Дипломная работа: Радиочастотная идентификационная метка на поверхностных акустических волнах

2.3.4   Формирование электродных структур

Технология изготовления акустоэлектронных устройств на ПАВ сводится к формированию заданной конфигурации металлических электродов и контактных шин. При этом к качеству структур предъявляются жесткие требования. Не допускаются обрывы электродов, наиболее опасные в области центрального лепестка встречно-штыревой структуры. Не допускаются замыкания электродов в зоне их взаимного перекрытия, вне этой зоны возможно наличие не более трех – пяти дефектов типа «островок», замыкающих три-пять электродов преобразователя.

Также не допускаются сквозные царапины или поры на электродах или контактных площадках, обнажающих подложку, а также несквозные царапины или поры, уменьшающие сечение электродов либо контактных площадок более чем на 50%. Не допустимо наличие инородных частиц, соединяющих любые два пленочных элемента структуры и неудаляющихся при помощи обдува очищенным газом, а также наличие между электродами отдельных металлизированных участков в виде точек, имеющих диаметр более 50% зазора между электродами.

Допуски на размеры контактных шин и площадок, а также на расстояние между отдельными преобразователями составляют 5-10 мкм, т. е. сравнимы с допусками на размеры элементов тонкопленочных ИМС. Несоосность расположения втречно-штыревых структур относительно базовой кромки звукопровода или относительно друг друга допускается в пределах ±(5-20)′.

Допуски на размеры электродов ВШП почти на порядок жестче допусков на не размеры элементов тонкопленочных ИМС. Для получения затухания боковых лепестков АЧХ метки до αб=(50-60) дБ заданную ширину электродов необходимо выдерживать с точностью не хуже ±(0,5-0,8) мкм, а длину электродов и их шаг – соответственно не хуже ±(0,5-1,2) и ±(0,2-0,5) мкм.

Для формирования встречно-штыревых структур, отвечающих перечисленным требованиям, можно использовать те же методы, что и для получения заданной конфигурации элементов ИМС по планарной технологии: фотолитографию (с зазором, контактную, проекционную); голографию; лучевую обработку (пучком ионов, лучом лазера, рентгеновским лучом, растровую и проекционную обработку электронным пучком) и т. д.

В настоящее время наиболее перспективным методом для изготовления элементов нанометрового размера является наноимпринтлитография (НИЛ) с пошаговой штамповкой в жидкий мономер с последующим его отверждением УФ-излучением [18]. Выбор данного процесса изготовления встречно-штыревых структур во многом объясняется минимальными размерами ширины электродов ВШП (λ/4≈937 нм), а также необходимость точного соблюдения межэлектродного расстояния (в приемо-передающем ВШП оно достигает до 3/16λ≈703нм). Кроме того, стоимость установки для НИЛ сравнима со стоимостью систем для контактной фотолитографии.

НИЛ-процесс проводится с использованием твердых (на основе пластин кварца) обычно одноуровневых наноштампов с площадью штамповки (10х10 мм, 15х15 мм, 26х32 мм и 26х33 мм), перемещаемых по поверхности пластин диаметром до 300 мм, на которых негативный по отношению к получаемому на рабочей пластине топологический рисунок с размерами элементов до 20 нм формируется на одном уровне по высоте в слоях кварца или пленках двуокиси кремния толщиной от 100 до 200 нм.

Общий вид наноштампа представлен на рисунке 2.11. Наноштампы обычно изготавливаются из кварцевой фотошаблонной заготовки размером 152х152х6,35 мм. По базовому варианту на нее осаждается слой хрома толщиной 15 нм, на который наносится пленка высокоразрешающего позитивного электронного резиста, например, ZEP 520A, толщиной 80-100 нм. Пленка электронорезиста экспонируется на самом высокоразрешающем оборудовании (например, Leica UHR) высокоэнергетическим (100 кэВ) электронным пучком диаметром несколько нанометров.

Рисунок 2.11 – Общий вид наноштампа

После жидкостного проявления и плазменной зачистки топологического рисунка и меток совмещения в электронорезисте проводится травление пленки хрома и удаление остатков электронорезистивной маски. Хром служит маской для реактивного ионного травления кварца в газоразрядной плазме на основе хладона-23 (CHF3) на глубину 100-200 нм. Затем слой хрома удаляется в жидкостном травителе с поверхности кварца, и на ней путем травления в растворе плавиковой кислоты через маску формируется пьедестал с заданной площадью и высотой 15 мкм. Площадь пьедестала определяет площадь штамповки. Из одной фотошаблонной заготовки с помощью резки и обработки можно получить 4 наноштампа размером 65х65 мм.

Наноштамп размером 26×32 мм содержит 3 вида меток. в каждом из которых по 20 отражателей, расположенных на различных расстояниях от приемо-передающего ВШП. Массивы из 20 отражателей не перекрываются, последний отражатель в предыдущей метке всегда ближе на одно временное положение, чем первый отражатель в последующей метке. Общее число временных положений, в которых могут находиться отражатели, равно 100.

Перед штамповкой поверхность наноштампов обрабатывается раствором или аэрозолью аморфных фторполимеров или в разряде фторуглеродов с целью создания на их поверхности сверхтонкой (мономолекулярной) пленки для лучшего отделения наноштампа от материала после штамповки.

На начальном этапе поверхность пластины, как гладкая, так и с ранее созданным топологическим рельефом, предварительно покрывается с помощью центрифуги органическим передаточным слоем, который одновременно выполняет адгезионную и планаризирующую функции. Толщина слоя варьируется в зависимости от высоты рельефа на пластине от 1 до 700 нм. В качестве передаточного слоя могут использоваться слои полиимида, органических фоторезистов и антиотражающих покрытий.

На область пластины, подвергаемую штамповке, с помощью системы подачи из микросопла системы НИЛ наносится слой кремнийсодержащего фотополимеризующего (под действием ультрафиолетового (УФ) излучения (с λ = 365 нм) жидкого мономера с низкой вязкостью (<5 сантипуаз). Этот слой слой также называется печатным или барьерным к травлению слоем, и его исходная толщина варьируется в зависимости от высоты рельефа наноштампа 75-270 нм.

Перед штамповкой через прозрачный наноштамп с помощью устройства совмещения системы и набора меток, расположенных на наноштампе и пластине, осуществляется совмещение их топологических рисунков. Системы НИЛ обеспечивают точность совмещения (отклонения) топологий на наноштампе и пластине от 1 мкм до 20 нм.

После нанесения печатного слоя производится процесс штамповки (впечатывание наноштампа в жидкий мономер), которая осуществляется при комнатной температуре и давлениях ниже 0,07 атмосфер. Затем проводится УФ-облучение жидкого мономера через кварцевый наноштамп с целью его отверждения. При этом объем мономера немного уменьшается, что позволяет легко извлечь наноштамп из затвердевшего печатного слоя.

Затем на поверхность этого полимерного слоя с топологическим рисунком с помощью центрифуги наносится слой кремнесодержащего полимера и проводится его изотропное травление (жидкостное химическое или плазмохимическое) до выхода на поверхность границы органического фотополимерного слоя. После этого проводится анизотропное травление в кислородсодержащей плазме фотополимерного и передаточного слоев до поверхности подложки или подлежащего функционального слоя, и формируется обращенная (негативная) топологии наноштампа маска (рис. 2в, четвертый этап).

Для изготовления топологического рельефа РЧИД-метки наиболее целесообразно применить взрывную обращенную НИЛ. По сравнению с прямой обращенная НИЛ позволяет получать более качественный топологический рисунок на непланарных поверхностях пластин в более толстых передаточных слоях.

В процессе взрывной обращенной НИЛ на сформированную маску наносится функциональный слой, который после удаления (взрыва) маски остается на немаскированных участках подложки (пластины) (рис. 2.12, шестой этап). Для лучшего удаления маски на поверхность пластины перед формированием передаточного слоя или вместо него наносится специальный легко удаляемый в растворах слой.

Рисунок 2.12 – процесс взрывной наноимпринтлитографии.

НИЛ может быть совмещена со стандартной оптической проекционной фотолитографией для получения топологии на слоях с самыми малыми размерами. Для этого наноштамп (набор наноштампов) совмещается с комплектом фотошаблонов по площади печатаемых на пластине кристаллов и меткам совмещения топологии. Данный способ применим при кодировании данных путем стравливания отдельных отражателей с помощью специального кодирующего фотошаблона.

В целях уменьшения акустических потерь в металлической пленке толщина напыления выбирается равной не более 1000 ангстрем (100 нм). Шины приемо-передающего ВШП создаются с использованием дополнительного фотошаблона с окнами для напыления металлической пленки толщиной 3000 ангстрем.

Напыление алюминиевой пленки производится в установке УВН-75П-1 с применением электронно-лучевого испарения из тигля, применение которого позволяет существенно улучшить адгезию к поверхности звукопровода и отказаться от адгезионного подслоя из ванадия.

2.4      Карта идентификации. Проверка работоспособности меток

Так как характеристики метки весьма чувствительны к различным загрязнениям поверхности подложки, особенно в СВЧ диапазоне, а алюминиевая пленка толщиной менее 1 мкм подвержена разрушению при взаимодействии с различными агрессивными веществами, содержащимися в атмосфере, метки необходимо помещать в герметичный корпус.

К контактным площадкам метки с помощью ультразвуковой сварки приваривается согласующая печатная катушка индуктивности в паре с печатной антенной. Эти элементы размещаются на отдельной печатной плате, размеры которой не должны превышать размеров обыкновенной пластиковой карты с магнитной полосой (т.е. 8.5×5.5 см).

Нижняя поверхность кристаллической подложки метки на ПАВ покрывается равномерным слоем клея типа RTV с серебряным заполнением толщиной приблизительно 1 мм и центрируется в небольшом углублении на печатной плате. После этого к подложке прикладывается малое распределенное давление до тех пор, пока между нижней поверхностью и поверхностью печатной платы не останется амортизационный слой клея толщиной 0,6 мм. Данный подход с одной стороны позволяет защитить кристалл от повреждений при ударных и вибрационных нагрузках, а с другой, снижает уровень электромагнитных наводок.

Печатная плата с прикрепленной к ней меткой запаивается в пластиковый корпус, также имеющий углубление, совпадающее с размерами метки. Глубина отверстия выбирается таким образом, чтобы имелся воздушный зазор, позволяющий свободно распространяться ПАВ по подложке метки. Рассмотрим каждый из этих элементов карты идентификации более подробно.

2.4.1 Антенна

В основе конструкций большинства антенн радиочастотных меток лежит полуволновый диполь [19]. На рисунке 2.13 приведены диаграммы направленности элементарного полуволнового диполя в вертикальной и азимутальной плоскостях. Азимутальная диаграмма направленности диполя представляет собой окружность, а вдоль оси диполя излучение отсутствует.

Рисунок 2.13 - Элементарный полуволновый диполь (а) и его диаграмма направленности в горизонтальной (б) и вертикальной (с) плоскостях

Также известно, что для элементарного диполя лишь одна компонента электрического поля отлична от нуля (или Еθ, или Еφ), то есть диполь возбуждает линейно поляризованную волну. Так, например, вертикально расположенный диполь возбуждает волну с вертикальной поляризацией, а горизонтально поляризованная волна возбуждается горизонтальным диполем. Такими же поляризационными свойствами обладают приведенные выше антенны. Таким образом, в соответствии с направленными и поляризационными свойствами дипольных антенн наилучшая связь между считывателем и меткой имеет место тогда, когда приемопередающая антенна считывателя и антенна метки находятся в параллельных плоскостях. В этом случае метка успешно идентифицируется считывателем. Если же антенны расположены под углом 90о одна относительно другой или ориентированы вдоль одной линии, то метка с данного направления идентифицирована не будет. Такая зависимость надежности считываемости идентификационных данных метки, использующую дипольную антенну, от ориентации ее по отношению к антенне считывателя является наиболее важным недостатком используемых радиочастотных меток.

В таблице 2.5 приведены ослабления мощности сигнала при использовании антенн считывающего модуля с линейной поляризацией. В большом потоке приема/выдачи товара в складской логистике, метки, в общем случае, могут быть ориентированы по отношению к антеннам считывателя случайным образом. В этом случае неизбежны ситуации, обусловленные такими положениями метки, при которых объекты (товары) не будут идентифицированы. Ошибки, возникающие в случае не идентификации объектов, могут привести к серьезным экономическим убыткам и проблемам безопасности.

Таблица 2.5 – Ослабление сигнала при различных ориентациях метки

Проблемы идентификации меток, связанные с несовпадением плоскостей поляризации антенн метки и считывателя, решаются применением антенн считывающего модуля с круговой поляризацией.

Перейдем непосредственно к расчету антенны.

Входной импеданс метки в последовательной эквивалентной схеме (рисунок 2.15) будет иметь общий вид Rm=Zm+jXm, Исходя из предварительных расчетов, произведенных в п. 2.2.2 входной импеданс имеет большую емкостную составляющую и сравнительно небольшую активную составляющую. Как известно, для максимальной передачи мощности от генератора в нагрузку их импедансы должны быть комплексно-сопряженными. Поэтому импеданс антенны, приведенный к зажимам метки, должен иметь достаточно большую индуктивную составляющую и небольшую активную составляющую, равную активной составляющей импеданса метки.

Рисунок 2.15 – Последовательная эквивалентная схема включения входного приемо-передающего ВШП и антенны.

Расчет согласующих элементов будет произведен из условия компенсации статической емкости входного преобразователя:

1/(2πfL)= 2πfCВШП

L=1/((2πf)2* CВШП)=27(нГн).

Найдем геометрическую длину вибратора на центральной частоте 909 МГц [20]. Данной частоте соответствует длина волны:

В полуволновом вибраторе можно пренебречь потерями, поэтому основную роль при конструировании данного типа антенн играет активная составляющая импеданса антенны. Оно зависит от соотношения λ/d, где d – диаметр провода. Зависимость входного сопротивления полуволнового вибратора от отношения λ/d приведена на рисунке 2.16.

Рисунок 2.16 - Зависимость входного сопротивления полуволнового вибратора от отношения λ/d

Как уже отмечалось ранее активные составляющие импеданса антенны и метки должны быть равны, а именно:

RA=RM=59.5 (Ом).

Тогда по графику:

λ/d=550,

где d=601,82 мкм – диаметр проволоки антенны.

По графику (рисунок 2.17) определим коэффициент укорочения антенны:

К=0,938.

Требуемая длина вибратора будет равна, м.:

L= λ/2*K=0.155235.

Рисунок 2.17 – Коэффициент укорочения полуволнового вибратора в зависимости от отношения λ/d

Однако применение антенны таких размеров нецелесообразно ввиду большой площади, занимаемой антенной. Поэтому преобразуем вибратор, изогнув его в виде меандра. Для этого возьмем типовую конструкцию, исследованную в [21]. Длина плеча такой антенны будет приближенно равна: l=0,0133L (2Lэ=0,7L). Из зависимости (рисунок 2.18) следует, что активное сопротивление при резонансе хорошо согласуется с входным активным сопротивлением приемо-передающего ВШП.

Рисунок 2.18 – Зависимость импеданса меандра от электрической и физической длины.

Меандр имеет угол половинной мощности излучения (в плоскости, перпендикулярной рисунку 2.19) около ±41° (у обычного полуволнового диполя - ±39°).

Рисунок 2.19 – Общий вид полуволнового вибратора в виде меандра.

Коэффициент усилении антенны по отношению к изотропному излучателю 2 дБ.

Порядок расчета печатных и проволочных антенн аналогичен. Ширине печатной дорожки печатной антенны соответствует диаметр провода проволочной антенны.

2.4.1   Печатная согласующая индуктивность

Произведем расчет печатной катушки квадратной формы (рисунок 2.20) [22]. Параметры катушки рассчитывают по номограмме, изображенной на рисунке 2.21.

Рисунок 2.20 – Печатная индуктивность

Рисунок 2.21 – номограмма для расчета катушек квадратной формы

На шкале значений А и А/α выбираем произвольные точки и проводим прямую линию их соединяющую. Через точку пересечения этой прямой с неоцифрованной вспомогательной шкалой и точку, соответствующую заранее вычисленной величине индуктивности (27 нГн), также проведем линию до пересечения со шкалой W. Полученные значения: А=2.28 см; количество витков W=2,7; α=0.27 см. Ширину печатного проводника вычисляем по формуле:

S≥(А- α)/4W=0.186(см).

В качестве примера приведем вариант построения карты идентификации на основе метки на ПАВ с использованием рассчитанных ранее элементов (рисунок 2.22).

1  – согласующая печатная индуктивность;

2  – контакт;

3          – РЧИД-метка на ПАВ;

4          – Печатная плата;

5          – Антенна;

6          – Крепежное отверстие.

Рисунок 2.22 – Идентификационная карта с использованием РЧИД-метки на ПАВ

2.4.3 Оценка вносимых устройством потерь в принимаемый/передаваемый сигнал

Потери, вносимые приемо-передающим ВШП, согласованным с антенной оцениваются выражением:

│АВШП (ω)│≈5,8(дБ).

С учетом усиления антенны в 2дБ (п. 2.3.3):

А(ω)≈5,8-2=3,8(дБ).

Таким образом, мощность принимаемого сигнала уменьшается в 2,4 раза при преобразовании электромагнитного импульса в пучок ПАВ.

Затухания, вносимые в пучок ПАВ при распространении на свободной от электродов поверхности подложки на частоте 909МГц составляют не более 0.3 дБ/мкс. При заданном промежутке между импульсами в 74 нс и с учетом максимально возможного расстояния между приемо-передающим ВШП и первым отражателем в 10 мм (примерно 3 мкс), потери на распространение будут равны:

АСВ. ПОВ=2*0,3(0,074*19+3)=2.64(дБ).

Умножение на 2 означает, что ПАВ проходит как в прямом, так и в обратном направлении по поверхности подложки.

В свою очередь потеря мощности на отражение при прохождении через отражательный массив может быть определена с удовлетворительной точностью как:

АОТР=10log(Pвшп /P20)=10log(42/0.11)=26(дБ).

Таким образом, результирующие потери будут равны:

АРЕЗ=2 А(ω)+АСВ. ПОВ+ АОТР=7,6+2,64+26≈36(дБ).

Таким образом, приходящий от метки сигнал будет ослаблен на данную величину.

2.4.4 Проверка работоспособности меток

Работоспособность корпусированных меток можно легко проверить бесконтактным способом, причем возможен опрос нескольких устройств одновременно. На рисунке 2.23 показан тестовый стенд для измерения корпусированных меток. Прибор содержит измеритель АЧХ, показания которого выводятся на ЭВМ. В месте соединения кабелей подключена антенна – полуволновый вибратор.

Рисунок 2.23 – Тестовый стенд для измерения корпусированных меток

Подавая сигнал с линейно меняющейся во времени частотой с входа на выход можно наблюдать на экране ЭВМ АЧХ, снимаемой с антенны прибора. Электромагнитные волны, излучаемые этой антенной, поступают на ВШП метки и затем, проходя через систему отражателей, приходят обратно уже в виде временных откликов. Происходит интерференция сигнала от метки с сигналом, подающимся с выхода на вход измерителя АЧХ. Это приводит к тому, что суммарная АЧХ имеет изрезанную форму.

Получаемы импульсные отклики должны совпадать по времени со значениями, указанными на рисунке 2.10.

3. Организационно-экономическая часть

3.1 Оценка эффективности инновационного процесса

Для оценки эффективности инновационного процесса необходимо:

1)    определить себестоимость одного из его этапов;

2)    определить себестоимость всего инновационного проекта.

3.1.1 Определение себестоимости инновационного процесса

В себестоимость инновационного процесса включаются суммарные затраты по всем этапам выполнения, независимо от источника их финансирования. Определение затрат производится путем составления калькуляции плановой себестоимости, которая составляется по следующим статьям: материалы, оборудование, основная и дополнительная заработные платы, отчисления на социальное страхование, расходы на служебные командировки, затраты по работам, выполняемым сторонними организациями, прочие прямые расходы, накладные расходы.

В качестве базового этапа принимается этап НИР или ОКР. Рассчитав полную себестоимость этого этапа, рассчитывается себестоимость инновационного процесса в соответствии с заданным соотношением (таблица 3.1)

Таблица 3.1

В качестве исходных данных используются состав и содержание работ по проведению НИР с соответствующими оценками длительности работ.

Количество рабочих дней в месяце принять равным 22 дням.

Стоимость оборудования и материалов задаются в вариантах.

Расчет затрат на НИР по статье «Материалы»

Затраты по этой статье определяются по действующим оптовым ценам с учетом транспортно-заготовительных расходов (7-10 % от стоимости материалов, покупных полуфабрикатов, комплектующих изделий). Результаты расчета свести в таблицу 3.2:

Таблица 3.2 - Результаты расчета

Расчет затрат на НИР по статье «Спецоборудование»

Определение затрат по этой статье производится по фактической стоимости приобретения, то есть по договорной цене с учетом транспортно-заготовительных расходов и затрат, связанных с установкой и монтажом специального оборудования (12-15 % от договорной цены).

Если предприятие берет оборудование в аренду, то затраты рассчитываются исходя из стоимости одного машино-часа эксплуатации оборудования. Результаты расчета свести в таблицу 3.3.

Таблица 3.3 - Результаты расчета

Расчет затрат на НИР по статье «Основная зарплата»

Размер основной зарплаты устанавливается исходя из численности разных категорий исполнителей, трудоемкости выполнения отдельных видов работ, месячного должностного оклада, количества рабочих дней в месяце. Исходными данными задаются этапы выполнения работ и их трудоемкость. Количество исполнителей следует выбрать в соответствии с условием временных ресурсов. Если работу выполняют несколько разных исполнителей, то трудоемкость выполнения работ они могут распределить между собой, причем в разных пропорциях. За счет параллельного выполнения работ длительность снижается, а суммарная трудоемкость остается прежней. Результаты расчета свести в таблицу 3.4:

Таблица 3.4 - Результаты расчета

Примечание: В рабочей недели 5 рабочих дней по 8 часов. Оклад смотреть в приложении В

Расчет затрат на НИР по статье «Дополнительная зарплата»

Размер дополнительной зарплаты определяется в процентах от основной зарплаты (10-12 %) Дополнительная зарплата – это выплаты за непроработанное время: оплата очередных и дополнительных отпусков, выплата вознаграждений за выслугу лет и т. д.

Таблица 3.4.1 - Расчет затрат на НИР

Расчет затрат на НИР по статье «Единый социальный налог»

Размер отчислений на соц. страхование определяется как 26 % от суммы основной и дополнительной зарплаты работников, выполняющих НИР.

Таблица 3.4.2 - Расчет затрат на НИР по статье

Расчет затрат на НИР по статье «Расходы на служебные командировки» Относятся расходы на все виды служебных командировок работников, непосредственно связанных с выполнением НИР (2-3 % от основной зарплаты работников). Расходы на служебные командировки сотрудников аппарата управления относятся к накладным расходам.

Таблица 3.4.3 - Расчет затрат на НИР

Расчет затрат на НИР по статье «Затраты по работам, выполняемым сторонними организациями»

Относятся затраты по оплате всех видов работ, выполняемых для конкретной НИР, сторонними организациями, подчиненными научному учреждению, опытными производствами, стоящими на самостоятельном балансе. Также учитывается оплата арендуемого машинного времени ЭВМ. Затраты по этой статье студент задает сам (срок выполнения работ и затраты по работам в соответствии с договорами)

Расчет: Организация стоящая на самостоятельном балансе для развития нашей организации тратит 5000 рублей на основные этапы технологических процессов.

Расчет затрат на НИР по статье «Прочие прямые расходы»

Относятся расходы на приобретение и подготовку материалов специальной научно-технической информации, за использование средств телефонной связи и другие расходы, необходимые для проведения конкретной НИР (1% от основной зарплаты).

Таблица 3.4.4 - Расчет затрат на НИР по статье

Расчет затрат на НИР по статье «Накладные расходы»

В статью включаются расходы на управление и хозяйственное обслуживание, зарплата аппарата управления и общехозяйственных служб, затраты на содержание и текущий ремонт зданий, сооружений, оборудования, инвентаря, амортизационные отчисления, расходы по охране труда, научно-технической информации, изобретательству и т. д. (120-200 % от основной и дополнительной заработной платы).

Таблица 3.4.5 - Расчет затрат на НИР по статье

Результаты расчетов статей затрат заносятся в таблицу 3.5.

Таблица 3.5

3.1.2 Определение себестоимости инновационного процесса

Расчет затрат на каждую стадию инновационного цикла производится исходя из числового соотношения между ними и известных затрат на НИР как на базовый этап. Результаты заносятся в форму 3.6. Рассчитывается полная плановая себестоимость инновационного процесса в целом.

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6