.Смирнов, С.В.Кулаков и др.). Многие технологические вопросы производства и освоения серийного выпуска изделий на ПАВ решены ОАО "Авангард". Большой вклад в разработку технологий выращивания материалов для акустоэлектроники внесли ученые Института кристаллографии им. А.В.Шубникова (РАН). Многие другие российские предприятия и учреждения также внесли значительный вклад в развитие этого перспективного направления, получившего название "Акустоэлектроника".
Поверхностные акустические волны физически представляют собой упругие колебания атомов или молекул твердого тела (рис.5) в тонком приповерхностном слое пьезоэлектрического материала [6]. Математически эти колебания описываются уравнением движения, которое устанавливает связь между механическими напряжениями (вызванными внешними силами) и соответствующей деформацией среды. Несмотря на разнообразие типов поверхностных акустических волн, наибольшее применение находят классические пьезоактивные рэлеевские волны. Прямой и обратный пьезоэффекты свойственны ряду природных и искусственных материалов, таких как кристаллический кварц, ниобат лития, танталат лития, пленки оксида цинка и нитрида алюминия. Все эти материалы обладают рядом специфических свойств и характеристик, принципиальных для возбуждения на них ПАВ.
Кроме названных материалов в перспективе рассматривается возможность применения синтетического пьезоэлектрика – лангасита. Этот материал не имеет фазовых переходов и остается пьезоэлектриком вплоть до температур свыше 1000°С (хотя при высоких температурах заметно возрастает затухание ПАВ). Лангасит планируется использовать при производстве пассивного датчика температуры, работающего в диапазоне -196…650°С. Разработка этого датчика должна завершиться к 2012 году в ходе реализации Седьмой рамочной программы научных исследований и технологического развития ЕС с участием ОАО "Авангард" – Saw based passive RFID and sensor system with low radiation (Пассивные радиочастотные идентификационные и сенсорные системы с малым уровнем излучения на основе ПАВ).
Одной из актуальнейших задач МСТ является создание новых чувствительных элементов, в том числе акустоэлектронных, для производства на их основе различных пассивных датчиков физических величин, опрашиваемых по радиоканалу, а также производства систем радиочастотной идентификации на основе пассивных ПАВ меток. Особо следует отметить задачу производства пассивных ПЧ и ВЧ-фильтров на ПАВ со сверхмалыми потерями и высокой температурной стабильностью [7].
Рис.5. Возбуждение и распространение пакетов ПАВ в пьезоэлектрике, наблюдаемые с помощью электронного микроскопа
Для удовлетворения современных требований к акустоэлектронным датчикам и системам на их основе, в том числе для дистанционного измерения параметров, необходимо освоить область сверхвысоких частот (2–3 ГГц и выше). Решение этой задачи серьезно ограничено технологическими возможностями: сегодня устройства с воспроизводимыми характеристиками изготавливаются на пределе возможностей оптической фотолитографии. Дальнейшее повышение рабочих частот связано с освоением дорогостоящих субмикронных и нанотехнологий, а также соответствующего оборудования.
Освоенные технологические процессы производства ПАВ-компонентов основаны на использовании подложек пьезоэлектрических материалов различной толщины (0,35 мм, 0,5 мм, 1,0 мм и 2,0 мм) с напылением на них электродов из ванадия, титана, золота или алюминия высотой 10–300 нм с точностью до 5 нм. Основные технологические этапы производства ПАВ-приборов и систем на их основе включают:
* изготовление чувствительных элементов на ПАВ путем нанесения наноразмерных пленок и формирования наноразмерных структур на подложках из ниобата лития, танталата лития, лангасита и пьезокварца методом фотолитографии, контроль электрических параметров;
* корпусирование чувствительных элементов ПАВ-датчиков, ПАВ-меток, сборка меток с антенной;
* автоматизированную сборку плат устройств считывания (ридеров) и компонентов на линии поверхностного монтажа, визуальный и рентгенографический контроль;
* корпусирование, программирование и тестирование ридеров для систем контроля давления, напряженно-деформированного состояния зданий и сооружений, а также систем радиочастотной идентификации;
* интеграцию систем для конкретного потребителя, испытания и контроль качества.
В рамках ФЦП "ЭКБ и РЭ" и программ МО выполнен ряд ОКР по проектированию и производству ПАВ-компонентов, работающих в диапазоне частот от 25 МГц до 2,5 ГГц. Разработаны технологические процессы массового производства групповым методом ПАВ-компонентов, в том числе ПАВ-фильтров и резонаторов, линий задержки на частоту до 1 ГГц и дисперсионных акустических линий задержки, созданы опытные образцы ПАВ-меток и ПАВ-сенсоров для пассивных датчиков давления и деформации. Главным конкурентным преимуществом пассивных датчиков на ПАВ, по сравнению с аналогичными изделиями на основе иных физических принципов, является возможность их использования в беспроводных системах мониторинга состояния объектов и в системах радиочастотной идентификации. Разработки ОАО "Авангард" в области акустонаноэлектроники полностью соответствуют современным тенденциям.
ПАВ-метки. При реализации изделия МСТ в виде ПАВ-метки полезная информация о состоянии ПАВ-компонента (а следовательно, и наблюдаемого объекта) считывается в режиме реального времени с минимальными временными затратами. При этом оператор или пользователь может находиться на расстоянии от контролируемого объекта. Возможность приема переотраженного ПАВ-компонентом (резонатором или линией задержки) радиосигнала без использования механических и электрических соединений на расстоянии более 5 м – основная особенность ПАВ-технологии. К тому же конструктивные и технологические решения, предлагаемые ПАВ-технологией, позволяют проводить мониторинг состояния объектов и их идентификацию в экстремальных условиях, например при повышенной радиации или в реактивных средах. К другим конкурентным преимуществам пассивных ПАВ-меток относятся: малая излучаемая мощность ридера – менее 10 мВт; температурная стабильность кода метки – до 400°С; возможность контроля температуры, давления и других физических параметров.
Рис.7. Радиоканальный метод считывания резонансной частоты ПАВ-резонатора
Принцип работы ПАВ-меток основан на том, что корпусированный и установленный на пластину с антенной ПАВ-компонент облучается коротким высокочастотным радиосигналом в диапазоне 2,45 ГГц. Отклик метки, содержащий кодовую последовательность, переизлучается ее антенной и поступает на вход ридера (рис.6).
ПАВ-датчики давления и деформации. Принцип работы пассивного датчика этого типа основан на изменении под действием деформации резонансной частоты ПАВ-резонатора, в структуру которого входят элементы, формируемые с помощью нанотехнологии (рис.7). На рис.8 приведены фотографии опытных образцов первичного чувствительного элемента на ПАВ (ПАВ-резонатора) и трансформатора механических напряжений для датчиков давления и деформации. Основными конкурентными характеристиками пассивных ПАВ-датчиков давления и деформации являются:
* расстояние бесконтактного считывания более 1 м;
* излучаемая мощность ридера 10 мВт;
* диапазон рабочих температур – -60…150°С;
* возможность заливки пассивных датчиков в бетонные конструкции и опроса по радиоканалу.
На предприятии создана и запатентована [8] новая пригодная для поверхностного монтажа бескорпусная конструкция для герметизации методом Flip Chip (непосредственного монтажа на плату перевернутого кристалла с жесткими выводами на лицевой стороне в виде шариков или столбиков) чувствительных элементов изделий на ПАВ, в том числе датчиков физических величин (рис.9).
Рис.8. Первичный ЧЭ (а); трансформатор механических напряжений датчиков давления и деформации (б)
Рис.9. Бескорпусная конструкция ЧЭ на ПАВ, герметизируемого по технологии Flip Chip
ПАВ-фильтры. Особо следует отметить задачу производства пассивных ПЧ- и ВЧ-фильтров на ПАВ со сверхмалыми потерями и высокой температурной стабильностью. Их основными конкурентными преимуществами по сравнению с фильтрами на дискретных элементах, (LC- или RC-типа) являются:
* линейная выходная фазовая характеристика в широком диапазоне частот;
* высокая прямоугольность АЧХ (коэффициент прямоугольности, приближающийся к единице);
* максимально достижимое внеполосное подавление;
* возможность реализации различных АЧХ и ФЧХ при высокой точности обеспечения заданных параметров;
* высокая стабильность параметров и отсутствие необходимости сложной настройки, так как центральная частота и форма частотной характеристики фильтра определяются топологией;
* технологичность изготовления, возможность применения стандартных технологических процессов микроэлектроники;
* существенно меньшие масса и габаритные размеры.
Минимизировать потери акустической энергии в ПАВ-фильтрах можно за счет применения элементов нанотехнологии, позволяющей получить заданную разновысотность элементов встречно-штыревых преобразователей (ВШП).
Рис.10. Амплитудно-частотная характеристика резонансного ПАВ-фильтра
В ОАО "Авангард" освоена разработка резонансных фильтров с предельно минимальными потерями 1–1,5 дБ и подавлением вне полосы 50–60 дБ. Амплитудно-частотная характеристика такого фильтра представлена на рис.10.
Рис.11. АЧХ ДАЛЗ
В ОАО "Авангард" освоена разработка резонансных фильтров с предельно минимальными потерями 1–1,5 дБ и подавлением вне полосы 50–60 дБ. Амплитудно-частотная характеристика такого фильтра представлена на рис.10.
Дисперсионные акустоэлектронные линии задержки (ДАЛЗ) сегодня обеспечивают наиболее эффективный метод решения задачи улучшения разрешающей способности РЛС, в частности по дальности. С этими широкополосными ПАВ-приборами, которые давно зарекомендовали себя на рынке радиолокационных систем, не могут конкурировать устройства цифровой обработки сигнала. В ОАО "Авангард" предполагается сосредоточить внимание на освоении высокопрецизионной технологии производства ДАЛЗ с высоким коэффициентом сжатия ЛЧМ-сигнала, что позволит улучшить разрешающую способность РЛС по дальности, а также повысить центральную частоту и увеличить полосу частот. Тем не менее, потери энергии сигналов в ДАЛЗ значительны и их необходимо минимизировать. Для снижения потерь в ДАЛЗ предполагается использовать широкополосные однонаправленные ВШП. Методы нанотехнологий позволяют существенно улучшить однонаправленность ВШП. На рис.11 представлена амплитудно-частотная характеристика ДАЛЗ с уникальными параметрами: широкой полосой ЛЧМ-сигнала (500 МГц), низкими потерями (32–35 дБ) и малой неравномерностью АЧХ (3–4 дБ) в полосе пропускания. Такие параметры обеспечивают высокие помехоустойчивость и разрешающую способность РЛС. Для этой дисперсионной системы предельно достижимый коэффициент сжатия (произведение ширины полосы частот на длительность ЛЧМ сигнала) может быть равен 700.
Теоретический и научно-практический задел ОАО "Авангард" позволил к настоящему времени завершить разработки товарной продукции акустоэлектронных изделий МСТ для приемников глобальных навигационных спутниковых систем ГЛОНАСС, GPS, Galileo, Compass, аппаратуры позиционирования и мониторинга различных объектов гражданского и специального назначения (рис.12). Сравнение по основным конкурентным характеристикам полосовых фильтров на ПАВ, разработанных ОАО "Авангард", с продукцией других фирм приведено в табл.1.
Системы РЧИД на основе пассивных ПАВ-меток (рис.13) позволяют обеспечивать физическую, техногенную и экологическую безопасность. Сравнение по основным конкурентным характеристикам этих изделий МСТ, разработанных ОАО "Авангард", с продукцией других фирм приведено в табл.2.
Системы бесконтактного контроля давления не агрессивных жидкостей и газов на основе пассивных резонансных датчиков на ПАВ позволяют обеспечивать физическую, техногенную и экологическую безопасность (рис.14). Этими изделиями МСТ комплектуются системы водоснабжения, теплоснабжения, отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха жилых и промышленных зданий. Сравнение по основным конкурентным характеристикам этих изделий МСТ, разработанных ОАО "Авангард", с продукцией других фирм приведено в табл.3.
Система контроля напряженно-деформированного состояния зданий и сооружений на основе пассивных датчиков деформации на ПАВ позволяет обеспечивать конструкционную безопасность зданий и сооружений, трубопроводов, шахт, тоннелей, плотин (рис.15). Сравнение по основным конкурентным характеристикам этих изделий МСТ, разработанных ОАО "Авангард", с продукцией других фирм приведено в табл.4.
Часть технических решений, использованных в разработках акустоэлектронных изделий МСТ, защищена патентами РФ [9,10,11].
Хемосорбционные изделия МСТ
Высокая насыщенность промышленных и жилищно-коммунальных объектов техническими средствами, использующими и выделяющими различные, в том числе вредные, газы (СО, NH3, СН4, NOx, CО2), приводит к частому возникновению критических ситуаций, сопровождающихся выбросом смесей токсичных и горючих газов. Особенно актуальными становятся проблемы безопасности населения, связанные с катастрофами, происходящими из-за неконтролируемых утечек природного газа и угарного газа, выделяющегося при любых процессах сгорания материалов и веществ.
Разрабатываемые химические наноэлектронные сенсоры не нуждаются в непрерывном обслуживании, неприхотливы в эксплуатации, значительно дешевле своих импортных аналогов, малоразмерны и позволяют создавать как переносные газоанализаторы, так и разветвленные автоматизированные системы мониторинга обширных территорий и помещений, управляемые центральным компьютером с анализом ситуаций в реальном времени.
Производство полупроводниковых газовых сенсоров для бытовых газосигнализаторов и систем контроля загазованности включает следующие основные технологические этапы:
электронно-лучевое напыление на кремниевые пластины с ориентацией (100) наноразмерных слоев двуокиси олова для формирования газочувствительных элементов сенсоров;
создание газочувствительного резистора методом "взрывной" фотолитографии в слоях двуокиси олова и нанесение их наноструктурированных каталитических покрытий;
формирование нанокомпозитных мембранных структур на основе р+-стоп слоев с применением оригинальной золь-гель технологии;
сборка газовых сенсоров, бытовых и промышленных газосигнализаторов, систем контроля загазованности, контроля качества изделий.
Полупроводниковый газовый сенсор разработки ОАО "Авангард" состоит из следующих слоев (рис.16):
монокристаллического кремния n-типа (конструкционная основа кристалла);
слоя SiO2, получаемого методом термического окисления;
элемента нагрева сенсора Si*, выполненного из поликристаллического кремния, легированного фосфором из растворных пленок;
трехслойного диэлектрика SiO2-Si3N4-Ta2O5, который отделяет нагревательный элемент от газочувствительного элемента;
газочувствительного элемента на основе наноструктурированных стекловидных пленок SnO2, легированных стабилизирующими примесями сурьмы и гадолиния;
подслоя Cr, служащего омическим контактом к Si* и SnО2;
слоя платины, обеспечивающего приварку золотой проволоки к выходным контактным площадкам сенсора. Сенсор имеет мембранную структуру, что позволяет снизить его потребляемую мощность и повысить быстродействие.
Газочувствительный резистивный слой SnO2 формируют наноструктурированные слои, металлооксидная пленка SnO2 и каталитический примесный слой, предназначенный для активации хемосорбционного процесса взаимодействия тестируемого газа с газочувствительным резистивным слоем SnO2. При создании чувствительного элемента в ОАО "Авангард" впервые был применен метод электронно-лучевого распыления порошка двуокиси олова, который позволил получить более плотную и мелкозернистую, по сравнению с другими методами, структуру слоя SnO2 с размером зерен 30–50 нм (рис.17). Стабилизирующие примеси сурьмы и гадолиния вводятся в слой SnO2 из наноструктурированных стекловидных пленок, сформированных золь-гель технологией.
Наноразмерные стекловидные пленки содержат и широкий ряд каталитических примесей (Pt,Pd,V,Mo,Co и др.), формирующих каталитический слой толщиной 47 нм. Нанокатализатор (мелкие темные вкрапления PtO размером 1–3 нм) статистически равномерно распределен по всей пленке (рис.18). Высокопрецизионные электронно-зондовые исследования подтвердили эффективность золь-гель-методов при формировании нанокомпозиционных каталитических материалов.
Введение гадолиния с размером частиц 100 нм позволяет уменьшить деформацию кристаллической решетки кремния и тем самым повысить механическую прочность мембраны [12, 13].
Принцип действия металлооксидного газового сенсора основан на хемосорбционном взаимодействии тестируемых газов с поверхностью (или объемом) полупроводникового слоя (в нашем случае SnО2 n-типа), приводящего к увеличению (в случае газов восстановительного типа) или уменьшению (в случае газов окислительного типа) концентрации электронов в его зоне проводимости.
При изменении концентрации газа в воздухе основным активизирующим пленку SnО2 веществом является кислород. Наличие сенсибилизирующего поверхность пленки кислорода – обязательное условие устойчивой работы сенсора. Таким образом, газовый сенсор на основе SnО2 (SnОх) может реагировать на ряд компонентов (например, СО) только в присутствии кислорода.
Разработки системы и приборов мониторинга окружающей среды с нанохемосорбционными сенсорами ОАО "Авангард" в настоящее время доведены до уровня промышленного продукта (рис.19). Сравнение по основным конкурентным характеристикам этих изделий МСТ, разработанных ОАО "Авангард", с продукцией других фирм приведено в табл.5.
Реализация проекта по освоению серийного производства новых типов приборов и систем безопасности позволит коммерциализировать разработки ОАО "Авангард" и смежных предприятий радиоэлектроники в интересах многих отраслей народного хозяйства.
Литература
1. Moore G. Progress in Digital Integrated Electronics. – IEEE, IDEM, Tech. Digest. 1975.
2. Лазер И. Схемотехника радиоэлектронной аппаратуры. Технологические аспекты. – ЭЛЕКТРОНИКА: НТБ, 2008, №8, с. 102–107.
3. Kilby J.S. Semiconductor solid circuits. Presented at American Roket Society Corp. – 14-th Annual Meeting, Nov. 1959.
4. Варадан В., Виной К., Джозе Л. ВЧ МЭМС и их применение. М. Техносфера, 2004, 528 с.
5. Гуляев Ю.В., Пустовойт В.И. Усиление поверхностных волн в полупроводнике. –ЖЭТФ, 1964, т.46, с.1386.
6. Reindl L. NATO Advanced Study Institute (ASI) "Smart Sensors and MEMS", Portugal, 8. – Sept. 19 2003.
7. Hartmann C.S., Plessky V.P. and Jen S. 112°-LiTaO3 periodic waveguides – Proc. IEEE. — Ultrasonic Symposium, 1995, p.63–66.
8.Новиков В.В. Свидетельство РФ на полезную модель №26277, приоритет от 08.05.2002.
9. Патент № 2387951 РФ. Пьезоэлектрический гироскоп. Калинин В.А., Лукьянов В.Д., Шубарев В.А., Мельников В.А. Приоритет 17.03.2009.
10. Патент №2389000 РФ. Микроакустоэлектромеханический гироскоп и способ его работы. Лукьянов В.Д., Калинин В.А., Шубарев В.А., Мельников В.А. Приоритет 25.03.2009.
11. Патент №2390727 РФ. Гироскоп на поверхностных акустических волнах. Калинин В.А., Лукьянов В.Д., Шубарев В.А., Мельников В.А. Приоритет 17.03.2009.
12. Смирнова И.В., Шилова О.А., Бубнов Ю.З. Исследование параметров слоев, полученных диффузией бора и гадолиния из силикатных и гибридных пленок в кремний – Физика и химия стекла. 2009, т.35, №1, с.127–139.
13. Патент №2189043 РФ. Устройство для измерения концентрации окислительно-восстановительных компонентов в газовой смеси. Бубнов Ю.З., Васильев В.Б., Шубарев В.А. Приоритет 19.04.2000.
Отзывы читателей
