Разработка нано- и микроэлектромеханических матричных компонентов туннельных инерциальных датчиков

Проведен анализ научно-технической литературы по проблемам разработки нано- и микроэлектромеханических компонентов туннельных инерциальных датчиков.
Проведены патентные исследования. Проанализированы основные конструктивно-технологические варианты нано- и микроэлектромеханических компонентов туннельных инерциальных датчиков, а также уровень и тенденции их технического развития.
Описаны принципы функционирования датчиков на основе выбранных материалов и технологий, являющиеся новыми фундаментальными знаниями о явлениях, механизмах и конструкциях, определяющих возможность создания микросистем нового поколения. Предложены оригинальные конструктивно-технологические варианты исполнения нано- и микроэлектромеханических матричных туннельных микроакселерометров. Проведены материаловедческо-технологические исследования, посвященные выбору материалов и технологий разрабатываемых типов устройств. Представлено аналитическое описание туннелирования электронов и туннельного контакта, рассмотрена топология электродов электростатических актюаторов, пороговое напряжение и остаточные напряжения в однородной консольной балке. Разработаны принципы выбора и построения конфигурации, режимов и параметров работы матричных компонентов туннельного акселерометра. Описан принцип функционирования микроакселерометра кантилеверного типа, проведен выбор материалов и технологий изготовления компонентов микроакселерометра кантилеверного типа на основании разработанных методов получения кремниевых и полиимидных острийных наноструктур туннельного электрода микроакселерометра кантилеверного типа, туннельного электрода на основе полимерных нанокомпозиционных материалов, исследования поверхностных явлений на границах раздела слоев кантилеверного электрода, результатов исследования закономерностей травления «жертвенных» слоев в микро- и наноразмерных зазорах и получения многослойных кантилеверных элементов на основе малонапряженных нанослоев. Разработан метод получения микроакселерометра кантилеверного типа с использованием туннельного электрода на основе углеродных нанотрубок. Описан принцип функционирования микроакселерометра мембранного типа. Проведен выбор материалов и технологий его изготовления: проведено сравнение расчетных и экспериментальных значений деформаций тонких мембран, разработаны методы получения и исследование свойств тонких пленок на основе полимерных нанокомпозиционных материалов.
Составлен промежуточный отчет о НИР.

3. Результаты
1. Анализ научно-технической литературы показал, что туннельные инерциальные датчики изготавливают методами поверхностной и объемной микрообработки. Наиболее предпочтительными материалами, из которых изготавливают кантилеверы и мембраны, являются кремний, поликремний, в том числе легированный, ПММА. Туннельные электроды в большинстве случаев изготавливают из золота с подслоем титана и платины. Многочисленные поисковые работы, проводимые в направлении моделирования, разработки технологии и изготовления образцов туннельных акселерометров, однозначно показывают возможность использования туннельного эффекта для высокоточной регистрации ускорений. При этом главной задачей является изготовление подвижных друг относительно друга туннельных электродов, геометрия и материал которых позволяют сохранять характер токопереноса, чувствительность и стабильность в обычных внешних условиях (акустические шумы, термодрейф вследствие вариаций и градиентов температуры, изменение туннельной прозрачности из-за адсорбции на контакты и пр.).
2. Проведенные патентные исследования показали, что основные разработки, посвященные туннельным инерциальным датчикам, ведутся за рубежом. Существует весьма ограниченное количество принципиально отличных друг от друга как конструкций датчиков, так и методов их изготовления. Основными недостатками известных технических решений являются низкие вибро- и ударопрочность и чувствительность, сильно зависящие от конструкционной жесткости кантилеверного электрода, погрешности датчиков, связанные с адсорбцией низкомолекулярных веществ, а также низкая воспроизводимость процессов их изготовления и технологичность из-за сложности формирования туннельного зазора, образующегося между кантилеверным и туннельным электродами.
3. Разработанные принципы функционирования датчиков оригинальных конструкций потенциально обеспечивают повышение вибро-, ударопрочности и чувствительности, а способы их изготовления позволят повысить воспроизводимость процесса изготовления и технологичность изделия. Из критериев технологичности конструкции, воспроизводимости характеристик компонентов при их изготовлении, необходимости дополнительной оптимизации технологических операций, новизны конструкции и стоимостных характеристик объектом дальнейших исследований выбраны нано- и микроэлектромеханических матричных компонентов туннельных инерциальных датчиков кантилеверного типа.
4. Полученные результаты оформлены в виде промежуточного отчета о НИР

1. Разработаны методы проектирования нано- и микроэлектромеханических матричных компонентов туннельных инерциальных датчиков;
2. Разработаны методы лабораторного изготовления экспериментальных образцов нано- и микроэлектромеханических матричных компонентов туннельных инерциальных датчиков;

Разработана техническая документация.
  Были изготовлены экспериментальные образцы, разработана программа и методика испытаний образцов и проведены испытания.
  Проведен анализ патентной и научно-технической информации в части оценки патентоспособности разработанного конструктивно-технологического варианта.

По разработанной технологической схеме изготовления были изготовлены экспериментальные образцы, которые служат экспериментальным подтверждением возможности создания нано- и микроэлектромеханических матричных компонентов туннельных инерциальных датчиков на основе выбранных материалов и технологий.