Радиочастотная идентификационная метка на поверхностных акустических волнах

Решить эти проблемы позволяет модифицированный однонаправленный ВШП (рисунок 2.5). Однако верхняя граничная частота такого преобразователя ниже в 2 раза.



Рисунок 2.5 - Модифицированный однонаправленный ВШП

Эффективность возбуждения ПАВ зависит от ширины электродов, поэтому, изменяя ширину электродов вдоль направления распространения звуковой волны (рисунок 2.6), можно равномерно взвесить преобразователь в соответствии с заданной импульсной характеристикой. Этот метод взвешивания может рассматриваться как широтно-импульсная модуляция сигнала. Основным недостатком этого метода взвешивания является чувствительность к технологическим погрешностям и требование к высокой разрешающей способности фотолитографии при изготовлении. Кроме того, диапазон взвешивания амплитуд парциальных волн очень мал и не превышает 2,5:1, что существенно ограничивает класс реализуемых частотных характеристик.

Рисунок 2.6 - Однонаправленный ВШП со взвешиванием ширины электродов

Данный преобразователь обеспечивает однородность звукового пучка по апертуре.

Предлагается использовать следующий однонаправленный преобразователь (рисунок 2.7). Он обладает преимуществом предыдущего, но вместе с этим устраняет существенный недостаток - высокие требования к разрешающей способности фотолитографии, а следовательно и невозможность изготовления высокочастотного устройства из за наличия межэлектродных зазоров равных /8. Это достигается тем, что в преобразователе, содержащем звукопровод, на рабочей поверхности которого расположены элементарные секции, содержащие противофазные электроды и отражающие электроды, ширины электродов первой фазы выбраны равными /4 и /2 соответственно и расположены с периодом 2, а между ними расположены электроды противоположной фазы и отражающие электроды шириной /4 с периодом 2 таким образом, что ближайшими электродами для них являются электроды первой фазы, все зазоры выполнены равными 3/16, - длина ПАВ на средней частоте преобразователя [13].

1 - Электроды первой фазы; 2 - электроды второй фазы; 3 - отражатель.

Рисунок 2.7 - Однонаправленный ВШП с внутренними отражателями.

Преобразователь содержит пьезоэлектрический электроды первой фазы 1 с ширинами электродов /4 и /2 соответственно с периодом 2, между ними расположены электроды противоположной фазы 2 и отражающие электроды 3 с ширинами /4 и периодом 2. Межэлектродные зазоры 5 выполнены равными 3/16.

При подаче электрического сигнала на противофазные электроды 1 и 2 в подложке возбуждаются ПАВ, которые распространяются в противоположные стороны от парциальных встречно-штыревых преобразователей (ВШП), образованных широким (/2) и узким (/4) электродами первой фазы 1 и электродом 2 противоположной фазы, находящимися между ними. ПАВ отражаются парциальными ВШП образованными узким и широким электродами первой фазы 1 и отражающим электродом 3, находящимся между ними. Расстояние между центрами отражающих парциальных ВШП, находящихся справа и слева от излучающего ВШП равны 7/8 и 9/8 соответственно. При отражении от ВШП с тремя штырями меняет ПАВ фазу на /2. Тогда фаза отраженной справа ПАВ равна 3, а слева - 4, т.е. отраженная слева ПАВ находится в противофазе с излученной ПАВ, а справа - в фазе. Так как отражательные парциальные ВШП расположены с периодом 2, то все отраженные ПАВ будут складываться в фазе и при некотором числе отражателей амплитуда ПАВ , находящихся в противофазе с излученными ПАВ станет близка к их суммарной амплитуде, что приведет к преимущественному излучению ПАВ влево, т.е. к однонаправленному режиму. Так как коэффициент отражения от отражательных парциальных ВШП с числом электродов равным трем (Nk²_эфф<<₀C_T, С_Т - статическая емкость парциального ВШП, k²_эфф -квадрат коэффициента электромеханическрой связи, ₀=2f₀, f₀ - средняя частота преобразователя) равен 4k²_эфф/, то число отражающих парциальных ВШП равно M/(4k²_эфф).

2.2.2 Расчет основных параметров приемо-передающего ВШП

Для осуществления дальнейших расчетов необходимо задаться начальными параметрами и выбрать частоту акустического синхронизма ВШП.

Пусть минимальное расстояние между отражательными ВШП составляет 15мкм. Зная скорость распространения звука на подложке ниобата лития и квадрат коэффициента электромеханической связи, можно приближенно вычислить скорость распространения ПАВ на металлизированной поверхности:

k²=2ДV/V=2(V-V_m)/V,

где V- скорость ПАВ на свободной поверхности; V_m -скорость ПАВ на металлизированной поверхности; k² - квадрат коэффициента электромеханической связи.

Тогда согласно выражению (2.4):

V_m=V - k²V/2=3488-0.045*3488/2=3409,52(м/с)

Зная скорость распространения звуковой волны и минимальное расстояние между отражателями можно вычислить время задержки импульса:

ф_з=S/V_ПАВ=15*10^-6/3409,52=4,40(нс),

где V_ПАВ - скорость звука на подложке с учетом металлизации (для ниобата лития V_ПАВ =3409,52(м/с).

Частоту акустического синхронизма будем вычислять исходя из соотношения:

f₀ >>1/ (ф_з +ф_и)

где ф_и - длительность импульса.

В свою очередь необходимо выполнение условия, при котором ф_з>>ф_и. Предположим, что достаточным будет следующее соотношение ф_и =3ф_з. Тогда:

ф_и=3*4,40=13,20(нс).

Таким образом, можно вычислить частоту акустического синхронизма:

f₀ >>1/ 13,20*10^-9=75,76(МГц).

Исходя из позиции различимости импульса, выберем частоту, в 12 раз превышающую полученную. Следовательно f₀=909МГц.

Период ВШП будет равен:

L_ВШП=л=V_ПАВ/f₀=3409.52/909•10⁶=3/75(мкм).

Вычислим n число периодов N₂, обеспечивающих эффективную работу преобразователя:

.

С учетом того, что электроды расположены через 2 периода ВШП, то

N₂=8.

Число отражающих парциальных ВШП:

M==17.

Апертуру всех ВШП примем равной:

W_ВШП=(10-200) л =80л=300(мкм).

Так как парциальные отражатели располагаются через две длины ПАВ, то полоса пропускания ВШП:

Дf= f₀/2М=909 МГц/34=27(МГц).

Проводимость ВШП определяется формулой вида:

Y_ВШП=Ga+j(Ba+C_T)

где Ga - активная составляющая проводимости излучения ВШП;

Ba - реактивная составляющая проводимости излучения ВШП;

C_T - статическая ёмкость ВШП;

=2f.

Причем значения Ba и Ga определятся по формулам [14]:

(2.7)

(2.8)

где =5.568*10^-13Ф;

;

С₂=465 пФ/м (ёмкость пары электродов, находится по справочнику для ниобата лития)

На центральной частоте выполняется условие:

Величина Ba пренебрежимо мала по сравнению с емкостной составляющей. Тогда входная проводимость ВШП в комплексной форме будет иметь вид:

Y_ВШП=Ga+jC_T=2,915*10^-3+j6,36*10^-3.

Для последующих расчетов необходимо также вычислить входное сопротивление. В комплексном виде оно будет записываться как:

R=1/Y_ВШП=59,5-j130.

2.2.3 Выбор и расчет отражателей

В качестве отражателей предлагается использовать двунаправленные ВШП, с периодами и апертурой, равными периоду и апертуре приемо-передающего ВШП (рисунок 2.8) вместо традиционных отражающих полосок (канавок). Данный выбор диктуется возможностью варьирования в широких пределах коэффициента отражения каждого отражатели и, кроме того, возможность реализации частотной избирательности метки в пределах полосы пропускания.

Рисунок 2.8 - Двунаправленные ВШП в составе отражателя

На начальном этапе расчетов вычислим максимальный коэффициент отражения от отражателя из двух ВШП.



где M - число периодов в обоих частях отражателя, k²- квадрат коэффициента электромеханической связи.

В то же время необходимо выполнение условия:

где N-число периодов в одном из ВШП отражателя.

Для выполнения данного условия возьмем 1 период ВШП. Коэффициент электромеханической связи для подложки ниобата лития со срезом в направлении Y, X постоянен и равен в относительных единицах 0,053. Тогда:

Условие выполняется.

Следовательно число периодов в обоих частях отражателя будет равно 2 и максимальный коэффициент отражения будет равен:

Для оптимальной кодировки данных и с учетом затуханий в металлической пленке ограничимся числом отражателей N=20.

Рассчитаем расстояния б_i между парциальными ВШП и коэффициент отражения k_i. Полученные данные занесем в таблицу 2.4.

,

,

i=0,1,2….N, где N - число отражателей, -коэффициент отражения от отражателя из двух ВШП, л₀ - период, а M - число периодов в обоих частях отражателя, k²- квадрат коэффициента электромеханической связи.

Отражатель состоит из 2-х половинок, сдвинутых друг относительно друга на расстояние б_i. В этом случае ПАВ, отраженные от каждой половинки отражателя, приходят на приемо-передающий ВШП со сдвигом фаз, определяемым расстоянием между одинаковыми частями отражателя и суммарная амплитуда ПАВ определяется выражением:

где - амплитуда ПАВ, падающей на отражатель, - коэффициент отражения от i-того отражателя, f - частота, - длина ПАВ, - расстояние между половинками в i-том отражателе.

Чтобы переотраженные от соседних отражателей ПАВ не искажали отраженную импульсную последовательность, отражатели выполняются с малым коэффициентом отражения (не более 0,1-0,15). В этом случае переотраженные ПАВ по амплитуде будут почти на порядок меньше, чем отраженные ПАВ, падающие на отражатели от приемо-передающего однонаправленного ВШП. Поэтому отражатели, выполненные в виде ВШП, должны содержать малое число электродов, чтобы коэффициент отражения от них не превышал вышеуказанной величины. Необходимо учитывать, что ПАВ, падающие на следующий отражатель, будут по амплитуде несколько меньше, чем ПАВ, падающие на предыдущий отражатель, так как при каждом отражении часть энергии ПАВ уходит в отраженный сигнал и амплитуда ПАВ по мере распространения в системе отражателей убывает. Следовательно, по мере удаления от приемо-передающего ВШП, амплитуды отраженных ПАВ убывают, а импульсы в отраженной последовательности имеют разную (убывающую) амплитуду. Чтобы этого не происходило, коэффициент отражения уменьшается по мере удаления от приемо-передающего ВШП. Это достигается тем, что отражательные ВШП выполнены из двух одинаковых частей, сдвинутых относительно друг друга на расстояния а_i, которое зависит от номера отражателя, отсчитываемого от приемо-передающего ВШП

Зададим шаг изменения величины б_i равным 1,6 мкм исходя из разрешающей способности обычной контактной фотолитографии, которая будет применяться в дальнейшем при кодировании данных непосредственно в процессе изготовления метки. Также подразумевается наличие всех отражателей на подложке, что соответствует двоичному коду: 11111111111111111111. Допустим, что мощность принимаемого меткой сигнала 100 мВт (максимально допустимая мощность передачи сигнала радиочастотного диапазона) без учета потерь на распространения электромагнитной волны в пространстве. При этом учтены все возможные потери, вносимые как самим приемо-передающим ВШП, так и антенной (п 2.3.4). Произведем расчет и занесем полученные значения в таблицу 2.4

Таблица 2.4 - Результаты расчета

Номер отражателя	Значение бi , мкм	Коэффициент отражения ki	Суммарная амплитуда, мВт
0	3,75	0,115	4,83
1	5,35	0,102	3,75
2	6,95	0,102	3,39
3	8,55	0,101	2,98
4	10,15	0,1	2,6
5	11,75	0,098	2,26
6	13,35	0,095	2
7	14,95	0,093	1,67
8	16,55	0,09	1,43
9	18,15	0,086	1,21
10	19,75	0,082	1,03
11	21,35	0,078	0,85
12	22,95	0,074	0,71
13	24,55	0,069	0,59
14	26,12	0,063	0,48
15	27,75	0,058	0,38
16	29,35	0,052	0,29
17	30,95	0,046	0,22
18	32,55	0,039	0,16
19	34,15	0,032	0,11

Из таблицы 2.4 видно, что коэффициент отражения, как и сам сигнал практически линейно уменьшается по мере распространения от приемо-передающего ВШП.

2.2.4 Конструкция метки

На рисунке 2.9 изображена конструкция предлагаемой метки на ПАВ.

Рисунок 2.9 - Конструкция РЧИД-метки на ПАВ

2.2.5 Кодирование данных

Определим минимальную длительность считывания импульса:

Ф_{и. мин}=1/Дf=1/27*10⁶=37 (нс).

Расстояние между отраженными импульсами должно быть равно удвоенной длительности считывающего импульса (74 нс), что позволяет легко различить отраженные импульсы на импульсном отклике от радиочастотной метки:

R=V_ПАВ* 2Ф_{и. мин} =3409.52*74*10^-9=252,3(мкм)

Возьмем наиболее простой способ кодировки данный включением-выключением импульса. В этом случае наличие отражателя на заданном фиксированном промежутке будет восприниматься как 1, отсутствие как 0. Покажем также возможность одновременного опроса нескольких меток при передвижении массива отражателей на расстояние от 1 до 10 мм. Изобразим это в виде диаграммы, представленной на рисунке 2.10.

Рисунок 2.10 -временная диаграмма положения отражателей при перемещении массива относительно приемо-передающего ВШП

Таким образом, как видно из диаграммы, имеется возможность исключить наложения сигналов перемещением массива отражателей относительно приемо-передающего ВШП при одновременном опросе сразу нескольких меток.

2.2.6 Определение габаритных размеров проектируемой метки

Определяем длину звукопровода [15].

L_д = L_вх + L_отр + L₁ + 2L₂

где L_вх - длина входного преобразователя; L_отр - длина массива отражателей; L₁ = 1…10 мм - расстояние между приемо-передающим ВШП и первым отражателем массива; L₂ = 5…10 мм - расстояние между крайним электродом преобразователя и торцевой гранью звукопровода.

Длина входного преобразователя:

L_вх = 17*18/16 л +16*10/16л=71,72+37,5=109,22(мкм).

Длина массива отаражателей:

L_отр=Уa_i+(20-1)R=5172,67(мкм).

Тогда:

L_дmax=109,22+5172,67+10000+5000=20282 мкм?20,3(мм).

Ширина звукопровода, мм:

L_ш = W_вх + 2(L3 + L4)=0,3+2(5+0,00093)=10,3.

где L₃ = 5…10 мм - расстояние между общей шиной решетки преобразователя и продольной гранью звукопровода; L₄ = 2d - ширина общей шины решетки преобразователя.

Толщина звукопровода выбирается около 20л для уменьшения влияния объемных волн. В нашем случае толщина звукопровода составляет 75 мкм.

2.3 Технологические этапы изготовления РЧИД-метки на ПАВ

2.3.1 Стадия предварительной обработки поверхности подложек

При шлифовке рабочей поверхности звукопроводов используется асимптотический метод, т.е. последовательная обработка все более мелкими корундовыми шлифпорошками. Шлифовка начинается порошками №25 и №3, а затем микропорошками М20, М10 и М5. Это позволяет получить чистоту поверхности около 10 и глубину нарушенного слоя монокристалла 5-7 мкм [16].

Обработка звукопроводов диаметром 76 мм производится свободным абразивом по групповому методу на шлифовальном станке планетарного типа. Во время процесса возможен также активный контроль толщины посредством измерения интенсивности пьезошумов.

Полировка рабочей поверхности звукопроводов из ниобата лития производится на полировальном станке типа В1М3.105.001 с использованием на начальном этапе алмазной пасты АСМ 715 или АСМ 5/3, на конечном этапе алмазной пастой АСМ 1/10.

2.3.2 Предварительная очистка подложек ниобата лития

Для получения хорошей адгезии и возпроизводимости электрофизических свойств наносимых на подложку электродов, поверхность звукопровода должна быть подвергнута тщательной очистке. Способ очистки во многом зависит от выбранного метода последующей металлизации.

Стадия предварительной очистки подложек ниобата лития состоит из следующих этапов [17].

Этап 1: промывка в трихлорэтилене (около 10 минут).

Этап 2: промывка в ацетоне (около 10 минут).

Этап 3: промывка в метаноле и воде.

Этап 4: погружение в смесь из трех частей воды, одной части концентрированной щелочи NH₄OH и одной части 30 % - ной нестабильной перекиси водорода H₂O₂ на 10 минут при температуре 75^_С.

Этап 5: ультразвуковая отмывка в ванне с моющим средством при температуре 65^_С (примерно в течение 10 минут).

Этап 6: отмывка от моющего средства водой с удельным сопротивлением 18 МОм (при температуре 65^_С.

Этап 7: промывка в проточной воде, имеющей удельное сопротивление 18 МОм в течение 30-60 минут при температуре 65^_С.

Этап 8: сушка и оценка угла смачиваемости образца.

Этап 9: повторная промывка в воде и просушивание в потоке сухого азота.

Этапы 1, 2 и 3 предназначены для удаления легкорастворимых загрязнений, а на этапе 4 - труднорастворимых. На этапе 5 используется 1%-ный раствор основного моющего средства технической чистоты. Моющее средство может содержать ионные примеси, так как их наличие не имеет значения для технологии устройств на ПАВ.

На этапе 8 оценивается степень очистки поверхности по характеру смачивания поверхности образцов водой. Угол между поверхностью капли воды и поверхностью образца в большей степени зависит от загрязненности поверхности. Для определения этого угла образец фторопластовым вакуумным пинцетом вынимается из ванны с чистой водой. Так как вода и подложка подогреты, вода быстро испаряется и стягивается по направлению от краев пластины к ее центру. Если поверхность образца свободна от загрязнений, то поверхность воды на границе раздела образует острый угол с поверхностью подложки, и в тонком граничном слое воды отчетливо видны интерференционные кольца. В противном случае поверхность воды образует с поверхностью образца тупой угол и интерференционные кольца не наблюдаются. Малые локальные загрязнения приводят к различным значениям угла на разных участках границы.

2.3.3 Окончательная очистка подложек от загрязнений

Для окончательной очистки поверхности используют раствор следующего состава: натрий углекислый - 6 г, тринатрий фосфат - 8 г, метасиликат натрия - 10 мл, смачиватель ОП-10 - 3 мл, дистиллированная вода до 1 л.

Подложки помещаются в стакан с моющим раствором и нагреваются до 60±5° С. После этого производится обработка пластин в ультразвуковой ванне в течение трех минут при той же температуре. Затем производится промывка в нагретой до 60° С деионизированной воде и вновь подложки подвергаются ультразвуковой трехминутной обработке, но уже в дистиллированной воде при температуре 50° С. Для улучшения качества очистки промывку в поде повторяют несколько раз. В завершении звукопроводы кипятят в ацетоне в течение 3 минут. Сушка осуществляется в парах ацетона на расстоянии 1,5 - 2 см над его поверхностью в течение 45±15 с.

Использование ультразвуковой обработки позволяет удалить с поверхности звукопроводов остатки масел и мастик после шлифовки и полировки.

При промывке подложек и химической обработке применяется современная установка химической очистки «Лада-М», использование которой позволяет значительно сократить время проведения стадий предварительной и окончательной очистки подложек. Она имеет в своем составе технологический модуль изменяемой конфигурации, который содержит ванны для химической очистки, стоп-ванну, ванны финишной промывки. Блок подачи химических реактивов обеспечивает автоматизированную дозированную подачу реактивы в ванны из блоков химической подготовки растворов. Возможна также групповая кассетная обработка подложек. Управление технологическим процессом и контроль задаваемых параметров осуществляется с помощью ЭВМ.

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 б_б=(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 (л/4?937 нм), а также необходимость точного соблюдения межэлектродного расстояния (в приемо-передающем ВШП оно достигает до 3/16л?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 26Ч32 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 л = 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. 8.5Ч5.5 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 Е_и, или Ец), 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 90^о 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

Ориентация метки, є	Ослабление сигнал, дБ
0	0,0
15	0,3
30	1,25
45	3,01
60	6,02
75	11,74
90	?

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 R_m=Z_m+jX_m, 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/(2рfL)= 2рfC_ВШП

L=1/((2рf)²* C_ВШП)=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 л/d, где d - диаметр провода. Зависимость входного сопротивления полуволнового вибратора от отношения л/d приведена на рисунке 2.16.

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

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

R_A=R_M=59.5 (Ом).

Тогда по графику:

л/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= л/2*K=0.155235.

Рисунок 2.17 - Коэффициент укорочения полуволнового вибратора в зависимости от отношения л/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/б 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; б=0.27 см. Ширину печатного проводника вычисляем по формуле:

S?(А- б)/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:

¦А_ВШП (щ)¦?5,8(дБ).

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

А(щ)?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:

А_{СВ. 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:

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

Таким образом, результирующие потери будут равны:

А_РЕЗ=2 А(щ)+А_{СВ. ПОВ}+ А_ОТР=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

№	Стадии инновационного процесса	Затраты в %
1	Поисковые исследования	1
2	Исследования (разработка базового варианта)	5-10
3	Прикладные разработки (НИР)	10-20
4	Подготовка производства (ОКР и ТПП)	40-60
5	Организация производства	5-15
6	Маркетинг и организация сбыта	10-25
7	Послереализационное обслуживание	3-5

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

Материалы и другие материальные ресурсы	Единица измерения	Потребное количество	Цена за единицу	Сумма, тыс. руб.
Сырье	-	-	-	-
Основные материалы	-	-	-	-
Вспомогательные материалы	-	-	-	31
Покупные полуфабрикаты	-	-	-	42
Комплектующие изделия	-	-	-	26
ИТОГО	99
Транспортно-заготовительные расходы	6,93
ВСЕГО	-	105,93

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

Спецоборудование	Количество, шт.	Цена за единицу, тыс. руб.	Сумма, тыс. руб.
Лабораторно-изобретательная установка
Линия химобработки «Лада М»	1 шт.	210,2	210,2
Установка совмещения и экспонирования ЭМ-5026М1	1 шт.	850	850
Многоканальный лазерный генератор изображений на фотошаблонах ЭМ-5189	1 шт.	4812	4812
Установка контроля топологии фотошаблонов ЭМ-6329	1 шт.	1604	1604
Установка лазерного устранения дефектов ЭМ--5001Б	1 шт.	2566,4	2566,4
УВН-75П-1	1 шт.	250	250
Установка резки ЭМ-2065	1 шт.	50	50
Оснастка	-	620,556	620,556
ИТОГО	10963,156
Транспортно-заготовительные расходы	1644,4734
ИТОГО	12607,6294

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

№	Наименование этапов и работ	Длительность работ, недели	Разряд	Кол-во	Оклад, руб/ч	Затраты, руб.
1	Патентно-библиографический поиск	10,56	5 разряд	1	70,2	29652,5
2	Математическое обоснование	14,08	5 разряд	1	70,2	39536,6
3	Математическое моделирование	14,43	5 разряд	1	70,2	40519,4
4	Анализ результатов	11,97	5 разряд	1	70,2	33611,8
5	Оформление ПЗ	7,04	5 разряд	1	70,2	19768,3
6	Оформление графического материала	8,10	5 разряд	1	70,2	22744,8
7	Сдача работы	4,22	5 разряд	1	70,2	11849,8
ИТОГО:	197683

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

№	Наименование этапов и работ	Дополнительная зарплата, руб.
1	Патентно-библиографический поиск	2965,25
2	Математическое обоснование	3953,66
3	Математическое моделирование	4051,94
4	Анализ результатов	3361,18
5	Оформление ПЗ	1976,83
6	Оформление графического материала	2274,48
7	Сдача работы	1184,98
Итого:	19768,32

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

№	Наименование этапов и работ	Единый социальный налог, руб.
1	Патентно-библиографический поиск	8480,60
2	Математическое обоснование	11307,48
3	Математическое моделирование	11588,56
4	Анализ результатов	9612,96
5	Оформление ПЗ	5653,74
6	Оформление графического материала	6505,01
7	Сдача работы	3389,03
Итого:	56537,4

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

№	Наименование этапов и работ	Расходы на командировки, руб.
1	Патентно-библиографический поиск	889,57
2	Математическое обоснование	1186,1
3	Математическое моделирование	1215,6
4	Анализ результатов	1008,4
5	Оформление ПЗ	593,05
6	Оформление графического материала	682,34
7	Сдача работы	355,49
Итого:	5930,5

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

№	Наименование этапов и работ	Прочие прямые расходы, руб.
1	Патентно-библиографический поиск	296,52
2	Математическое обоснование	395,37
3	Математическое моделирование	405,19
4	Анализ результатов	336,12
5	Оформление ПЗ	197,68
6	Оформление графического материала	227,45
7	Сдача работы	118,5
Итого:	1976,83

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

№	Наименование этапов и работ	Накладные расходы, руб.
1	Патентно-библиографический поиск	65235,46
2	Математическое обоснование	86980,61
3	Математическое моделирование	89142,77
4	Анализ результатов	73945,87
5	Оформление ПЗ	43490,3
6	Оформление графического материала	50038,56
7	Сдача работы	26069,47
Итого:	434903

Результаты расчетов статей затрат заносятся в таблицу 3.5.

Таблица 3.5

СТАТЬИ ЗАТРАТ	СУММА, руб
1. Материалы	105930
2. Спецоборудование	12607629
3. Основная заработная плата	197683
4. Дополнительная заработная плата	19768
5. Единый социальный налог	56537
6. Расходы на служебные командировки	5931
7. Затраты по работам, выполняемым сторонними организациями	5000
8. Прочие прямые расходы	1977
9. Накладные расходы	434903
ИТОГО	13435360

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.