СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА 2011-1

В ВЕДЕНИЕ Модулимикроэлектромеханических систем (МЭМС) с точки зрения радиа ционной стойкости являются уникаль ными изделиями, поскольку интегри руют микроэлектронные и микро механические структуры, каждая из которых по разному чувствительна к радиационным воздействиям. Микро электронные составляющие МЭМС ЭЛЕМЕНТЫ И КОМПОНЕНТЫ 10 WWW.SOEL.RU СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 1 2011 Радиационная стойкость модулей МЭМС Димитр Димитров, Николай Данилин, Ильяс Сабиров (Москва) В статье приведён обзор результатов зарубежных исследований радиационной стойкости модулей МЭМС различного назначения. реализованы, как правило, на основе КМОП или биполярных технологий, особенности влияние радиации на ко торые известны. Если микроэлектронные кристал лы давно являются объектом радиа ционно стойкого проектирования, производства и тестирования, то про изводители и потребители МЭМС не представляют последствий воздей ствия радиации на микромеханичес кую структуру. К настоящему момен ту, особенно с развитием разработки микроспутниковых систем, вопрос радиационной стойкости модулей МЭМС приобрёл большую значи мость [1]. Первой некоммерческой МЭМС, тестированной ионным пучком, был акселерометр [2]. С помощью соответ ствующей фокусировки ионизирую щий пучок был направлен на мик ромеханическую структуру кристал ла. После некоторого варьирования интенсивности потока и угла на правленности были замечены сущест венные изменения качества функ ционирования МЭМС. В результа те накопления зарядов в изолирую щем слое (который является частью микромеханической структуры) по явились структурные изменения в материале, что привело к функцио нальным несоответствиям. Такое на копление зарядов через соответству ющее электромагнитное поле влияет на правильный отчёт значений уско рения. Последующее тестирование других типов МЭМС – радиочастотных клю чей, микроэлектродвигателей, цифро вых зеркальных матриц – также под твердило радиационные повреждения в изолирующих слоях. В связи с этим возникла задача определения радиационной стойкос ти при ионизирующем излучении в зависимости от электромагнитной чувствительности изолирующих сло ёв микромеханических структур. При этом не были точно установле ны механизмы возникновения еди ничных сбоев от тяжелых заряжен ных частиц. В предлагаемой статье на примере нескольких типовых модулей МЭМС (акселерометр, микродвигатель и ВЧ реле) проведён обобщённый анализ их радиационной стойкости и обозна чены эффекты радиационных воздей ствий. Т ЕСТИРОВАНИЕ МЭМС НА РАДИАЦИОННУЮ СТОЙКОСТЬ Акселерометр. Первой исследован ной на радиационную стойкость МЭМС был коммерческий акселеро метр ADXL50, используемый для за пуска автомобильных подушек безо пасности. Ввиду малого веса, габари тов и потребляемой мощности было принято решение о его применении в микроспутниковой системе в рамках программы NASA (NewMillenium Pro gram). Прибор выполнен на кремние вой подложке, покрытой двумя слоя ми Si 3 N 4 и SiO 2 . Схема управления акселерометра реализована по КМОП технологии. Измеряемое ускорение пропорционально напряжению на выходе ( V out ) схемы (см. рис. 1). Был проведён эксперимент по радиаци онному воздействию протонами с энергией 65 МэВ. В результате накоп ления зарядов в слоях Si 3 N 4 и SiO 2 напряжение V out изменялось соглас но зависимости, приведённой на ри сунке 2 [3]. Указанное изменение на пряжения модифицирует характе ристики электрического поля между пластинами в конструкции акселе рометра, что смещает пластины от носительно друг друга и тем самым меняет определяемую ими ёмкость и связанное с ней выходное напряже ние V out . Подобные результаты были полученыи с акселерометром ADXL04, у которого на изолирующем слое на несён проводящий поликристалли ческий кремний, связанный с плас тинами прибора. При достаточном накоплении зарядов возможно воз никновение тиристорного эффекта, что приводит к неработоспособности акселерометра. Микродвигатель. На рисунке 3 пред ставлен микродвигатель, разработан ный Sandia National Laboratories для ря да космических приложений [4, 6]. Ме 600 A Si 3 N 4 2 мкм 1200 A SiO 2 Y 0,2 В d 1 d 2 X C 1 C 2 1,8 В 1,8 В Z 3,4 В 1,6 мкм Рис. 1. МЭМС структура акселерометра 0 5 10 15 20 25 Совокупная плотность ионного потока × 10 9 , см –2 1,7 1,9 2,1 2,3 2,5 V out Ионы С Ионы He Понижение в 5 раз Экспоненциальное приближение Данные измерений Рис. 2. Зависимость изменения V out от интенсивности радиационного воздействия Шарнирное соединение Изгиб Возвратные пружины Гребенчатый привод (или привод комбинационных частот) Рис. 3. МЭМС структура микродвигателя Sandia National Laboratories © СТА-ПРЕСС