I. Основные сведения о результатах исследований лаборатории
II. Новый класс элементов памяти на основе тонких сегнетоэлектрических плёнок
III. Многослойные структуры на базе тонких пироэлектрических плёнок IV. Микроэлектромеханические структуры (MEMS)
Публикации лаборатории по МЭМС
I. Основные сведения о результатах исследований лабораторииОдной из основных задач лаборатории является разработка новых, не имеющих аналогов, элементов микроэлектроники, новых физических принципов их функционирования, разработка технологии их создания. Работы выполнялись рамках Государственных контрактов, в рамках ГНТП «Перспективные технологии и устройства микро- и наноэлектроники», проектов Миннауки РФ по теме «Микроэлектроника», федеральных целевых программ «Развитие оборонно-промышленного комплекса Российской Федерации на 2011–2020 годы» и «Развитие электронной компонентной базы радиоэлектроники» на 2008–2015 годы», в ряде интеграционных проектов СО РАН, а также НИР для хоздоговорных работ, их было более 30, с такими организациями как ВНИИ автоматики им. Н.Л. Духова, Москва; НИИ «Квант», Москва; НПО «Электроника, г. Воронеж; Точприбор, НПО «Восток», г. Новосибирск и др. ИсторияМожно отметить наши ранние разработки: первых в стране тонкоплёночных полевых транзисторов, тонкоплёночных диодов, элементов с N-образными и S-образными вольтамперными характеристиками (эти результаты легли в основу становления микроэлектроники в Новосибирске, см. «Проблемы информатики», № 1, С. 56-67, 2014 г.). Трехмерные микросхемыПозднее на протяжении ряда лет разрабатывались физико-технологические основы создания трёхмерных интегральных схем с оптическими связями. Такие схемы дают возможность решать проблему соединений, характерную для современных логических устройств, как внутри чипа, так и между чипами, и поднять для целого класса задач (например, для задач математической физики, криптографии, задач распознавания образов и др.) производительность вычислительных устройств. Одним из путей решения указанной проблемы соединений является введение в структуру интегральных схем нового компонента - тонкоплёночного быстродействующего электрооптического модулятора света. Была разработана идеология построения трёхмерных интегральных схем с оптическими связями, основанных на принципах электрооптической модуляции. В настоящее время известно два физических эффекта, допускающих построение на их основе быстродействующих модуляторов света: электрооптические эффекты на сверхрешётках (на базе GaAs) и электрооптические эффекты в сегнетоэлектрических материалах. Сегнетоэлектрические пленкиВ лаборатории разработана технология получения высококачественных сегнетоэлектрических плёнок (СП), не уступающих по основным характеристикам соответствующим монокристаллам, и созданы, в 1975–1995 годах, на основе гетероэпитаксиальных плёнок ниобата бария-стронция BaxSr1-xNb2O6, (SBN) быстродействующие (наносекундный диапазон) электрооптические модуляторы света, их линейки и матрицы, с окнами 100*100 мкм и шагом 100 мкм, аналогов на тот период не было. Обнаружен впервые продольный электрооптический эффект в сегнетоэлектрических плёнках, разработана технология получения многослойных структур: прозрачный электрод ITO, (In2O3+SnOx) – CП – ITO. Радиационная стойкость структур на основе плёнок SBN была исследована в Российском Федеральном Ядерном Центре, ВНИИ Технической Физики имени академика Е.И. Забабахина, г. Снежинск Челябинской обл., где был проведён цикл исследований по установлению воздействия различных доз радиации (облучение гамма-квантами и электронами с энергией порядка 1 МэВ) на параметры накопительных конденсаторов на основе плёнок SBN. Было установлено: при дозе облучения до 1.5 108 Рад диэлектрическая проницаемость СП изменяется незначительно, а проводимость увеличивается в несколько раз, но она возвращается в исходное состояние за несколько месяцев. Логические элементы оптических компьютеровРазработаны физические принципы построения базового логического элемента, функционирование которого основано на модуляции светового потока, а логические сигналы распространяются по оптическим каналам связи, при этом осуществляется только одно преобразование энергии (свет – электрический сигнал), а источник света, внешний, может быть использован для множества элементов. Разработан функционально полный набор электрооптических логических схем, в основу построения которых положен функциональный элемент задержки, сочетающий в себе свойства логического и запоминающего элементов, разработана функциональная и принципиальная схема клеточных автоматов. Построены иэкспериментально исследованы макеты логических электрооптических квантователей, макетов регистров сдвига и динамической памяти. Память на сегнетоэлектрикахПроведён цикл работ, направленных на создание физико-технологические основ построения новых поколений микросхем памяти, в том числе ЭСППЗУ,с большой информационной ёмкостью на основе физических эффектов в тонких СП. Использование в элементах памяти в качестве запоминающей среды тонких СП обеспечивает, по сравнению с существующими элементами памяти, значительно более высокую циклическую стойкость, а также радиационную стойкость при более коротких программирующих импульсах. НанозазорыРассмотрен принцип создания предельно высокой напряжённости электрического поля в нанометровых объёмах, которая может быть использована при создании нового класса элементов и устройств наноэлектроники. Высокая напряжённость поля создаётся вблизи границы раздела диэлектрика с большой величиной диэлектрической проницаемости (сегнетоэлектрика) и воздуха (вакуума). Проведён анализ распределения напряжённости поля вблизи границы раздела двух сред, величин сил притяжения двух плоскостей и удельной ёмкости при изменении величины нанозазора. Приводятся примеры использования аномально высоких сил электростатики применительно к созданию устройств нано-микроэлектромеханики с высокими удельными параметрами (удельной энергоёмкостью, силами тяги, быстродействием и т.п.). II. Новый класс элементов памяти на основе тонких сегнетоэлектрических плёнокНа основе СП разработаны несколько новых классов элементов микроэлектроники, среди них: 1. Элементы динамической памятиОни создавались на поверхности кремниевых шайб на основе плёнок SBNс толщиной не более 0.17-0.2 мкм, представляют собой накопительные конденсаторы с удельной ёмкостью до 50-100 фФ/мкм2 и временем саморазряда до 100 с. Такие элементы могут быть использованы в качестве компонентов устройств динамической памяти с субгигабитной ёмкостью (до 256 Мбит и более). Технология изготовления плёнок SBN допускает их синтез на поверхности схем обработки информации без выхода на поверхность кремния, что даёт возможность создавать трёхмерные конструкции запоминающих устройств, когда элементы памяти расположены на поверхности транзисторных структур. Один из примеров микросхемы динамической памяти, созданной в 1987 году совместно с НПО «Электроника», г. Воронеж, приведён на рис. 1. Рисунок 1 - Микросхема динамической памяти На основе технологии, разработанной для элементов ДП созданы тонкоплёночные накопители энергии (суперконденсаторы) с плотностью энергии свыше 100 Дж/см2, временем разряда 0,1-10 мкс и числом циклов заряд–разряд более 106. Такиевысокоэнергоемкие источники энергии обладают плотностью энергии 100–200 Дж/см3. Ток их разряда – до 500 А за несколько микросекунд, напряжение – до 500 В и более, удельная ёмкость свыше 1 мкФ/см2, диэлектрическая проницаемость материала 3000–7000, толщина СП 3–10 мкм. Область применения – компактные источники энергии, которые могут найти применение при формировании энергоемких быстропротекающих процессов, например, как источники питания в твердотельных лазерах, при переключении мощных коммутаторов, создании источников шумов и т.п. 2. Оптический элемент памяти, репрограммируемый электрическим полем, на основе тонких электрооптических плёнокРазработан и создан элемент постоянной памяти, репрограммируемый электрическим полем, в котором запись и стирание информации осуществляется импульсами напряжения, а считывание - с помощью светового потока, за счёт проявления электрооптического эффекта. Принцип записи информации основан на изменении в электрическом поле направления поляризации в сегнетоэлектрике, которое сохраняется в течение длительного времени. Величина электрооптического сигнала определяется распределением поляризации Р(х) в объёме сегнетоэлектрика, изменение во времени Р(х) отражается на изменении интенсивности светового потока, проходящего через образец I(t). Такой принцип считывания информации даёт возможность осуществлять бесконтактное и быстрое (наносекунды) определение состояния элемента, при одновременном обращении к их большому числу, определять 2D-«изображение» записи. Напряжённость электрического поля, при которой осуществляется переключение направления поляризации в 30-100 раз ниже напряжённости поля в репрограммируемых структурах памяти современных ЗУ, например в МНОП-структурах или элементах с плавающим затвором. Этим объясняется высокая циклическая стойкость сегнетоэлектрических элементов памяти. Экспериментальные электрооптические коэффициенты в плёнках Ba0.25Sr0.75Nb2O6 были близки к коэффициентам соответствующего монокристалла. Характеристики элемента памяти были следующие: вращение плоскости поляризации света 5-6 градусов при амплитуде импульса напряжения 10-15 В, толщине плёнки сегнетоэлектрика 3–5 мкм, глубине модуляции 80-90%, длине волны света 0,63 мкм. Рассмотрена возможность создания на основе указанных структур континуальной реверсивной оптической запоминающей среды, которая по сравнению с устройствами на основе магнитооптических плёнок обладает значительно большей эффективностью. 3. Элемент памяти, репрограммируемый электрическим полем, на основе тонкоплёночной структуры сверхпроводник–сегнетоэлектрикРазработана технология создания, методом плазмохимического ВЧ-распыления тонких плёнок высокотемпературного сверхпроводника ВТСП, YBa2Cu3O7-х. Создан элемент памяти на основе структуры плёнка ВТСП – плёнка сегнетоэлектрика – электрод. В качестве материала ВТСП использовался YBa2Cu3O7-х, сегнетоэлектрика – цирконат титанат свинца, легированный стронцием, или SBN, их толщина 1-2 мкм. Величина переключаемого при переполяризации сегнетоэлектрика заряда более 10 мкКл /см2, при длительности импульса напряжения 1 мкс и его амплитуде 10 В. Структура элемента следующая: металл – текстурированная плёнка сегнетоэлектрика – плёнка диэлектрика – текстурированная плёнка высокотемпературного сверхпроводника. Материал электродов – Pt, (In2O3 + SnO), Аg, их толщина 0,1-0,2 мкм. Материал диэлектрика – SiO2, Si3N4 толщиной 10-12 нм, материал ВТСП – R Ba Cu O, BiSrCaCuO, толщина плёнки – 0,03-0,5 мкм. Установлена возможность управления с помощью процессов переключения поляризации в сегнетоэлектрике параметрами плёнки ВТСП, находящейся в сверхпроводящем состоянии. При воздействии на такой образец импульса напряжения, с амплитудой достаточной для переключения направления поляризации в сегнетоэлектрической плёнке, происходит экранировка поляризации свободными носителями заряда в электродах (в данном случае в сверхпроводнике). Поскольку величина переключаемой части поляризации в сегнетоэлектрической плёнке достаточно велика - 10-30 мкКл/см2, то изменение концентрации свободных носителей заряда в приповерхностном слое сверхпроводника за счёт процессов компенсации поляризации может быть значительной и соответственно заметно будут изменятся параметры сверхпроводящего состояния плёнки. Такое влияние более существенно для образцов плёнок ВТСП с более низкой концентрацией носителей заряда. Сохранение во времени состояния поляризации в сегнетоэлектрике определяет и сохранение одного из состояний сверхпроводника, т.е. указанная структура обладает эффектом памяти и может быть использована как элемент постоянной памяти, репрограммируемый электрическим полем, в котором считывание информации осуществляется путём измерения параметров плёнки ВТСП. Длительность сохранения сверхпроводящего состояния в ВТСП определяется временем сохранения созданного импульсом напряжения направления поляризации в сегнетоэлектрической плёнке. Результат, по совокупности факторов, был получен впервые. Отметим, что большие полевые эффекты наблюдаются в сверхпроводниках с относительно низкой концентрацией подвижных носителей заряда, n, поскольку в них длина экранирования поля (глубина его проникновения) достаточно велика. К таким сверхпроводникам можно отнести высокотемпературные сверхпроводники, в частности Y‑Ba-Cu-O, в которых величина n достаточно мала ~ 2–5 х 1021 см-3, и в них в составе структур металл – диэлектрик - Y‑Ba-Cu-O (структур аналога полевого транзистора) при температурах Т > Tc наблюдается заметный полевой эффект. В то же время толщина сверхпроводящей плёнки является достаточно критичной для проявления указанного эффекта, по крайней мере её минимальная толщина должна быть равной нескольким межплоскостным расстояниям (размерам кристаллической ячейки). 4. Элемент памяти на базе М-СП-Д-П-структурыТакой элемент обладает более низким напряжением записи по сравнению с МНОП-элементами. Показано, что в указанных структурах проявляется обнаруженный впервые эффект усиления тока инжекции из полупроводника, по сравнению с МНОП-структурами, обусловленный формированием поляризационного заряда в СП. Этот эффект даёт возможность уменьшить управляющее напряжение и увеличить эффективность записи. Введение СП в классическую МНОП-структуру позволяет устранить инжекцию носителей заряда из металлического электрода и улучшить устойчивость элемента к циклам запись-стирание. Показано, что вариацией параметров СП можно осуществлять как инжекционный, так и поляризационный механизм записи информации. Экспериментально продемонстрирована возможность неразрушающего считывания информации в таких элементах на основе плёнок SBN, путём регистрации направления пироэлектрического тока. 5. Элементы постоянной памяти, репрограммируемые полем. ЭСППЗУ на основе структур М-СП-МЭту разработку следует отметить особо. Работа как поисковая НИР, на основе многолетнего физико-технологического задела, проводилась в 1990-1995 гг., на последнем этапе в рамках крупного хоздоговора НИР с НПО "Восток", г. Новосибирск. Элементы памяти предназначались для радиационностойких микросхем памяти с информационной ёмкостью 1-4 Мбита, их размер составлял 2*2 мкм при толщине плёнки сегнетоэлектрика, PZT, 0,15-0.17 мкм. Использовался токовый принцип считывания информации, осуществляемый путём регистрации величины полного тока в момент переполяризации сегнетоэлектрика. Управляющее напряжение 6 В, время цикла запись–стирание информации 10-100 нс, число циклов перепрограммирования более 1011. Рис. 2 характеризует относительное изменение величины переключаемой части поляризации с изменением числа циклов N переключения в структуре М – PZT, – M при dPZT = 0.2 мкм, V = 6 В, tимп = 10-7с. Установлено, что процесс переключения сегнетоэлектрической поляризации в плёнках PZT начинается с краёв электродов со времени t1, с последующим боковым расширением доменов по площади образца. Показано, что в области малых значений времени t < t1, до 10-100 нс, переключение поляризации осуществляется по «неклассическому» механизму (без формирования доменов). Рисунок 2. Исследование влияния размерных эффектов на величину удельного значения переключаемого заряда показало, что размерные эффекты проявляются в увеличении переключаемого заряда, в 2-3 раза при t < t1, при уменьшении площади электродов с 500*500 до 2*2 мкм2. Эти эффекты выражены более сильно при t > t1, Установлено также, что при полярности импульса напряжения, соответствующей формированию доменов в области нижнего электрода («плюс» - снизу), сильнее проявляется прямое переключение доменов. Установлено, что при переключении поляризации в плёнках НБС доминируют классические эффекты прямого прорастания доменов. Указанные результаты показали реальную возможность создания энергонезависимых микросхем памяти, превосходящих устройства памяти на основе МНОП-структур по времени цикла запись-стирание - на 5 порядков, по числу циклов - на 6-8 порядков, а также возможность создания принципиально нового класса устройств памяти, сочетающих в себе функции как динамической, так и постоянной памяти. Они находились на уровне или превышали лучшие результаты, полученные несколькими крупными фирмами США и Японии, которые активно разрабатывали и готовились к промышленному производству новых микросхем памяти (FRAM - Ferroelectric random access memory), поскольку стало ясно, из общефизических соображений, что такие микросхемы могут превзойти используемые в то время микросхемы EEPROM, по значительно меньшему времени цикла запись-стирание и по числу циклов, оно должно быть практически неограниченным. Э. Г. Косцов (заведующий лабораторией тонкоплёночных сегнетоэлектрических структур ИАиЭ СО РАН): Несмотря на высокие параметры разработанных нами элементов, что было официально подтверждено Актами сдачи–приёмки результатов указанной НИР, запуск новых микросхем памяти в промышленное производство с выходом на мировой рынок не был организован, это был 1993 год… Летом этого года мы были телеграммой вызваны в Москву, заместителем министра Минатома России Ю.И. Тычковым на переговоры с президентом международной корпорации Ramtron International Corporation Richard L. Norton, Colorado Springs, США, который специально приехал к нам с группой физиков – разработчиков FRAM. Мы провели достаточно интенсивный семинар, переводил Тычков. Для меня осталось загадкой, каким образом американцы узнали о наших разработках, до 1992 года мы не публиковали информацию о наших исследованиях. После переговоров мне очень настойчиво предложили продолжить наши исследования в компании «Ramtron», но я не был готов к такому варианту. Корпорация «Ramtron» в 1993-1995 годах начала промышленный выпуск 16-64 Кб FRAM с использованием проектным норм 1 мкм. Корпорация превратилась в мирового лидера производства памяти FRAM, в 1999 году она выдала лицензии на производство FRAM 256 Кб компаниям Rohm и Fujitsu с использованием проектных норм 0,5 мкм. В настоящее время на основании лицензионных соглашений технологию FRAM используют в своих изделиях такие всемирно известные производители устройств памяти, как Hitachi, Toshiba, Fujitsu, NEC, Samsung и другие. 160 международных патентов защищает компанию FRAM® и технологию производства. На протяжении многих лет развития производства и технологий FRAM корпорация Ramtron неоднократно удостаивалась высоких наград от авторитетных аналитических агентств. В августе 2015 года Ramtron International Corporation объединилась с компанией Cypress Semiconductor, сохранив производство, см. Cypress Nonvolatile Products webpage. III. Многослойные структуры на базе тонких пироэлектрических плёнокПироэлектрические приемники излученияОдним из направлений исследований лаборатории является физико- технологическая разработка и создание тонкоплёночных пироэлектрических приёмников излучения. Пироэлектрические приёмники отличает от других приёмников два принципиально важных преимущества – возможность работы без охлаждения, при температуре окружающей среды, и широкая область спектральной чувствительности – от дальнего ультрафиолетового до дальнего ИК-излучения и терагерцового диапазона. Работа выполнялась с начала 1980–х годов, без наличия близких аналогов, исходно планировалось разработать и оптимизировать конструкцию элементов неохлаждаемых многоэлементных матричных фотоприёмных устройств, для регистрации излучения дальнего ИК-диапазона, разработать технологию изготовления высококачественных пироэлектрических плёнок сегнетоэлектриков, выбрать оптимальный материал сегнетоэлектрика, создать физическую модель фоточувствительной ячейки. В итоге в качестве базового материала был выбран SBN, он обладает наиболее высоким пироэлектрическим коэффициентом. Величина пироэлектрического коэффициента γ в исследуемых плёнках SBN, с толщиной 1-5 мкм, составляла 4-15 10-4 Кл/м2К. Установлено, что введение в состав SBN=0.5 окислов La2O3 (1-2%) приводит к увеличению γ до 3-5 раз. В рамках ряда хоздоговорных работ на основе легированных лантаном плёнок SBN созданы неохлаждаемые приёмники дальнего ИК-излучения, имеющие в режиме накопления на длине волны излучения 10,6 мкм обнаружительную способность до 2–3 109 Гц1/2Вт-1, а также 32-элементная линейка, работоспособная в наносекундном диапазоне. Матрицы пироприемниковРяд преимуществ, которыми обладают пироэлектрические приёмники по сравнению с охлаждаемыми полупроводниковыми элементами, значительно расширяется с увеличением числа чувствительных площадок устройства, повышением степени интеграции, увеличением эффективности использования режимов накопления. Разработан новый подход к построению теплового элемента многоэлементной матрицы на основе тонких пироэлектрических плёнок, когда элемент не теплоизолируется от подложки, не отделяется зазором от её поверхности, а его функционирование основываться на накоплении заряда, генерируемого ИК-излучением за время кадра. В элементе практически не имеют места непродуктивные потери энергии излучения, связанные с наличием мембраны или теплостоков со сложной конструкцией, за исключением потребления энергии на нагревание тонкого поглощающего электрода, и практически вся энергия излучения превращается в заряд, как в процессе нагрева активного слоя, так и при его охлаждении. Это обеспечивает значительно более высокую, по сравнению с известными аналогами, чувствительность элемента. Оценка минимальной разности температур, которая может быть регистрируема элементом, даёт, что при частоте кадра 50 Гц величина NETD менее 20 mK. Разработана конструкция элемента пироэлектрической матрицы, по сравнению с микроболометрическими элементами она значительно более простая, что определяет возможность промышленного создания матрицы с размерностью 1500*1500 и более элементов, при этом возможно достижение коэффициента заполнения элементами поверхности матрицы близкое к 100%. Модуляторы для пироприемниковРазработан и описан новый принцип высокоскоростной модуляции интенсивности излучения, он основан на использовании быстродействующих микроэлектромеханических структур. IV. Микроэлектромеханические структуры (MEMS)В последние годы усилия лаборатории были направлены на создание элементов микроэлектромеханических систем, МЭМС, которые в современной микроэлектронике являются наиболее интенсивно развивающимся сектором. Лепестковые МЭМС-микродвигателиЦелью исследований быларазработка нового принципа электромеханического преобразования энергии, дающего возможность получать более высокую, на 2–3 порядка по сравнению с известными аналогами, удельную энергоёмкость и создавать на этой основе методами технологии микроэлектроники высокоэнергоёмкие электростатические микродвигатели, микроактюаторы. Например, электростатический механический привод может развивать, как показывают экспериментальные данные, силы 100–1000 Н за время 20–100 мксек, близких аналогов нет. Созданы их физические и математические модели, позволяющие производить анализ возможностей микродвигателей и определять их конкретные энергетические характеристики для широкого класса прикладных задач. Ближайшими аналогами разработанных нами двигателей являются классические пьезоэлектрические двигатели. Отличия новых двигателей от пьезоэлектрических следующие:
Аналогами созданных микродвигателей являются также и классические двигатели на основе пьезоэлектрической керамики. Преимущества наших микродвигателей по сравнению с указанными пьезоэлектрическими двигателями:
Применение технологии микроэлектроники при изготовлении разработанных микродвигателей снижает их стоимость, увеличивает прецизионность перемещений. При изготовлении таких микродвигателей не требуется субмикронная технология - достаточно использования технологических линий с 1 мкм проектными нормами. Рисунок 3. Один из макетов микродвигателя, его структура Si – ITO – SBN. Возможные отрасли промышленности, в которых созданные МЭМС-микродвигатели могут найти применение:
Электронный клейНайдено принципиально новое научно-техническое решение задачи обратимого сцепления поверхностей твёрдых тел - «склеивания» - двух поверхностей с помощью энергии электростатического поля без использования жидкой среды. В её основе лежит возможность создания аномально высокой напряжённости электрического поля вблизи поверхности раздела двух сред с большим отношением значений диэлектрических проницаемостей, границы раздела сегнетоэлектрик – воздушный зазор. Экспериментально установлено, что сила сцепления относительного сдвига поверхностей при их электростатическом прижатии - включении «электронного клея» - зависит линейно от электростатической энергии, накапливаемой в структуре, и превышает 3-5 105 Н/Дж. В частности, для разделения поверхностей с площадью 1 cм2 необходимо приложить силу более 10 Н. Давление в нанозазоре может превышать 103 кг/см2, оно определяется качеством кристаллической структуры сегнетоэлектрической плёнки, её механической твёрдостью. Это давление значительно, до 10–100 и более раз, превосходит то давление, которое достигается в зазорах крупных современных устройств, использующих стационарные магнитные поля, с напряжённостью магнитного поля, близкой к предельно возможной, до 3–4 106 А/м. Определяющим фактором в этом вопросе является плотность энергии поля, ε0Е2/2 или μ0Н2/2 (ε0 и μ0 - диэлектрическая и магнитная проницаемости вакуума), измеряемые в Дж/м3, которая тождественно равна давлению в Н/м2. В данном случае величина Е может достигать значений до 1010 В/м и соответственно плотность энергии значений до 4 108 Дж/м3 (до 104 кг/см2). Обнаружен эффект быстрого (наносекундный диапазон) разделения склеиваемых поверхностей, он определяется высвобождением упругой энергии, накопленной в плёнке металла при её электростатическом прижатии на микронеоднородности поверхности сегнетоэлектрика. При снятии импульса напряжения (задний фронт – 30 нс и менее) накопленная упругая энергия высвобождается, что приводит к эффекту очень быстрого отрыва металлической плёнки от поверхности СП - за время меньшее 0.1 мкс, это определяется высокой твёрдостью сегнетоэлектрика, 5.5 - по шкале Мосса и незначительным объёмным зарядом накапливаемым в СП при действии напряжения. Указанный эффект открывает возможность формирования и выключения больших сил сцепления двух поверхностей на высоких тактовых частотах. Электростатический высокоэнергоёмкий МЭМС-генераторОдним из примеров наших разработок в области MEMS являются генераторы энергии – устройства, превращающие энергию внешней среды, в частности микро- наноколебания поверхностей различных тел, в электрическую форму энергии. Среди этих устройств наиболее перспективны электростатические микрогенераторы, которые допускают возможность обеспечивать в рабочем зазоре наиболее высокую плотность энергии электрического поля. Сотрудники ИАиЭ СО РАН были одними из первых, кто указал на возможность преобразования энергии микроколебаний поверхностей окружающих нас предметов в электрический ток, создав МЭМС-генераторы энергии, их удельная мощность может достигать значений до 1-10 мВт/см2. Разработан принцип механоэлектрического преобразования энергии, основанный на модуляции микро- и нанометрового зазора в структурах металл – диэлектрик (сегнетоэлектрик, электрет) – воздушный зазор – подвижный электрод (ПЭ), обеспечивающий плотность электрической энергии до 1-4 10-4 Дж/см2. Максимальная мощность, вырабатываемая микрогенераторами в области низких рабочих частот, 10–200 Гц, может достигать значений 10-40 мВт/см2, что значительно превышает параметры известных прототипов, до двух порядков. Создана математическая модель механоэлектрического преобразования энергии в микрозазорах и соответствующий пакет программ. Экспериментальные макеты микрогенераторов, подтверждают модельные описания, достигая значений удельной мощности порядка 1 мВт/см2.
Одна из разработок лаборатории - электростатический микрогенератор энергии - была удостоена в 2014 году диплома I степени на конкурсе Hi-Tech в Петербурге. При разработке МЭМС-генераторов энергии ИАиЭ СО РАН в течение нескольких лет сотрудничал с Новосибирским заводом полупроводниковых приборов (АО "НЗПП с ОКБ"). Результатом такого сотрудничества стала технологическая линейка для промышленного производства первого в России МЭМС-устройства, генератора энергии. Генератор создается на основе стандартной кремниевой технологии, применяемой в микроэлектронике, с использованием глубокого плазмохимического травления кремния. Некоторые элементы конструкции электростатического генератора приведены ниже. Размеры промышленного МЭМС-генератора, изготовленного на заводе в процессе выполнения ОКР, не превышают 34х20 мм, его вес с корпусом 18 грамм (рис. 4, 5). Новый класс элементов микроэлектроники сможет найти широкое применение в различных отраслях промышленности, в первую очередь в сетях различных удалённых датчиков, беспроводных сетей датчиков. К настоящему времени уже разработаны стандарты, например IEEE 802.II и Bluetooth, для организации в сеть беспроводных датчиков. Однако важным фактором применения указанных микрогенераторов является донесение информации об их параметрах и возможностях для как можно более широкого круга потенциальных потребителей. Одним из крупномасштабных потребителей микрогенератора энергии может стать РЖД. Микрогенератор, расположенный под рельсами, может служить постоянным источником энергии. Частота, амплитуда, энергия колебаний рельс в процессе прохождения состава достаточна для обеспечения энергией микросхем с совокупностью различных датчиков, постоянно собирающих информацию не только о состоянии пути, о возникновении микротрещин в рельсах и т.п., но и об окружающей среде - температуре, влажности, задымленности, возникновении препятствия и т.д.
Диплом I степени и золотая медаль Публикации по МЭМС
Патенты по МЭМС
|