Cele mai mici elemente mecanice pentru integrarea monolitică în microsisteme - spectru de
Cele mai mici elemente mecanice pentru integrarea monolitică în microsisteme
Când o companie ne-a comandat acum câțiva ani să dezvoltăm un sistem de senzori integrat pentru măsurarea presiunii și temperaturii în vasele de sânge, a trebuit să selectăm o tehnică de fabricație adecvată. Lățimea cipului a fost specificată la doar 0,7 milimetri; modelele ulterioare ar trebui să fie și mai mici. Pentru a minimiza numărul de linii de alimentare și pentru a crește imunitatea la interferențe, procesarea semnalului ar trebui să aibă loc direct pe cipul senzorului; Datorită consumului redus de energie necesar, a trebuit să se utilizeze circuite CMOS, care se caracterizează printr-un consum de energie deosebit de redus și deoarece sistemul de senzori urma să fie utilizat într-un produs pentru o singură utilizare, procesul de fabricație a trebuit, de asemenea, să fie ieftin.
Am decis asupra micromecanicii, adică fabricarea unor structuri spațiale foarte mici folosind procese microelectronice, cum ar fi litografia, depunerea chimică și fizică și gravarea. Deoarece aceste tehnici au fost dezvoltate în special pentru prelucrarea siliciului, acest material este de asemenea preferat în micromecanică.
În acel moment, totuși, erau utilizate aproape exclusiv așa-numitele micromecanice în vrac, în care napolitana - napolitena de siliciu pe care sunt prelucrate mai multe așchii în același timp - este structurată în profunzime cu gravare anizotropă, dacă este necesar pe întreaga grosime a napolitanului și grosimea acesteia. Retrage-te. Cu această tehnologie, se pot produce membrane subțiri de siliciu, pe care pot fi aplicate rezistențe sensibile la îndoire (Fig. 1). Cu toate acestea, deoarece pereții structurilor nu sunt complet verticale, dar ușor înclinate ca urmare a gravării, elementele senzorului de presiune nu pot fi reduse în dimensiune folosind această tehnologie. O lățime a cipului de 0,7 milimetri sau mai mică cu greu ar fi fost posibilă în acest fel. Micromecanica în vrac utilizează, de asemenea, diverse procese care pot fi integrate doar într-un proces CMOS standard cu mare dificultate.
Un alt proces pentru producerea de structuri mecanice pe siliciu, care se potrivește mult mai bine procesului CMOS standard, a fost prezentat în 1984 de Henry Guckel și D.W. Burns de la Universitatea din Wisconsin la Madison. În această tehnologie, care este acum cunoscută sub numele de micromecanică de suprafață, napolitana de siliciu este procesată doar la suprafață, ca și în microelectronică. Rezultă astfel structuri plane cu o grosime maximă de câțiva micrometri.
În timp ce micromecanica în vrac necesită procese speciale în unele domenii care nu fac parte din tehnologia de fabricație pentru circuite integrate, micromecanica de suprafață se bazează aproape exclusiv pe procese standard. Prin urmare, am considerat că această tehnologie este deosebit de potrivită pentru producerea senzorilor de presiune capacitivi cu cele mai mici dimensiuni pentru scopul nostru.
Într-o primă etapă, pe substratul de siliciu se creează o zonă extrem de conductivă, dopată cu n, prin intermediul implantării ionice (Fig. 2). După ce s-a depus un strat izolator, un alt strat de zonă completă dintr-un material sacrificial - în acest caz dioxid de siliciu - este aplicat pe napolitane și structurat. Grosimea stratului sacrificial determină distanța ulterioară între structura autoportantă și suprafața napolitanei. Apoi se depune și se structurează un al doilea strat de oxid mai subțire; definește canalele de gravare care sunt necesare ulterior pentru a îndepărta din nou stratul de sacrificiu. Apoi, aplicați siliciu policristalin pentru elementele autoportante și îl structurați cu o tehnică foto. Materialul de sacrificiu de sub structură este în cele din urmă îndepărtat selectiv cu un lichid de gravare și canalele de gravare sunt închise.
Membrana produsă în acest mod și substratul dopat n formează un condensator de placă. Apăsarea membranei își schimbă distanța față de substrat și, astfel, și capacitatea condensatorului. Domeniul de măsurare depinde de grosimea și diametrul membranei. Pentru a crește sensibilitatea senzorului, mai multe elemente pot fi conectate în paralel pentru a amplifica semnalul de ieșire (Fig. 4).
Senzorul de presiune a trebuit apoi să fie integrat cu un circuit de evaluare și un senzor de temperatură pe același cip, ceea ce a fost ușor posibil datorită compatibilității ridicate a proceselor de fabricație (Fig. 3). Microsistemul este destinat instalării în catetere venoase și arteriale care sunt în prezent testate clinic.
Între timp, diverse companii au prezentat senzori monolitici și hibrizi integrați care sunt fabricați utilizând micromecanică de suprafață. Este de așteptat ca astfel de sisteme de senzori să continue să câștige importanță în viitor.