Наноэлектронные специализированные элементы и системы на кристалле

Наноэлектромеханические сенсоры

Биохимические сенсоры на нанокантилеверах

В "Что такое "Наноэлектронная элементная база информатики"? Как "увидеть" наноразмерные элементы?" мы уже рассказывали о применении кремниевых нанокантилеверов в атомно-силовой микроскопии для визуализации мельчайших объектов, даже отдельных молекул. Тонкие и гибкие нанокантилеверы применяют не только в исследованиях "мягких" биологических объектов – живых клеток и отдельных их органелл, вирусов, генов, – но и для осторожного манипулирования ими и для выполнения нацеленных наноинъекций.

Другое применение нанокантилеверов – это создание очень чувствительных вибрационных сенсоров. На рис. 7.5 показана конструкция из трех нанокантилеверов 1, сформированных в пластине кремния 2. Справа один из кантилеверов показан в увеличенном виде. На верхней его поверхности сформирована чувствительная зона 3 и пьезорезистор 4, на нижнюю поверхность нанесен тонкопленочный металлический электрод 5. Для возбуждения и поддержания незатухающих упругих колебаний кантилеверов используют электростатические силы, возникающие при подаче переменного напряжения между заземленным электродом 6, сформированным на кремниевой подложке, и индивидуальным электродом 5 каждого кантилевера. Требуемую для этого обратную связь обеспечивают пьезорезисторы 4, сформированные возле закрепленного конца кантилевера в месте сосредоточения наибольших упругих деформаций. При колебаниях кантилевера через пьезорезистор 4 течет переменный ток с частотой колебаний кантилевера.

Электронные схемы обратной связи, сформированные в том же кристалле кремния, обеспечивают поддержание незатухающих собственных колебаний кантилевера и подачу переменного напряжения соответствующей частоты на узлы точного измерения частоты.

Рис. 7.5. Конструкция из трех кремниевых нанокантилеверов, на которых формируются вибрационные наносенсоры: 1 – кантилеверы; 2 – основа из кремния; 3 – чувствительная зона; 4 – пьезорезистор; 5 – пленочный металлический электрод, 6 – электрод для возбуждения и поддержания упругих механических колебаний

Для нанокантилеверов собственные частоты, как мы уже писали, составляют от единиц до сотен мегагерц. Чувствительная зона 3 представляет собой пассивированную тонкую пленку золота, на которую осажден "рецепторный" слой – молекулы. Они избирательно и сильно связываются лишь с определенным "аналитом" (аминокислотой, белком, вирусом, молекулами токсина, которые надо выявить). Если этот аналит присутствует в среде, с которой контактирует кантилевер, то аналит химически связывается с рецепторным слоем. Обусловленное этим изменение массы кончика кантилевера вызывает соответствующее изменение частоты его упругих колебаний, которое легко фиксируют узлы точного измерения частоты.

Порог чувствительности сенсоров на нанокантилеверах позволил зафиксировать присоединение к чувствительной зоне даже одного вируса или молекулы аминокислоты и оценить массу присоединенного объекта – по величине изменения частоты колебаний.

В одной кремниевой микросхеме удается сформировать десятки–сотни сенсоров на нанокантилеверах вместе со всеми необходимыми электронными схемами. Автоматизированные установки микротитрования позволяют по заданной программе высадить на чувствительную зону каждого кантилевера свой "рецепторный слой", создавая настоящую биохимическую лабораторию на чипе.

Микромеханические кремниевые акселерометры

На рис. 7.6 показана конструкция чувствительного узла микромеханического акселерометра: вверху – в вертикальном сечении, внизу – вид в плане. В подложке из кремния 1 вытравлены участки 2 таким образом, что относительно значительная инертная масса 3 свободно висит лишь на тонких (~ 100 нм) упругих перемычках 4. На небольшом (~ 1 мкм) расстоянии сверху и снизу от инертной массы 3 расположены пленочные металлические электроды 5 и 6. Пространство между ними заполнено вязкой, неэлектропроводящей жидкостью, играющей роль демпфера. Все названные выше элементы закреплены в рамке акселерометра 7, жестко связанной с подвижным объектом.

Инертная масса 3 в такой конструкции может свободно колебаться и перемещаться вдоль оси акселерометра, перпендикулярной к плоскости инертной массы. При этом изменяется величина электрических емкостей между кремниевой инертной массой 3 и электродами 5 и 6, поскольку последние остаются неподвижными. Эти емкости включены в разные плечи электрической мостовой схемы переменного тока. Ее балансируют так, чтобы при отсутствии ускорения сигнал на выходе равнялся нулю.

Рис. 7.6. Конструкция микромеханического кремниевого акселерометра

Когда объект, на котором установлен акселерометр, движется с ускорением вдоль оси акселерометра, инертная масса 3 смещается в противоположную сторону от направления ускорения. Вследствие этого одна из электрических емкостей уменьшается, а другая возрастает. Баланс мостовой схемы нарушается, и на ее выходе появляется электрическое напряжение соответствующего знака. Величина этого напряжения тем больше, чем больше ускорение.

Мостовую электрическую схему, генератор переменного тока, усилитель и преобразователь сигналов в цифровой код, элементы термокомпенсации, балансировки и калибровки, – все, что нужно для функционирования акселерометра, формируют на том же кристалле кремния.

Альтернативным описанному емкостному варианту акселерометра является "пьезорезистивный" вариант. В этом, альтернативном, варианте пленочные металлические электроды отсутствуют. Вместо этого на упругих перемычках 4 в местах максимальных упругих деформаций формируют кремниевые пьезорезисторы, изменение электрического сопротивления которых пропорционально упругой деформации, а следовательно и силе, действующей на инертную массу 3 во время ускорения. А в местах, где механическое напряжение не возникает, формируют референтные пьезорезисторы, используемые для автоматической термокомпенсации результатов измерений.

На одном и том же кристалле удается сформировать пьезорезистивные акселерометры, в которых оси перемещения инертных масс взаимно перпендикулярны. В таких двух- или трехосных акселерометрах одновременно измеряются 2 или 3 пространственные компоненты вектора ускорения.

Номенклатура МЭМС акселерометров, выпускаемых промышленно, охватывает диапазон от малых значений ускорения (1-10)g до больших (50–500)g с точностью от 3 до 20% и с частотой считывания до десятков килогерц.

Микромеханические кремниевые гироскопы-акселерометры

Как известно из механики, свою ориентацию в пространстве стараются сохранять не только быстро вращающиеся тела, но и механические колебательные системы. Еще в школе нам рассказывали, например, о маятнике Фуко, который, сохраняя неизменной плоскость своих колебаний в пространстве, позволяет нам самим наблюдать за вращением нашей планеты вокруг своей оси.

Предложены и исследованы уже десятки разных конструкций микромеханических гироскопов-акселерометров. Наилучшие из них уже давно доведены до серийного производства. Мы объясним здесь лишь общие принципы их действия. Все они используют известное явление возникновения сил (ускорений) Кориолиса. Это явление заключается в том, что на тело, движущееся со скоростью в системе координат, вращающейся с векторной угловой скоростью , действует ускорение Кориолиса

( 7.2)

На рис. 7.7 показана вытравленная в пластине кремния инерционная масса 1, соединенная тонкими упругими перемычками (подвесками) 2 с основной массой кристалла кремния 3. Показана также пространственная система координат OXYZ, относительно которой мы будем давать объяснения. С помощью дополнительного электрода и электростатических сил, возникающих между ним и инертной массой 1 при подаче переменного напряжения между ними, можно вынудить инертную массу 1 осуществлять колебания на упругих подвесках 2 в направлении оси ОХ. Ось OY, которая проходит через подвески, называют главной осью сенсора.

Если объект, на котором установлен сенсор, начнет вращаться вокруг этой главной оси, то инерционная масса получит ускорение Кориолиса, направленное вдоль оси OZ. Поскольку скорость движения инерционной массы 1 в процессе колебаний вдоль оси ОХ меняется по синусоидальному закону, то и ускорение Кориолиса вдоль оси OZ тоже будет изменяться по синусоидальному закону. Поэтому инерционная масса 1 начнет колебаться и в направлении оси OZ. Амплитуда этих колебаний пропорциональна угловой скорости вращения. Измеряя ее, можно вычислить скорость вращения объекта вокруг оси OY.

Рис. 7.7.

Описанная структура, как и структура, показанная на рис. 7.6, пригодна также для одновременного измерения линейного ускорения объекта, направленного вдоль оси OZ. Действительно, ускорение в этом направлении приводит к некоторому смещению положения инертной массы 1 в противоположном направлении. Измеряя это смещение, можно определить и величину линейного ускорения.

Инерционную массу 1 можно вынудить колебаться в направлении оси OZ. Тогда вращение объекта вокруг главной оси OY сенсора приведет к возникновению колебаний в направлении оси ОХ. Измеряя их амплитуду и фазу, можно определить направление и скорость вращения. Одновременно измеряя смещение центральной точки колебаний в направлении оси OZ, можно вычислить компоненту линейного ускорения, направленную вдоль этой оси.

Наноэлектромеханическая технология позволила формировать на одном кристалле кремния одновременно три таких колебательных системы с главными осями, ориентированными под прямыми углами одна к другой. Это позволяет одновременно измерять скорость вращения вокруг трех пространственных осей и все три пространственных компоненты ускорения.

Постоянно измеряя направление и скорость вращения, вычисляют суммарный угол поворота объекта относительно его первоначальной ориентации. И результаты измерения ускорений по известным формулам перехода от одной системы координат к другой пересчитывают в ускорение относительно исходной системы отсчета. Благодаря этому микросхема с такими сенсорами и полным набором электронных узлов, необходимых для получения, усиления, обработки сигналов и расчета пространственного положения объекта, трех компонент его линейного ускорения и трех компонент скорости вращения, одновременно выполняет функции и гироскопа, и акселерометра, и сенсора скорости вращения.

Такие микросхемы уже выпускают серийно и успешно используют на космических аппаратах, самолетах, кораблях, подводных лодках, в системах автоматического управления автомобилями и в системах их автоматической электронной стабилизации.