Најмали механички елементи за монолитна интеграција во микросистеми - спектар на
Најмали механички елементи за монолитна интеграција во микросистеми
Кога една компанија пред неколку години ни наложи да развиеме интегриран сензорски систем за мерење притисок и температура во крвните садови, моравме да избереме соодветна техника на производство. Ширината на чипот беше одредена на само 0,7 милиметри; подоцнежните модели треба да бидат уште помали. Со цел да се минимизира бројот на линии за напојување и да се зголеми имунитетот на пречки, обработката на сигналот треба да се одвива директно на чипот на сензорот; Заради потребната мала потрошувачка на енергија, требаше да се користат CMOS-кола, кои се карактеризираат со особено ниски побарувања за напојување, а бидејќи системот за сензори требаше да се користи во производ за еднократна употреба, производствениот процес исто така требаше да биде ефтин.
Одлучивме за микромеханика, односно производство на многу мали просторни структури користејќи микроелектронски процеси како што се литографија, хемиско и физичко таложење и гравирање. Бидејќи овие техники беа развиени особено за обработка на силициум, овој материјал е исто така најпосакуван во микромеханиката.
Во тоа време, сепак, скоро исклучиво се користеше таканаречената рефусна микромеханика, во која наполитан - силиконската обланда на која се обработуваат многу чипови истовремено - е структурирана во длабочина со анизотропско офорт, доколку е потребно во текот на целата дебелина на наполитанката и нејзината дебелина Отстапи. Со оваа технологија, може да се произведат тенки силиконски мембрани, на кои може да се применат отпорници чувствителни на виткање (слика 1). Меѓутоа, бидејќи theидовите на конструкциите не се целосно вертикални, но се малку наклонети како резултат на гравирање, елементите на сензорот за притисок не можат да се намалат во големина со користење на оваа технологија. Ширина на чип од 0,7 милиметри или помала тешко дека би била можна на овој начин. Масовната микромеханика исто така користи разни процеси кои можат да се интегрираат само во стандарден процес на CMOS со голема тешкотија.
Друг процес за производство на механички структури на силикон, кој многу подобро одговара на стандардниот процес CMOS, беше претставен во 1984 година од страна на Хенри Гакел и Д.В. Изгореници од Универзитетот во Висконсин во Медисон. Во оваа технологија, која сега е позната како површинска микромеханика, силиконската обланда се обработува само на површината, како во микроелектроника. Ова создава рамни структури со максимална дебелина од неколку микрометри.
Додека најголемата микромеханика бара посебни процеси во некои области кои не се дел од технологијата на производство на интегрални кола, површинската микромеханика се базира скоро исклучиво на стандардни процеси. Затоа, сметавме дека оваа технологија е особено погодна за производство на капацитивни сензори за притисок со најмали димензии за нашата намена.
Во првиот чекор, се создава високо-спроводлива, n-допирана област на силициумската подлога со имплантација на јон (слика 2). По депонирање на изолационен слој, друг навршен слој изработен од жртвен материјал - во овој случај силициум диоксид - се нанесува на нафора и се структурира. Дебелината на жртвениот слој го одредува подоцнежното растојание помеѓу самоодржливата конструкција и површината на нафора. Потоа се депонира и структурира втор, потенок слој на оксид; ги дефинира каналите за офорт кои се потребни подоцна за повторно да се отстрани жртвуваниот слој. Следно, ставате поликристален силициум за самоподдржувачките елементи и го структурирате со фото-техника. Потоа жртвуваниот материјал под конструкцијата селективно се отстранува со офортлива течност и каналите за офорт се затвораат.
Мембраната произведена на овој начин и n-допираната подлога формираат кондензатор на плоча. Со притискање на мембраната се менува неговото растојание до подлогата, а со тоа и капацитетот на кондензаторот. Опсегот на мерење зависи од дебелината и дијаметарот на мембраната. За да се зголеми чувствителноста на сензорот, паралелно може да се поврзат неколку елементи за да се засили излезниот сигнал (слика 4).
Сензорот за притисок тогаш мораше да се интегрира со кола за проценка и сензор за температура на истиот чип, што беше лесно можно поради високата компатибилност на производните процеси (Слика 3). Микросистемот е наменет за инсталација во венски и артериски катетри кои во моментов се тестираат клинички.
Во меѓувреме, разни компании претставија монолитен и хибриден интегриран сензор, кои се произведени со помош на површинска микромеханика. Се очекува дека ваквите сензорски системи ќе продолжат да добиваат важност и во иднина.