Моделирование сенсора на основе интегрированной технологии микромеханики и акустоэлектроники на структуре ниобат лития - кремний

Список литературы

1. Камалеева А.Ф. Расчет предполагаемой экономической эффективности при использовании телеметрической системы на Тайлаковском месторождении / Камалеева А.Ф., Петрова Л.В., Степанова Р.Р., Зайнагалина Л.З. // Успехи современной науки, 2016. т. 4. № 8. С. 27-30.

2. Гуторов А.Ю. Механизм и условия образования асфальтосмолопарафиновых отложений в условиях завершающей стадии разработки нефтяных месторождений. [Текст] / А.Ю. Гуторов, Л.В. Петрова // Нефтепромысловое дело, 2014. № 2. С. 23-27.

3. Семанов А.С. Эффективность применения солянокислотной обработки призабойной зоны пласта в условиях Поточного месторождения / Семанов А.С., Петрова Л.В., Губанов С.И., Зиновьев А.М. // В сборнике: Материалы 42-й Международной научно-технической конференции молодых ученых, аспирантов и студентов, 2015. уфа: УГНТУ. 2015. С. 140-145.

4. Петров В.А. Эффективность применения колтюбинговой технологии в условиях НГДУ «Туймазанефть» / Петров В.А., Петрова Л.В., Хабибуллин М.Я. В сборнике: Современные технологии в нефтегазовом деле, 2014. Уфа: УГНТУ, 2014. С. 375-378.

5. Петров В.А. Расчеты оборудования системы сбора продукции скважин: учебное пособие. [Текст] / Петров В.А., Петрова Л.В. Уфа: Изд-во УГНТУ, 2015. 112 с.

6. Макосина С.Б., Макосина С.Б., Петрова Л.В. В сборнике: Материалы 42-й Международной научно-технической конференции молодых ученых, аспирантов и студентов, 2015. Уфа: УГНТУ, 2015. С. 223-230.

7. Чихерева Т.В. Самоотклоняющиеся свойства кислотных композиций как результат самоорганизации ПАВ / Чихерева Т.В., Жидкова М.В., Макосина С.Б., Петрова Л.В. В сборнике: Материалы 42-й Международной научно-технической конференции молодых ученых, аспирантов и студентов, 2015. С. 230-235.

8. Петров В.А. Нефтепромысловые установки и агрегаты для обслуживания и ремонта скважин. Технологические процессы: учебное пособие. [Текст] / Петров В.А., Петрова Л.В., Хабибуллин М.Я. Уфа: Изд-во УГНТУ, 2016. 112 с.

МОДЕЛИРОВАНИЕ СЕНСОРА НА ОСНОВЕ

ИНТЕГРИРОВАННОЙ ТЕХНОЛОГИИ МИКРОМЕХАНИКИ

И АКУСТОЭЛЕКТРОНИКИ НА СТРУКТУРЕ

НИОБАТ ЛИТИЯ - КРЕМНИЙ 1 2 Бакулин Е.М. , Строганов К.А.

'Бакулин Евгений Михайлович - инженер-технолог, отдел технологий изготовления изделий микросистемотехники; 2Строганов Кирилл Александрович - начальник сектора, сектор изделий функциональной электроники, ОАО «Авангард», г. Санкт-Петербург

Аннотация: приведены результаты моделирования акселерометра на слоистой структуре с монокристаллическим ниобатом лития: YZ-LiNbO3/SiO2/Si('00). Представлены результаты конечно-элементного анализа: построены дисперсионные характеристики скорости поверхностной акустической волны Рэлея и её второй гармоники, определена зависимость коэффициента электромеханической связи от относительной толщины пьезоэлектрика, рассчитан температурный коэффициент частоты слоистой структуры для волн Рэлея и Сезавы.

Ключевые слова: МЭМС, ПАВ, пьезоэлектроника, сенсоры физических величин.

34

Введение

Интеграция технологий микроэлектромеханических систем (МЭМС) и акустоэлектроники (приборы на поверхностных акустических волнах - ПАВ) является перспективным направлением сенсорики, позволяющим расширить функциональные возможности датчиков физических величин. Применение таких датчиков актуально для систем управления транспортом, мониторинга зданий и сооружений в труднодоступных местах, мониторинга и защиты специальных объектов, в охранных комплексах, где нет возможности использовать внешнее питание.

В предыдущих работах [1, 2] была рассмотрена конструкция чувствительного элемента акселерометра, представляющего собой ПАВ резонатор, выполненный на окисленной кремниевой подложке с тонкой пьезоэлектрической пленкой окиси цинка (ZnO). Недостатками такой конструкции являются: неоднородность структуры пленки по площади подложки и её поликристаллическая структура. Первый недостаток вызван особенностями технологического процесса - при использовании реактивного магнетронного напыления углы наклона кристаллитов (кристаллографической оси относительно нормали подложки) и толщины получаемой пленки имеют отличия в разных точках по площади поверхности, что в свою очередь влияет на коэффициент электромеханической связи (КЭМС) и частотные характеристики. Второй недостаток значительно увеличивает вносимые акустические затухания. Характеристики приборов, полученных с применением таких тонкопленочных структур, трудно прогнозируемы, что напрямую влияет на коэффициент выхода годных изделий.

В настоящей работе в качестве конструкции сенсора выбрана слоистая структура c монокристаллическим ниобатом лития: YZ-LiNbO3/SiO2/Si(100), являющаяся коммерчески доступной. Моделирование сенсора в работе дано на примере акселерометра. Монокристаллическая пьезоэлектрическая пленка ниобата лития наносится на кремниевую подложку с оксидом кремния по технологии Smart Cut™ [3], позволяющей получать бездефектную равномерную структуру из различных материалов путем отделения пленки целевого материала через имплантированный в объем подложки слой ионов водорода. Преимущества этой конструкции - монокристаллическая пленка, высокий КЭМС и наличие оксидного слоя, снижающего температурную чувствительность ниобата лития.

Доклад посвящен моделированию сенсора на примере акселерометра по технологии микромеханики и акустоэлектроники на структуре ниобат лития -кремний. Результаты моделирования используются для дальнейшей разработки на вышеуказанной структуре чувствительного элемента на основе ПАВ устройства (резонатора или линии задержки). Моделирование выполняется с помощью конечно-элементного анализа, рассчитываются дисперсионные характеристики скорости ПАВ Рэлея и её первой гармоники - волны Сезавы в структуре ниобат лития/оксид кремния/кремний.

Конструкция акселерометра

Конструкция акселерометра представляет из себя консоль треугольной формы [4] с напыленными на нее электродами, которые образуют встречно -штырьевой преобразователь, служащий для ввода и вывода электрической энергии. ПАВ устройство может быть выполнено либо в виде резонатора, либо линии задержки. Выводы ПАВ устройства соединяются с контактами антенны алюминиевой проволокой. На рис. 1 условно показан исследуемый акселерометр.

Рис. 1. Акселерометр МЭМС-ПАВ

Габариты антенн для различных частот будут отличаться, так например для патч антенны с частотой ПАВ 434 МГц на материале Флан-10 размеры составляют 148хШх1мм, а с частотой 2,45 ГГц - 27x20x1 мм. Моделирование конструкции акселерометра

Уравнения распространения упругой волны в анизотропной пьезоэлектрической среде в декартовой системе координат х1 в тензорной форме имеют вид [5]:

8 2Т

дх.

= Р-

8% 8 21

Щ 8х

= 0,

где Ту - тензор механического напряжения; Б, - вектор электрической индукции; и, - компоненты вектора механического смещения; р - плотность среды, х, , хк -координыты в декартовой системе, а I, у, к, I = 1,2,3, 4 здесь и далее. Тензор механического напряжения Ту определяется из соотношения

Ту = Сук15к1 еЫ]Ек

где у - тензор модулей упругости среды; - тензор механической деформации; еку - пьезоэлектрический тензор; Ек - вектор напряженности электрического поля. Вектор электрической индукции Б, определяется из соотношения

= ЧЕу + ечкБук

где £у - тензор диэлектрической проницаемости. Тензор механической деформации:

5 = 1

+8Ц±

дх, дх.

Л

V I к /

Вектор напряженности электрического поля, выраженный через скалярный электрический потенциал ф:

Е = -

8ф

дх.

Подставляем (4) и (5) в (2) и (3), а затем в систему (1), дифференцируем и получаем:

а2Ф

С

д 2и

уЫ

- + е

д 2и

дх  дх1 Ы дх дхк ^ д

2

д 2ф

д 2и1

е~ -1—8--

1 дхг- дхк дх{ дх

= 0.

Граничные условия для слоистой структуры YZ-LiNbO3/SiO2/Si(100) (рис. 2) следующие: на свободной поверхности подложки отсутствуют механические напряжения, все компоненты вектора электрической индукции равны нулю:

= 0,

ТчП-\н

о о н

1 1 \н

= 0,

1МъО$

где п - вектор нормали к поверхности, Иитоз - толщина пьезоэлектрической пленки LiNbO3.

Рис. 2. Слоистая структура YZ-LiNbO3/SiO2/Si

На границах между средами принимается, что механическое смещение, механическое напряжение и электрическая индукция непрерывны, а электрический заряд в непьезоэлектрических средах оксида кремния и кремния равен нулю:

и-\ = и-\ :

^Ньмъо '\SiO2-

Вп\ = Вп\ :

1 -НЬШо 1 1 ^'О

и-\ = и-\ ;

1 ^SiO2 J\Si

ТУП-\зо = Т-П-1г; Вп\ = Вп\ ;

1 -\8!02 1 -\8г

ф = 0, ф = 0.

\SiO2

Решение системы уравнений (6) для ПАВ ищут в виде парциальных волн, распространяющихся по поверхности и экспоненциально затухающих вглубь кристалла. Более подробно данный метод решения описан в [6 - 8].

При наличии сложной слоистой структуры, в которой распространяются ПАВ, решение системы (6) значительно усложняется. Необходимо решать систему в каждом слое, а также учитывать граничные условия (8), для чего применяется, например метод переходных матриц [9]. Недостатком этого метода является то, что решения находятся в полубесконечной среде и невозможно оценить влияние электродов конечной ширины.

Для решения системы волновых уравнений (6) использован метод конечных элементов, позволяющий учесть влияние слоев из различных материалов (изотропных,

<

анизотропных, пьезоэлектрических). Решалась задача поиска собственных частот на одном периоде слоистой структуры YZ-L1NbO3/S1O2/Si(100) с алюминиевыми электродами. Скорость ПАВ определялась из соотношения

Упав = /г • 2 • Р , (9) где /г - резонансная частота ПАВ в слоистой структуре, р - расстояние между центрами электродов, задаваемое топологией структуры и равное: р = Х/2, где X -длина волны ПАВ.

Соответствие резонансной частоты рэлеевской ПАВ определялось по виду механических смещений слоистой структуры, которое должно иметь эллиптическую форму. На рис. 3 показано механическое смещение соответствующее рэлеевской ПАВ на частоте 800 МГц.

Рис. 3. Профиль механического смещения волны на частоте 800 МГц

На следующем этапе аналогичным образом определялись собственные частоты ПАВ при изменении толщины пьезоэлектрической плёнки. По рассчитанным данным получена дисперсионная зависимость скорости ПАВ от соотношения Нь,ыьо3/'к (Рис.4). На графике приведены две кривые, соответствующие рэлеевской ПАВ и её первой гармоники - волны Сезавы. Для работы на частотах свыше 2 ГГц в ПАВ приборах может быть использована волна Сезавы. Благодаря её высокой скорости, критический размер топологии электродов (равный Л/4) остается в пределах 0,5 ^ 1 мкм.

Соотношение толщины пьезоэлектрической пленки к длине волны Л

Рис. 4. Дисперсионные кривые рэлеевской волны и волны Сезавы

38

Зависимость квадрата КЭМС к2 от толщины (Рис. 5) определялась исходя из значений частот резонанса и антирезонанса [5]:

k2 = Я fa - fr

4 fa

где fa - антирезонансная частота ПАВ в слоистой структуре.

Рис. 5. Зависимость КЭМС от относительной толщины пьезоэлектрика

Для достижения требуемых характеристик предложенного акселерометра, необходимо учитывать следующие основные факторы:

1) значение КЭМС должно быть максимально большим для обеспечения эффективного преобразования электрического сигнала в ПАВ;

2) минимальный топологический размер электродов должен быть в пределах разрешающей способности фотолитографического оборудования (0,3 мкм);

3) частота ПАВ устройства не должна изменяться при воздействии температуры.

Из анализа графиков следует, что оптимальным для рэлеевской ПАВ, является

соотношение толщины пьезоэлектрического слоя к длине волны ПАВ HLmbO3/'k = 0,6. При этом значении скорость ПАВ равна 3512 м/с и k2 ~ 3%. Так, например, для волны с частотой f = 434 МГц толщина HLiNbO3 ~ 4,9 мкм, а для f= 2,45 ГГц - HLiNbO3 ~ 0,9 мкм, критический размер электродов равный À/4, будет составлять ~ 2 мкм и 0,36 мкм соответственно, что находится в пределах разрешающей способности современного литографического оборудования.

Температурная зависимость частоты ПАВ определялась аналогичным методом поиска собственных частот при различных значениях температуры. При этом рассчитывалась зависимость упругих и пьезоэлектрических коэффициентов материалов, которые вводились в расчетный модуль программного обеспечения на каждой итерации. Температурные зависимости упругих коэффициентов ниобата лития взяты из [10]. По рассчитанной температурной зависимости скорости ПАВ определен температурный коэффициент частоты слоистой структуры для волн Рэлея и Сезавы. Получено расчетное значение указанного коэффициента - 41,3 ppm/°C, что согласуется с экспериментальными данными для аналогичной структуры, приведенным в работе [11].

Зная температурные коэффициенты частоты материала и самого акселерометра можно учесть их при калибровке и таким образом скомпенсировать влияние температуры. Также, исходя из данных о линейности температурного коэффициента частоты, разрабатываемый акселерометр возможно использовать в качестве датчика температуры.

На основании проведенного моделирования и данных [4] проведена оценка основных характеристик МЭМС-ПАВ акселерометра и сравнение их с аналогами. Данные представлены в таблице 1.

Таблица 1. Основные характеристики МЭМС-ПАВ акселерометра и сравнение с аналогами

Наименование Характеристики и размерность Знач характе ение ристики

Характеристики МЭМС-ПАВ акселерометра Нопеу^еН ЛТ Л0111, Л0112, ЛС113 Лпа^ Эеуюе

Диапазоны измерений линейных ускорений, g до ±5g, ±10& ±50& ±200g от ±5 до ±200 от ±1,7 до ±500 от ±1,5 до ±250

Температура окружающей среды, 0С от -40 до +85 от -40 до +120 от -40 до +85

Масса, г 5 от 30 до 60 20 20

Габариты, мм 10x5x2 025x20 15x10x10 15x10x5

Возможность съема информации по радиоканалу + работа без электропитания + - - -

По результатам анализа конкурентных характеристик видно, что МЭМС-ПАВ акселерометр по ряду параметров находится на уровне мировых аналогов, а по возможности съема информации по радиоканалу и работы без электропитания -выигрывают у конкурентов. Заключение

Проведены численные расчеты акселерометра по технологии микромеханики и акустоэлектроники на ниобате лития методом конечных элементов. Результаты указанных расчетов позволили определить оптимальное соотношение толщины пьезоэлектрической пленки к длине волны ПАВ для определенных значений КЭМС и скорости ПАВ. Полученное соотношение может быть использовано при разработке чувствительных элементов акселерометров с частотами ПАВ 434 МГц и 2,45 ГГц.

Работа выполнена при финансовой поддержке Фонда содействия инновациям.

Список литературы

1. Строганов К.А. Материалы XXVII сессии Российского акустического общества. Санкт-Петербург, 16-18 апреля 2014 г. [Электронный ресурс]. Режим доступа: http://rao.akin.ru/Rao/sess27строганов.pdf/ (дата обращения: 10.05.2017).

2. Строганов К.А. Сенсор на основе МЭМС+ПАВ технологии // Сборник трудов Международной научно-практической конференции «Сенсорика 2013». С. 34-35.

3. Smart Cut™ technology. [Электронный ресурс]. Режим доступа: http://www.soitec.com/en/technologies/smart-cut/ (дата обращения: 28.04.2017).

4. Строганов К.А. Преобразователь линейного ускорения консольного типа для эксплуатации в специальных условиях // В.А. Калинин, К.А. Строганов,

B.П. Пащенко. Вопросы радиоэлектроники, 2012. Т. 1. № 1. С. 131-141.

5. Royer D. Elastic waves in solids. Part I: Free and guided propagation [Text] / D. Royer, Е. Dieulesaint. Springer, 2000. 374 p.

6. Auld B.A. Acoustic fields and waves in solids. [Text] / B.A. Auld. New York, Wiley. Vol. 2, 1973. 431 p.

7. Балакирев М.К. Волны в пьезокристаллах. [Текст] / М.К. Балакирев, И.А Гилинский. Новосибирск. Наука, 1982. 240 с.

8. Бардзокас Д. И. Распространение волн в электромагнитоупругих средах. [Текст] / Д.И. Бардзокас, Б.А. Кудрявцев, Н.А. Сеник. М. Едиториал УРСС, 2003. 336 с.

9. Галисултанов А.Т. Распространение поверхностной акустической волны в многослойной диэлектрической структуре с металлизацией на интерфейсе. [Текст] / А.Т. Галисултанов, А.В. Осетров // Известия СПбГЭТУ «ЛЭТИ», 2013. № 3.

C. 79-86.

10. Smith R.T., Welsh F.S. Temperature dependence of the elastic, piezoelectric, and dielectric constants of lithium tantalite and lithium niobate. J. Appl. Phys. Vol. 42. 2219 p., 1971.

11. Ballandras S. Oriented lithium niobate layers transferred on 4" (100) silicon wafer for RF SAW devices [Text] / S. Ballandras, B. Aspar, B. Biasse, W. Daniau, Ultrasonics Symposium, 2002. Proceedings, 2002/ IEEE. Vol. 1. Р. 131-134.

СОВРЕМЕННЫЕ ПОДХОДЫ К ИНТЕГРАЦИИ КОРПОРАТИВНЫХ ПРИЛОЖЕНИЙ Беседина К.В.

Беседина Ксения Валентиновна - магистрант, кафедра бизнес-информатики, факультет прикладной математики и информационных технологий, Финансовый университет при Правительстве Российской Федерации, г. Москва

Аннотация: для интеграции информационных систем компании необходимо знать, какими способами можно построить взаимодействие. Основные подходы к построению интеграции корпоративных приложений: интеграция по типу «точка-точка» и интеграция через сервисную шину.

Ключевые слова: интеграция корпоративных приложений, интеграция по типу «точка-точка», интеграция через сервисную шину.

Типичное современное бизнес-предприятие часто состоит из нескольких автономных подразделений. Зачастую каждое из этих подразделений и системы, обеспечивающие их функционирование, имеют собственное определение ключевых данных [1, с. 8] Поэтому для успешного функционирования предприятия очень важно правильно и корректно настроить интеграцию между всеми системами.

Существует 2 основных подхода к построению интеграции корпоративных приложений: «точка-точка», который предполагает взаимодействие приложений по принципу «каждая с каждой», и интеграция через сервисную шину.

Точка-точка

Данный подход подразумевает взаимодействие интегрируемых приложений напрямую. Необходимо только понимать, каким образом приложения могут