ТУННЕЛЬНЫЙ НАНОДАТЧИК МЕХАНИЧЕСКИХ КОЛЕБАНИЙ И СПОСОБ ЕГО ИЗГОТОВЛЕНИЯ Российский патент 2003 года по МПК G01P15/00 G01N29/00 G12B21/00 

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике и может быть использовано для измерения физико-механических параметров среды и для неразрушающего контроля диагностируемых объектов.

Известен туннельный нанодатчик механических колебаний, который содержит выполненный в виде гибкого контилевера чувствительный элемент, жестко закрепленный с одного края, игольчатый зонд, с которого происходит туннелирование электронов, перфорированный противоэлектрод, предназначенный для электростатического управления чувствительным элементом, и фиксированный электрод. Электроды, между которыми происходит туннелирование электронов, покрыты слоем благородного металла, например золотом. Принцип действия туннельного нанодатчика основан на измерении туннельного тока, протекающего в зазоре между электродом чувствительного элемента и фиксированным электродом, зависящего от величины зазора (W.C. Young, Roark's Formulas for Stress and Strain, New York: Mc Graw-Hill, 1989).

Недостатком известного туннельного нанодатчика механических колебаний является недостаточная вибро- и ударопрочность и высокий уровень собственных шумов, что не позволяет провести достоверное измерение физико-механических характеристик зондируемого объекта.

Известен туннельный нанодатчик механических колебаний, который содержит чувствительный элемент, выполненный в виде зонда, покрытого слоем благородного металла, над которым на расстоянии от долей нанометра до долей микрона расположена гофрированная мембрана, покрытая слоем благородного металла со стороны зонда, подключенным к источнику входного напряжения. Кроме того, туннельный нанодатчик содержит устройство управления зазором между зондом и мембраной, включающее отклоняющий электрод, выполненный из слоя благородного металла, осажденного вокруг зонда, усилитель туннельного тока, включенный между слоем благородного металла, нанесенного на зонд, и первым входом аналого-цифрового преобразователя (АЦП) (Kenny T.W. at al. Wide - Bandwidth Electromechanical Actuators for Tunneling Displacement Transducers. Journal of Micromechanical Systems, vol.3, N3, 1994, р.99).

Вышеописанный туннельный нанодатчик механических колебаний по решаемой задаче и общности структурных признаков наиболее близок к изобретению и выбран в качестве прототипа.

Однако известный туннельный нанодатчик механических колебаний не обеспечивает необходимой сверхвысокой чувствительности и постоянства коэффициента передачи в широком диапазоне энергий акустических колебаний, что не позволяет прослушивать как собственные шумы диагностируемого объекта, так и шумы, инициированные внешним воздействием, при этом система не адаптивна как к уровню, так и к спектру входного акустического сигнала.

Известен способ изготовления туннельного нанодатчика механических колебаний, основанный на использовании методов планарной полупроводниковой технологии, который включает изготовление и формирование слоев металлизации зонда и мембраны чувствительного элемента, формирование изоляционного слоя и формирование слоя металлизации отклоняющего электрода.

Согласно известному способу зонд и мембрану чувствительного элемента изготавливают на двух раздельных кремневых подложках, а устройство управления зазором между зондом и мембраной, усилитель туннельного тока и АЦП изготавливают на отдельной керамической подложке (Kenny T.W. at al. Wide - Bandwidth Electromechanical Actuators for Tunneling Displacement Transducers. Journal of Micromechanical Systems, vol.3, N3, 1994, р.99).

Известный способ изготовления туннельного нанодатчика механических колебаний по решаемой задаче и общности признаков наиболее близок к изобретению и выбран в качестве прототипа.

Однако известный способ не позволяет обеспечить высокую точность и воспроизводимость конструктивно-функциональных параметров туннельных нанодатчиков и экономически малоэффективен.

Техническим результатом изобретения является создание туннельного нанодатчика механических колебаний, позволяющего обеспечить повышение чувствительности и снижение уровня собственных шумов при измерении физико-механических параметров диагностируемых объектов, увеличить на порядок динамический диапазон при ультразвуковом исследовании человека и снизить уровень излучения до безопасных значений, обеспечить адаптивность, создаваемой на его основе системы диагностики, как к уровню, так и к спектру входного акустического сигнала или к величине ускорения, поступающего с диагностируемого объекта, а также обеспечить возможность выявления микроструктурных нарушений в любых (энергетика, машиностроение, строительство) диагностируемых объектах.

Способ изготовления туннельных нанодатчиков согласно изобретению позволяет обеспечить высокую точность и воспроизводимость их конструктивно-функциональных параметров, а также обеспечить высокие экономические показатели производства.

Сущность изобретения заключается в том, что туннельный нанодатчик механических колебаний относится к микросистемам, так как в одном объеме объединены функциональные устройства с минимальными размерами всех компонентов. В туннельный нанодатчик механических колебаний, содержащий чувствительный элемент, выполненный в виде зонда, покрытого слоем благородного металла, над которым с зазором, величина которого может изменяться от долей нанометра до долей микрона, расположена гофрированная мембрана, покрытая со стороны зонда слоем благородного металла, подключенным к источнику входного напряжения, устройство управления зазором между зондом и мембраной, включающее отклоняющий электрод, выполненный из слоя благородного металла, осажденного вокруг зонда, усилитель туннельного тока, включенный между слоем благородного металла, нанесенного на зонд, и первым входом АЦП, введено устройство измерения величины электрической емкости, входы которого подключены к отклоняющему электроду и к слою благородного металла, нанесенного на мембрану, а выход подключен ко второму входу АЦП. В устройство управления зазором между зондом и мембраной введено устройство ограничения величины туннельного тока, вход которого подключен к слою благородного металла, нанесенного на зонд, а выход соединен с отклоняющим электродом. По всей поверхности мембраны и покрывающего ее слоя благородного металла выполнены сквозные отверстия.

Чувствительный элемент, устройство управления зазором между зондом и мембраной, усилитель туннельного тока, устройство измерения величины электрической емкости и АЦП выполнены в виде монолитной интегральной схемы, причем зонд чувствительного элемента выполнен из монокристаллического кремния в объеме подложки, а мембрана чувствительного элемента и компоненты устройства управления зазором между зондом и мембраной, усилителя туннельного тока, устройства измерения величины электрической емкости и АЦП выполнены из поликристаллического кремния.

Сущность изобретения заключается также в том, что способ изготовления туннельного нанодатчика механических колебаний, основанный на использовании методов планарной полупроводниковой технологии и включающий изготовление зонда и мембраны чувствительного элемента и формирование слоев их металлизации, формирование изоляционного слоя и формирование слоя металлизации отклоняющего электрода, осуществляется следующим образом:
В монолите монокристаллической кремневой подложки формируют зонд и углубления под гофры мембраны чувствительного элемента, для чего газофазным методом осаждают масочный слой нитрида кремния, проводят фотолитографию с последующим сухим травлением, формируя рисунок зонда и углублений под гофры мембраны, проводят реактивно-ионное травление подлежащих удалению участков масочного слоя нитрида кремния, проводят последовательно изотропное плазмохимическое травление, анизотропное реактивно-ионное травление и локальное термическое окисление, после чего химически стравливают маску из нитрида кремния, а также слой двуокиси кремния.

Формируют изоляционный слой и слои металлизации зонда и отклоняющего электрода, для чего термически окисляют кремневую подложку и газофазным методом осаждают слой нитрида кремния, проводят вакуумное осаждение благородного металла, проводят фотолитографию с последующим сухим травлением, формируя рисунок металлизации зонда и отклоняющего электрода, проводят реактивно-ионное травление слоя благородного металла, после чего плазмохимически удаляют масочный слой из фоторезиста.

Формируют зазорообразующий слой, для чего газофазным методом осаждают слой легкоплавкого борофосфоросиликатного стекла и планаризуют его методом оплавления, проводят фотолитографию, формируя рисунок зазорообразующего слоя, и реактивно-ионное травление слоя борофосфоросиликатного стекла, после чего осаждают газофазным методом тугоплавкий слой двуокиси кремния.

Формируют слой металлизации мембраны, для чего проводят вакуумное осаждение благородного металла и фотолитографию, формируя рисунок металлизации, проводят реактивно-ионное травление слоя благородного металла, после чего плазмохимически удаляют масочный слой из фоторезиста.

Формируют мембрану и элементы ("затворы") электронных устройств туннельного нанодатчика механических колебаний, для чего газофазным методом осаждают слой поликристаллического кремния и проводят фотолитографию, формируя рисунок мембраны и отверстий в ней, а также рисунки элементов электронных устройств туннельного нанодатчика механических колебаний, проводят реактивно-ионное травление слоя поликристаллического кремния и слоя металлизации мембраны и плазмохимически удаляют масочный слой фоторезиста, после чего проводят селективное химическое травление зазорообразующего слоя борофосфоросиликатного стекла и слоя двуокиси кремния через отверстия в мембране с последующей промывкой подложки в проточной деионизированной воде.

На фиг.1 изображена функционально-структурная схема туннельного нанодатчика механических колебаний.

На фиг.2 изображено схаматическое выполнение туннельного нанодатчика механических колебаний, поясняющее способ его изготовления, причем для наглядности размеры элементов туннельного нанодатчика показаны условно.

На фиг.1 обозначены: монокристаллическая кремневая подложка 1, чувствительный элемент 2, зонд 3 чувствительного элемента, слой 4 благородного металла, нанесенный на зонд 3, мембрана 5 чувствительного элемента, слой 6 благородного металла, нанесенный на мембрану 5, устройство 7 управления зазором между зондом 3 и мембраной 5, отклоняющий электрод 8, усилитель 9 туннельного тока, аналого-цифровой преобразователь (АЦП) 10, устройство 11 измерения величины электрической емкости, устройство 12 ограничения величины туннельного тока, сквозные отверстия 13, выполненные по всей поверхности мембраны 5 и покрывающего ее слоя 6 благородного металла.

На фиг. 2 обозначены: монокристаллическая кремневая подложка 1, зонд 3 чувствительного элемента, выполненный из монокристаллического кремния, слой 4 благородного металла, нанесенный на зонд 3, мембрана 5 чувствительного элемента, выполненная из поликристаллического кремния, слой 6 благородного металла, нанесенный на мембрану 5, отклоняющий электрод 8, сквозные отверстия 13, выполненные по всей поверхности мембраны 5 и покрывающего ее слоя 6 благородного металла, гофры 14 на мембране 5, элементы 15 компонентов электронных устройств туннельного нанодатчика механических колебаний, выполненные из поликристаллического кремния, зазор 16.

Туннельный нанодатчик механических колебаний (фиг.1 и 2) выполнен в виде монолитной интегральной схемы. Зонд 3 чувствительного элемента 2 выполнен из монокристаллического кремния в объеме подложки 1 и покрыт слоем 4 благородного металла, например золота. Мембрана 5 чувствительного элемента 2 выполнена из поликристаллического кремния, покрыта слоем 6 благородного металла, например золота, и расположена над зондом 3 чувствительного элемента 2. По всей поверхности мембраны 5 и в слое 6 золота выполнены сквозные отверстия 13, а по краям мембраны 5 выполнены гофры 14. Между зондом 3 со слоем 4 золота и мембраной 5 со слоем 6 золота имеется зазор 16, размер которого может изменяться от долей нанометра до долей микрона.

Вокруг зонда 3 расположен отклоняющий электрод 8, выполненный из благородного металла, например золота.

Слой 6 золота, нанесенный на мембрану 5, подключен к источнику входного напряжения, а слой 4 золота, нанесенный на зонд 3, соединен с входом усилителя 9 туннельного тока и с входом устройства 12 ограничения величины туннельного тока, входящего в устройство 7 управления зазором 16 между зондом 3 и мембраной 5. Выход устройства 12 ограничения величины туннельного тока подключен к отклоняющему электроду 8, входящему в устройство 7 управления зазором 16.

Входы устройства 11 измерения величины электрической емкости подключены к отклоняющему электроду 8 и к слою 6 золота, нанесенного на мембрану 5. Выходы усилителя 9 туннельного тока и устройства 11 измерения величины электрической емкости соединены соответственно с первым и со вторым входами АЦП 10, выход которого является выходом туннельного нанодатчика механических колебаний.

Туннельный нанодатчик механических колебаний работает следующим образом.

В исходном состоянии после подачи питания напряжение на отклоняющем электроде 8 устройства 7 управления зазором между зондом 3 и мембраной 5 равно нулю, в результате чего зазор 16 между слоями металлизации 4 и 6 зонда 3 и мембраны 5 чувствительного элемента 2 достаточно велик для того, чтобы мог протекать туннельный ток. При отсутствии туннельного тока устройство 11 измерения величины электрической емкости измеряет текущее значение электрической емкости между слоем 6 металлизации мембраны 5 и отклоняющим электродом 8, которое промодулировано вследствие воздействия механических колебаний на мембрану 5. Сигнал с выхода устройства 11 поступает на второй вход АЦП 10, цифровой код с выхода которого поступает для обработки и регистрации во внешнее устройство.

Устройство 7 управления зазором между зондом 3 и мембраной 5 начинает подавать на отклоняющий электрод 8 плавно нарастающий потенциал, в результате чего возникает сила кулоновского притяжения, которая приближает мембрану 5 к зонду 3. При достаточно малом зазоре 16 возникает и начинает увеличиваться туннельный ток. Когда туннельный ток достигнет определенной, наперед заданной величины, нарастание напряжения на отклоняющем электроде 8 прекращается, среднее значение величина туннельного тока стабилизируется и тракт измерения туннельного тока нанодатчика готов к работе.

Под воздействием внешних механических колебаний мембрана 5 изменяет свое положение относительно зонда 3, в результате чего происходит модуляция величины туннельного тока. Усиленное усилителем 9 туннельного тока текущее значение тока поступает на первый вход АЦП 10, цифровой код с выхода которого поступает во внешнее устройство.

При наличии туннельного тока тракт измерения туннельного тока является более информативным, чем тракт измерения электрической емкости.

При большой амплитуде внешних механических колебаний происходит резкое увеличение туннельного тока. Как только значение туннельного тока превысит определенную, наперед заданную величину, устройство 12 ограничения величины туннельного тока снимает управляющее напряжение с отклоняющего электрода 8, в результате чего зазор 16 резко увеличивается и туннельный ток прекращается.

Изготовление туннельного нанодатчика механических колебаний осуществляется последовательным выполнением нижеследующих операций.

В монолите монокристаллической кремневой подложки 1 формируют зонд 3 и углубления под гофры 14 мембраны 5 чувствительного элемента 2, для чего на подложку 1 газофазным методом осаждают масочный слой нитрида кремния (Si₃N₄) толщиной около 200 нм. На слое нитрида кремния проводят фотолитографию с последующим сухим травлением, формируя рисунок зонда 3 и углублений под гофры 14 мембраны 5, и проводят реактивно-ионное травление подлежащих удалению участков масочного слоя нитрида кремния.

Проводят последовательно изотропное плазмохимическое травление монокремниевой подложки 1 на глубину травления h_тр=200 нм, анизотропное реактивно-ионное травление на глубину травления h_тр=500 нм и локальное термическое (например, пирогенное) окисление. Это позволяет осуществить формирование иглы 3 заданной формы и размеров. Затем химически стравливают маску из нитрида кремния ортофосфорной кислотой (Н₃РO₄) при температуре около 160^oС, а также слой двуокиси кремния в растворе плавиковой кислоты (HF).

Формируют изоляционный слой и слои металлизации зонда 3 и отклоняющего электрода 8, для чего термически окисляют кремневую подложку при температуре около 950^oС, газофазным методом осаждают слой нитрида кремния и проводят вакуумное осаждение благородного металла.

Так как наиболее эффективное туннелирование электронов между слоями 4 и 6, нанесенными соответственно на зонд 3 и мембрану 5, обеспечивается выполнением слоев 4 и 6 из золота (Аu), то требуется проведение трехслойной металлизации: сначала для улучшения адгезии на поверхность кремния осаждается слой титана (Ti), а затем последовательно слои платины (Pt) и золота, при этом платина предотвращает диффузию атомов кремния и титана в золото.

На металлизированном слое золота проводят фотолитографию с последующим сухим травлением, формируя рисунок металлизации зонда 3 и отклоняющего электрода 8, проводят реактивно-ионное травление слоев осажденных металлов, после чего плазмохимически удаляют маску из фоторезиста.

Формируют зазорообразующий слой, для чего газофазным методом осаждают слой легкоплавкого борофосфоросиликатного стекла толщиной до 1 мкм и планаризуют его методом оплавления при температуре около 850^oС, проводят фотолитографию, формируя рисунок зазорообразующего слоя, проводят реактивно-ионное травление слоя борофосфоросиликатного стекла и газофазным методом осаждают тугоплавкий слой двуокиси кремния (SiO₂) толщиной до 200 нм.

Формируют слой металлизации мембраны 5, для чего проводят последовательно вакуумное осаждение титана, платины и золота, а затем фотолитографию, формируя рисунок металлизации. Проводят реактивно-ионное травление слоев металлизации (Ti-Pt-Au), после чего плазмохимически удаляют масочный слой фоторезиста.

Формируют мембрану 5 и элементы 15 компонентов электронных устройств туннельного нанодатчика механических колебаний, для чего газофазным методом осаждают слой поликристаллического кремния толщиной 0,5-1 мкм и проводят фотолитографию, формируя рисунок мембраны 5 и отверстий 13, а также рисунки элементов 15 компонентов электронных устройств туннельного нанодатчика механических колебаний.

Проводят реактивно-ионное травление слоя поликристаллического кремния и слоев металлизации (Ti-Pt-Au) мембраны 5, после чего для освобождения мембраны 5 проводят селективное химическое травление зазорообразующего слоя борофосфоросиликатного стекла и слоя двуокиси кремния через отверстия 13 в мембране 5 с последующей промывкой подложки в проточной деионизированной воде с контролем удельного сопротивления воды.

Туннельный нанодатчик механических колебаний обладает сверхвысокой чувствительностью от 10⁵ до 10⁸ B/g, большим частотным диапазоном от инфранизких частот, близких к 0, до 150 КГц, выдерживает при эксплуатации широкий температурный интервал от -60^oС до +60^oС, что обеспечивает датчику широкую сферу применения.

Туннельный нанодатчик механических колебаний может быть использован в системе диагностики для прогнозирования землетрясений и извержений вулканов, для контроля экологических показателей среды, для обнаружения акустических колебаний в механических конструкциях, для создания микрофонов с чувствительностью на 2-3 порядка выше существующих и увеличенной дальностью обнаружения сигналов, для создания приборов ультразвуковой медицинской диагностики с увеличенной на порядок разрешающей способностью и сниженным уровнем излучения до безопасных значений.

Предложенный способ согласно изобретению позволяет впервые создать туннельный нанодатчик механических колебаний в виде монолитной интегральной схемы и обеспечить высокую точность и воспроизводимость конструктивно-функциональных параметров датчиков, а также обеспечить высокие экономические показатели производства.

Высокие технические характеристики и широкая сфера применения туннельных нанодатчиков механических колебаний обеспечивают практическую применимость изобретения.

Использование: для измерения физико-механических параметров среды и для неразрушающего контроля диагностируемых объектов. Сущность: нанодатчик содержит чувствительный элемент - монокристаллический кремневый зонд, покрытый слоем благородного металла. Под зондом с зазором от долей нанометра до долей микрона расположена поликристаллическая кремневая мембрана с гофрами по краям, которая покрыта слоем благородного металла со стороны зонда. Зонд подключен к источнику входного напряжения. Также нанодатчик содержит устройство управления зазором, расположенный вокруг зонда отклоняющий электрод, выполненный из благородного металла, усилитель туннельного тока, аналого-цифровой преобразователь, устройство измерения электрической емкости, устройство ограничения туннельного тока. Способ изготовления туннельного нанодатчика основан на использовании методов планарной полупроводниковой технологии. Технический результат изобретения - повышение чувствительности датчика, снижение уровня собственных шумов, увеличение динамического диапазона при ультразвуковых исследованиях, снижение уровня облучения, обеспечение возможности выявления микроструктурных нарушений в диагностируемых объектах. 2 с. п.ф-лы, 2 ил.

1. Туннельный нанодатчик механических колебаний, содержащий чувствительный элемент, выполненный в виде зонда, покрытого слоем благородного металла, над которым с зазором, величина которого может изменяться от долей нанометра до долей микрона, расположена гофрированная мембрана, покрытая со стороны зонда слоем благородного металла, подключенным к источнику входного напряжения, устройство управления зазором между зондом и мембраной, включающее отклоняющий электрод, выполненный из слоя благородного металла, осажденного вокруг зонда, усилитель туннельного тока, включенный между слоем благородного металла, нанесенного на зонд, и первым входом аналого-цифрового преобразователя, отличающийся тем, что в него введено устройство измерения величины электрической емкости, входы которого подключены к отклоняющему электроду и к слою благородного металла, нанесенного на мембрану, а выход подключен ко второму входу аналого-цифрового преобразователя, в устройство управления зазором между зондом и мембраной введено устройство ограничения величины туннельного тока, вход которого подключен к слою благородного металла, нанесенного на зонд, а выход соединен с отклоняющим электродом, по всей поверхности мембраны и покрывающего ее слоя благородного металла выполнены сквозные отверстия, чувствительный элемент, устройство управления зазором между зондом и мембраной, усилитель туннельного тока, устройство измерения величины электрической емкости и аналого-цифровой преобразователь выполнены в виде монолитной интегральной схемы, причем зонд чувствительного элемента выполнен из монокристаллического кремния в объеме подложки, а мембрана чувствительного элемента и элементы компонентов устройства управления зазором между зондом и мембраной, усилителя туннельного тока, устройства измерения величины электрической емкости и аналого-цифрового преобразователя выполнены из поликристаллического кремния. 2. Способ изготовления туннельного нанодатчика механических колебаний, основанный на использовании методов планарной полупроводниковой технологии, который включает изготовление зонда и мембраны чувствительного элемента и формирование слоев их металлизации, формирование изоляционного слоя и формирование слоя металлизации отклоняющего электрода, отличающийся тем, что в монолите монокристаллической кремневой подложки формируют зонд и углубления под гофры мембраны чувствительного элемента, для чего газофазным методом осаждают масочный слой нитрида кремния, проводят фотолитографию с последующим сухим травлением, формируя рисунок зонда и углублений под гофры мембраны, проводят реактивно-ионное травление подлежащих удалению участков масочного слоя нитрида кремния, проводят последовательно изотропное плазмохимическое травление, анизотропное реактивно-ионное травление и локальное термическое окисление, после чего химически стравливают маску из нитрида кремния, а также слой двуокиси кремния, при формировании упомянутых изоляционного слоя и слоя металлизации зонда и отклоняющего электрода, термически окисляют кремневую подложку, газофазным методом осаждают слой нитрида кремния, проводят вакуумное осаждение благородного металла, проводят фотолитографию с последующим сухим травлением, формируя рисунок металлизации зонда и отклоняющего электрода, проводят реактивно-ионное травление слоя благородного металла, после чего плазмохимически удаляют маску из фоторезиста, формируют зазорообразующий слой, для чего газофазным методом осаждают слой легкоплавкого борофосфоросиликатного стекла и планаризуют его методом оплавления, проводят фотолитографию, формируя рисунок зазорообразующего слоя, и реактивно-ионное травление слоя борофосфоросиликатного стекла, после чего осаждают газофазным методом тугоплавкий слой двуокиси кремния, при формировании упомянутого слоя металлизации мембраны проводят вакуумное осаждение благородного металла и фотолитографию, формируя рисунок металлизации, проводят реактивно-ионное травление слоя благородного металла, после чего плазмохимически удаляют масочный слой фоторезиста, формируют мембрану и элементы компонентов электронных устройств туннельного нанодатчика механических колебаний, для чего газофазным методом осаждают слой поликристаллического кремния и проводят фотолитографию, формируя рисунок мембраны и отверстий в ней, а также рисунки элементов компонентов электронных устройств туннельного нанодатчика механических колебаний, проводят реактивно-ионное травление слоя поликристаллического кремния и слоя металлизации мембраны и плазмохимически удаляют масочный слой фоторезиста, после чего проводят селективное химическое травление зазорообразующего слоя борофосфоросиликатного стекла и слоя двуокиси кремния через отверстия в мембране с последующей промывкой подложки в проточной деионизированной воде.