Диффузионные конденсаторы.

В качестве конденсаторов интегральных микросхем часто используют барьерную емкость p-n-перехода, смещенного в обратном направлении. Такой пассивный элемент интегральной микросхемы удобно формировать одновременно с формированием транзисторных структур или использовать непосредственно p-n-переходы транзисторных структур (рис. 7.10). Барьерная емкость p-n-перехода может быть использована как для создания конденсатора постоянной емкости, так и для конденсатора переменной емкости, которой можно управлять путем изменения постоянного смещения на переходе.

Рис. Структуры диффузионных конденсаторов.

Диапазон номинальных значений емкости диффузионных конденсаторов, которые могут быть сформированы на отведенных для них площадях монокристалла полупроводника, определяется концентрацией примесей в прилегающих к переходу областях. Диффузионные конденсаторы, использующие эмиттерную емкость транзисторной структуры, имеют большую удельную емкость по сравнению с конденсаторами на коллекторном переходе. Однако при большой концентрации примесей в прилегающих к переходу областях и, следовательно, при малой толщине перехода будет мало пробивное напряжение такого перехода, а значит, и диффузионного конденсатора. Таким образом, удельную емкость и пробивное напряжение диффузионных конденсаторов надо рассматривать совместно. Взаимосвязь между этими параметрами оказывается неблагоприятной для диффузионных конденсаторов. В связи с зависимостью барьерной емкости от напряжения смещения на p-n-переходе диффузионные конденсаторы могут быть использованы для усиления электромагнитных колебаний, т. е. могут быть активными элементами интегральных микросхем.

МДП – конденсаторы.

В качестве диэлектрика такого конденсатора используют слой диоксида кремния, которым покрыт кристалл полупроводника. Одной обкладкой конденсатора является слой металла (обычно алюминия), нанесенный на поверхность слоя диоксида кремния одновременно с созданием межэлементных соединений и контактных площадок; другой обкладкой – сильнолегированная область полупроводника, которая формируется одновременно с формированием эмиттерных областей транзисторных структур интегральных микросхем. Таким образом, процесс изготовления МДП - конденсаторов также не требует проведения дополнительных операций их формирования.

Рис.. Структура МДП- конденсатора.

В островке, предназначенном для МДП - конденсатора, не формируют базовую область транзисторной структуры, т. е. не проводят диффузию примесей для создания базовой области. Поэтому под МДП - конденсатором есть только один p-n-переход между коллекторной областью транзисторной структуры и подложкой, который необходим для изоляции МДП - конденсатора от других элементов, расположенных на одной с ним полупроводниковой пластине.

Конденсаторы с одним подвижным электродом

Такие конденсаторы могут использоваться в качестве

- преобразователя механической энергии в электрическую (например, сжатия электродных пластин каблука ботинка при ходьбе, d),

- преобразователя электрической энергии в механическую для электростатических виброприводов,

- датчиков перемещения, детекторов газа ( по изменению ε).

Рис. Емкостной датчик нормальных (Δd) и сдвиговых (ΔS) перемещений.

Конструктив планарного конденсатора также позволяет один из электродов сделать подвижным для реализации микроприводов. Это достигается с помощью технологии «жертвенного слоя».

Рис. Несколько секций планарных конденсаторов встречно – гребенчатой топологии для привода вращения.

Емкость С реализуется с помощью встречно – гребенчатой конструкции электродов (combi drive), неподвижного и подвижного. Оба электрода - консоли. У неподвижного электрода – потенциал «земли», поэтому переменное напряжение заставляет подвижный электрод в один полупериод притягиваться к неподвижному, а в другой – отталкиваться от него. В результате возникают механические колебания, достаточные для перемещения подвесного электрода многосегментными электродами статора. Последовательное подключение напряжения к различным сегментам статора притягивает ближайший выступ ротора, заставляя его поворачиваться на угол 360º/n (n – число электродов статора) и вращаться.

Рис. Планарный электростатический двигатель с 12 полюсами статора и 8 полюсами ротора.

Двигатель вращения подвижного (желтого) диска ротора использует емкостную связь между электродами ротора и неподвижными (серыми) многосегментными электродами статора.

Рис. Электростатический двигатель вращения.

Использование пьезоэффекта.

Рис. Датчики (Sensor) силы (Force), давления (Pressure), ускорения (Accelerometer).

В качестве внутренних источников питания, кроме литиевой биобатарейки, можно использовать пьезоэлектрический механо- электрический преобразователь. Многослойная (металл – пьезоэлектрик – металл) консоль вибрирует во время движения. Пьезоэффект преобразует вибрации в переменный ток.

Рис. Структура и конструкции консольного пьезоэлектрического источника питания для датчиков и трансиверов движущихся транспортных средств.

Рис. Обувь с пьезоэлектрическим источником питания.

При периодическом изменении полярности напряжения деформация также будет менять знак, т.о. возникают механические колебания. Пьезоэффект используется для возбуждения ультразвуковых колебаний.

Пьезоэлектрический эффект может наблюдаться не только в кристаллах, но и в специально изготовленных керамике или полимерах. (Условия те же: наличие диполей и их единообразное ориентирование.) Маломасштабной электронике адекватны тонкие полимерный пленки, волокна, нанотрубки из углерода или нитрата бора. Создаваемое консольной балкой механическое напряжение на элемент с пьезоэлектрической полимерной пленкой генерирует сигнал, который отрабатывается управляющим устройством. Такое устройство может быть использовано для подсчета изделий на сборочных линиях, в качестве переключателей в системах автоматизации, например, для отключения вытяжки.

Рис. Мониторинг сердца с помощью пьезоэлектрических датчиков в полимерных проводниках на одежде.

Пьезоэлектрические приводы. В пьезоэлектрике возможно возбуждение продольных (растяжение - сжатие) и поперечных (сдвиг) акустических волн в объеме и на поверхности. Комбинирование нескольких видов реализует сложные движения манипуляторов: изгибы, кручения. Амплитуда изменений невелика, но высока точность перемещений. Данные параметры хорошо подходят для микротехники, в том числе для манипулятора иглы сканирующего туннельного микроскопа (СТМ). Управляющими параметрами являются амплитуда напряжения, частота импульсов, число импульсов.

Пьезо- насос представляет собой мембрану пьезоэлектрика, на противоположные поверхности которого помещены электроды возбуждения объемной акустической волны. Периодические прогибания мембраны создают попеременно области низкого и высокого давления. Низкое давление способствует нагнетанию через входное отверстие в подмембранную камеру порции жидкости или газа. Во втором полупериоде высокое давление закрывает клапан входного отверстия, и, напротив, открывает клапан выходного отверстия, куда и поступает накопленная порция.

Рис. Схема работы пьезонасоса.

Принцип пьезонасоса используется для инжекции жидкости, например, чернил (Ink) для струйной печати высокого разрешения. Под действием пьезопривода (Piezo actuator), укрепленного на мембране (Membrane, Diaphragm) камеры, по капле (Droplet) выдавливаются чернила. Понижение давления в камере способствует затягиванию чернил из источника (Ink supрly). Метод управления пьезоприводами позволяет формирование матрицы инжекторов для ускорения технологического процесса

Рис. Схема инжекторного устройства.

Рис. Матрица инжекторов.

Емкостной акселерометр. Принцип работы акселерометров основан на измерении смещения инерционной массы относительно корпуса и преобразовании его в пропорциональный электрический сигнал. Пластины стационарная и перемещающаяся образуют конденсатор. Величина емкости зависит от расстояния между пластинами. Под влиянием силы ускорения емкость конденсатора меняется.

Рис. Структура емкостного акселерометра.