Нанотехнологии и наноматериалы

НАНОТЕХНОЛОГИИ И НАНОМАТЕРИАЛЫ

В институте проводятся исследования в области нанотехнологий и создания наноматериалов, мехатроники и создания микросистемной техники.


В рамках выполнения Программы развития наноиндустрии в Российской Федерации до 2015 г. и федеральной целевой программы «Развитие инфраструктуры наноиндустрии в Российской Федерации на 2008–2011 гг.» ФГУП «ЦНИИХМ» является головной организацией по выполнению программы «Нанотехнологии для систем безопасности».


Исследования и разработки проводятся в следующих целях:

  • миниатюризация и снижение энергопотребления датчиков, датчиковых платформ и приборов различного назначения;
  • снижение стоимости сенсорных устройств;
  • расширение номенклатуры датчиков и сенсорных систем, поиск новых рынков сбыта этой продукции и областей ее применения;
  • создание и поддержание деятельности научных школ.

РАЗРАБОТКА ВЫСОКОТОЧНЫХ МИНИАТЮРНЫХ МИКРОМЕХАНИЧЕСКИХ ДАТЧИКОВ ЛИНЕЙНЫХ УСКОРЕНИЙ

Успешно завершена инициативная опытно-конструкторская работа «Разработка высокоточных миниатюрных микромеханических датчиков линейных ускорений». Создается линейка микромеханических акселерометров полностью российского производства с диапазонами преобразования ±10 м/с2, ±100 м/с2, ±300 м/с2 для широкого круга применений. Изделия формируют выходной аналоговый сигнал, пропорциональный действующему вдоль оси чувствительности ускорения. Они могут быть использованы в качестве прецизионных инклинометров, в составе систем ориентации, стабилизации и навигации различной техники.
Акселерометры изготавливаются в металлокерамических безвыводных корпусах и обеспечивают возможность установки в изделие назначения с применением стандартных методов поверхностного монтажа оплавлением паяльной пасты. Допускается применение бессвинцовых паяльных паст.
В составе акселерометра применяется маятниковый кремниевый чувствительный элемент, изготовленный по технологии МЭМС, обеспечивающий возможность достижения высоких эксплуатационных характеристик в сочетании со стойкостью и прочностью к воздействию внешних факторов. Гарантировано функционирование в диапазоне температур –60 … +85 C0. Изделие оснащено встроенным датчиком температуры, который может быть использован для термокоррекции. Особенности конструкции изделий и технологии их создания позволяют добиться высокой прочности к ударным воздействиям.

Изготовление акселерометров проводится на базе технологической линии изготовления МЭМС ФГУП «ЦНИИХМ».


Федеральным государственным унитарным предприятием «Центральный научно-исследовательский институт химии и механики» ведется разработка одно- и двухкомпонентного преобразователя магнитного поля и микросистемного трехкомпонентного магнитометра на их основе для измерения компонент вектора магнитного поля Земли. Преобразователи магнитного поля формируют выходной сигнал, величина которого зависит от напряженности компоненты внешнего магнитного поля, направленного вдоль оси чувствительности датчика.
В преобразователях магнитного поля применен чувствительный элемент на основе анизотропного магниторезистивного эффекта. Данный тип чувствительных элементов обладает уникальным сочетанием высоких эксплуатационных характеристик (рабочего диапазона, чувствительности и разрешающей способности) с устойчивостью к воздействию внешних факторов. Кристаллы магниторезистивных чувствительных элементов изготавливаются с использованием технологических процессов микроэлектроники и микросистемной техники.

Преобразователи магнитного поля являются функциональными
и габаритными аналогами микросхем Honeywell HMC1001 и HMC1002 (США). При этом преобразователи магнитного поля изготавливаются исключительно с применением материалов и комплектующих отечественного производства.

Микросистемный трехкомпонентный магнитометр содержит комплект трех преобразователей магнитного поля, смонтированных в алюминиевом корпусе, и формирует цифровой выходной сигнал, зависящий от воздействия внешнего магнитного поля с учетом калибровочных коэффициентов.

В настоящее время завершен этап технического проектирования, изготовлены образцы преобразователей магнитного поля и трехкомпонентного магнитометра. Работы планируется завершить до 30 ноября 2024 г.


Авторским коллективом федерального государственного унитарного предприятия «Центральный научно-исследовательский институт химии и механики» получено Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ: «Программа для измерения и обработки электрохимических шумов источников тока с предварительным контролем корректности измерений».

Данная программа позволяет управлять измерительным оборудованием, осуществлять контроль корректности измерений и осуществлять запись результатов измерений в файл. Измерительное оборудование представляет высокоточный нановольтметр Tektronix keithley 2182а, работающий под управлением COM-port-a RS-232. Предварительный контроль корректности измерений осуществляется на основе близости переходного процесса к экспоненциальному в предварительно заданных временных интервалах. Близость определяется на основе аппроксимации экспоненциальной функцией. Если ошибка аппроксимации превышает заданное пороговое значение, то данные не будут записаны и участвовать в дальнейшей обработке. Выделение электрохимических шумов и удаление тренда из сигнала производится при помощи алгоритма на основе вариационной декомпозиции. При записи в файл условия эксперимента записываются в файл-конфигурации. Программа может использоваться в системах для исследования электрохимических источников тока и контроля их технического состояния. Тип ЭВМ: IBM PC-совмест. ПК; ОС: Windows ХР и выше.

Язык программирования: С++, SCPI, Matlab

Объем программы для ЭВМ: 22,2 МБ


Получен Патент на изобретение: «Способ формирования сквозных отверстий в стеклянных пластинах».

Изобретение относится к способу формирования сквозных отверстий в стеклянных пластинах и может быть использовано для изготовления микромеханических устройств (акселерометров, гироскопов, ключей и т.д.), герметизируемых на уровне пластины методом анодного сращивания в вакууме, и функционирующих при пониженном давлении.

Способ формирования сквозных отверстий в стеклянных пластинах заключается в нанесении слоя первого материала из поликремния на лицевую и заднюю стороны пластины, нанесении слоя фоточувствительного материала на лицевую сторону пластины и формировании в нем топологического рисунка, травлении методом пескоструйной обработки для формирования несквозных отверстий, непроходящих полностью через стеклянную пластину, выполнении жидкого травления до образования глухого отверстия, проходящего через стеклянную пластину, но не проходящего через слой первого материала
на задней стороне пластины, удалении слоя первого материала с обеих сторон пластины, в котором на слой первого материала наносят слой второго материала, который представляет собой электропроводный подслой, формирование топологического рисунка осуществляют в слое третьего материала, фоточувствительного, а на поверхность второго материала, не занятую топологическим рисунком, наносят слой четвертого материала, представляющего собой металл, формируемый методом электрохимического осаждения, на последнем этапе удаляют слои четвертого и второго материала, при этом пескоструйная обработка состоит из первого и второго этапа травления. Технический результат: разработка способа формирования сквозных отверстий в стеклянных пластинах с высокой плотностью размещения сквозных отверстий, позволяющего повысить воспроизводимость технологии и качество готовых изделий.


Получен очередной Патент на изобретение: «Способ формирования магниторезистивной структуры с шунтирующими полосками».

Техническим результатом при реализации заявляемого решения является повышение соотношения проводимостей магниторезистивного материала и шунтирующих полосок, сохранение геометрической формы и размера полосок в ходе технологического процесса их формирования, улучшение технологичности изготовления магниторезисторов, а также повышение чувствительности магниторезистивного датчика и снижение уровня его шумов.

Изобретение относится к способам изготовления тонкопленочных магниторезистивньгх структур и может быть использовано для изготовления магниторезистивных датчиков для устройств навигации и ориентации, контроля и измерения линейных и угловых перемещений.


Получен патент на изобретение ультрафиолетового датчика угловых координат Солнца.

Изобретение относится к области космической навигации и предназначено для обеспечения космических аппаратов информацией об их ориентации относительно Солнца, а именно к высокоточному солнечному датчику.

Сущность заявленного изобретения состоит в следующем. Ультрафиолетовый датчик угловых координат солнца включает корпус, в котором непосредственно на печатной плате, содержащей электронную схему для обработки данных от фотоприемного устройства, размещен используемый
в качестве фотоприемного устройства четырехсегментный карбид-кремниевый фотодиод, функционирующий в диапазоне длин волн 200–370 нм с пиком чувствительности в области светового спектра 280 нм. При этом над фотодиодом размещена диафрагма, представляющая собой ультрафиолетовый светофильтр со светопропусканием в диапазоне 270–290 нм, с пиком светопропускания в области 280 нм, с нанесенным на него светопоглощающим покрытием, в котором выполнено квадратное окно заданного размера.

Обеспечиваемый заявленным устройством технический результат заключается в обеспечении регистрации угловых координат Солнца с более высокой точностью (не хуже 0,1°) благодаря исключению влияния паразитных засветок на выходной сигнал.


Способ формирования магниторезистивной структуры
с шунтирующими полосками

Специалистами ФГУП «ЦНИИХМ» разработан способ изготовления тонкопленочных магниторезистивных структур с шунтирующими полосками, использующихся для изготовления магниторезистивных датчиков, применяемых в устройствах навигации и ориентации, контроля и измерения линейных и угловых перемещений.

Способ заключается в том, что в диэлектрическом слое формируют сквозные окна, соответствующие форме и размерам шунтирующих
полосок, наносят проводящий посевной слой, а затем электрохимическим осаждением осаждают проводниковый материал – медь из электролита
на основе водного раствора глицинатного комплекса меди с концентрацией
от 0,05М до 0,1М, буферизированного раствором лимонной кислоты
до интервала pH от 2,85 до 3,15 при плотности тока j от 2,0 мА/см² до 3,0 мА/см² и перенапряжении на катоде ΔU от 0,22 В до 0,30 В.

Применение способа повышает соотношение проводимостей магниторезистивного материала и шунтирующих полосок, при сохранении геометрической формы и размера полосок в ходе технологического процесса
их формирования, улучшает технологичность изготовления магниторезисторов, а также повышает чувствительность магниторезистивного датчика и снижает уровень его шумов.


Научно-исследовательским коллективом ФГУП «ЦНИИХМ» проведена работа в области исследования роли гидростатических эффектов в слое расплава Sn в формировании вакуумно-плотного SLID-соединения Cu-Sn.

В рамках данной работы проведено исследование взаимосвязи гидростатического поведения расплава Sn в процессе бондинга с обеспечением вакуумной плотности SLID-соединения Cu-Sn в технологическом процессе герметизации МЭМС на уровне пластины. Исследован эффект образования локальных утолщений в слое расплава Sn под действием сил поверхностного натяжения. Показана взаимосвязь этих утолщений с изменением режима диффузии Sn в матрицу Cu. Экспериментально подтверждено, что наиболее стабильный режим диффузии Sn в Cu и образование вакуумно-плотного
SLID-соединения в процессе бондинга обеспечивает слой Sn с толщиной меньше критического радиуса Лапласа.



Приоритетные направления научных исследований и разработок:

  • охранные системы для критически важных инфраструктурных объектов;
  • эффективные датчики пожарной безопасности;
  • датчиковые системы типа «умный дом»;
  • «умные» сенсоры для охраны промышленных зданий и сооружений;
  • сенсорные системы для дистанционного зондирования Земли и мониторинга космического пространства, созданные на основе новейших достижений в области опто-, микроэлектроники и микросистемной техники;
  • прецизионные магнитометрические системы для проведения археологических и геологоразведочных работ (магниторазведка);
  • морские магнитометры для поиска затонувших объектов;
  • бесконтактные тепловизионные системы для эпидемиологического контроля и измерения температуры людей;
  • системы мониторинга состояния инженерных систем бытовых и промышленных зданий и сооружений.

Институт выпускает следующие наименования высокотехнологичной продукции:

  • прецизионные высокочувствительные МЭМС-акселерометры;
  • сверхмалогабаритные однокристальные МЭМС-акселерометры для инерциальных блоков и датчиков угловых скоростей;
  • сверхвиброударопрочные МЭМС-акселерометры;
  • малогабаритные МЭМС-гироскопы с широким динамическим диапазоном действия;
  • высокочувствительные МЭМС-гироскопы;
  • малогабаритные однокристальные гироскопы;
  • сверхвиброударопрочные МЭМС-гироскопы;
  • микромеханические переключатели ВЧ- и СВЧ-диапазонов;
  • микромеханические реле (замыкатели);
  • малогабаритные датчики ИК-излучения;
  • микроболометрические матрицы;
  • магнитометры, изготовленные по МЭМС-технологии;
  • МЭМС-датчики давления;
  • датчики температуры;
  • интегрированные многофункциональные малогабаритные датчиковые платформы, сенсорные устройства и приборы на основе МЭМС-компонентов.

Услуги, оказываемые специалистами института:

технологическое обеспечение:

  • работы по дизайну и проектированию МЭМС, микро- и наноструктурированных материалов;
  • обработка пластин диаметром от 1 до 7”;
  • изготовление МЭМС по технологии кремний-на-изоляторе, кремний-над-полостью, полимерных жертвенных слоев, объемной микрообработки кремния;
  • поверхностный монтаж.

методы исследования:

  • микроскопия оптическая, электронная, зондовая;
  • ИК-спектроскопия;
  • измерение контактных углов смачивания;
  • определение адгезионной прочности соединений пластин;
  • эллипсометрия.

РАЗРАБОТКА ВЫСОКОТОЧНЫХ МИНИАТЮРНЫХ МИКРОМЕХАНИЧЕСКИХ ДАТЧИКОВ ЛИНЕЙНЫХ УСКОРЕНИЙ

В рамках выполнения инициативной опытно-конструкторской работы «Разработка высокоточных миниатюрных микромеханических датчиков линейных ускорений» создается линейка микромеханических акселерометров полностью российского производства с диапазонами преобразования ±10 м/с2, ±100 м/с2, ±300 м/с2 широкого круга применений. Изделия формируют выходной аналоговый сигнал, пропорциональный действующему вдоль оси чувствительности ускорения. Они могут быть использованы в качестве прецизионных инклинометров, в составе систем ориентации, стабилизации и навигации различной техники.

Акселерометры изготавливаются в металлокерамических безвыводных корпусах и обеспечивают возможность установки в изделие назначения с применением стандартных методов поверхностного монтажа оплавлением паяльной пасты. Допускается применение бессвинцовых паяльных паст.

В составе акселерометра применяется маятниковый кремниевый чувствительный элемент, изготовленный по технологии МЭМС, обеспечивающий возможность достижения высоких эксплуатационных характеристик в сочетании со стойкостью и прочностью к воздействию внешних воздействующих факторов. Гарантировано функционирование в диапазоне температур -60 ÷ +85 0C. Изделие оснащено встроенным датчиком температуры, который может быть использован для термокоррекции. Особенности конструкции изделий и технологии их создания позволяют добиться высокой прочности к ударным воздействиям.

Изготовление акселерометров проводится на базе технологической линии изготовления МЭМС ФГУП «ЦНИИХМ».

К настоящему времени в рамках выполнения опытно-конструкторской работы изготовлены опытные образцы и успешно завершены их предварительные испытания, результаты которых показали полное соответствие заявленным характеристикам. Работы планируется завершить в первой половине 2024 года.