Най - малките механични елементи за монолитна интеграция в микросистеми - спектър на
Най-малките механични елементи за монолитна интеграция в микросистеми
Когато преди няколко години компания ни възложи да разработим интегрирана сензорна система за измерване на налягане и температура в кръвоносните съдове, трябваше да изберем подходяща производствена техника. Ширината на чипа беше определена на само 0,7 милиметра; по-късните модели трябва да са още по-малки. За да се сведе до минимум броят на захранващите линии и да се увеличи устойчивостта на смущения, обработката на сигнала трябва да се извършва директно върху сензорния чип; Поради необходимата ниска консумация на енергия, трябваше да се използват CMOS схеми, които се характеризират с особено ниска консумация на енергия и тъй като сензорната система трябваше да се използва в продукт за еднократна употреба, производственият процес също трябваше да бъде евтин.
Ние избрахме микромеханика, т.е. производство на много малки пространствени структури с помощта на микроелектронни процеси като литография, химическо и физическо отлагане и офорт. Тъй като тези техники са разработени по-специално за обработка на силиций, този материал е предпочитан и в микромеханиката.
По това време обаче се използват почти изключително т.нар. Обемна микромеханика, при която пластината - силициевата пластинка, върху която се обработват много стружки едновременно - е структурирана в дълбочина с анизотропно офорт, ако е необходимо по цялата дебелина на пластината и нейната дебелина Отстъпи. С тази технология могат да се произвеждат тънки силициеви мембрани, върху които могат да се прилагат чувствителни към огъване резистори (фиг. 1). Тъй като обаче стените на конструкциите не са напълно вертикални, но са леко наклонени в резултат на офорта, елементите на сензора за налягане не могат да бъдат намалени по размер, използвайки тази технология. Ширина на чипа от 0,7 милиметра или по-малка едва ли би била възможна по този начин. Насипната микромеханика също използва различни процеси, които могат да бъдат интегрирани само в стандартен CMOS процес с големи трудности.
Друг процес за производство на механични структури върху силиций, който се вписва много по-добре със стандартния CMOS процес, беше представен през 1984 г. от Хенри Гукел и Д.В. Бърнс от Университета на Уисконсин в Медисън. При тази технология, която сега е известна като повърхностна микромеханика, силициевата пластина се обработва само на повърхността, както в микроелектрониката. Това води до плоски структури с максимална дебелина от няколко микрометра.
Докато обемната микромеханика изисква специални процеси в някои области, които не са част от производствената технология за интегрални схеми, повърхностната микромеханика се основава почти изключително на стандартни процеси. Ето защо сметнахме, че тази технология е особено подходяща за производството на капацитивни сензори за налягане с най-малки размери за нашата цел.
В първата стъпка се създава силно проводима, n-легирана зона върху силициевия субстрат посредством йонна имплантация (фиг. 2). След депозиране на изолационен слой, върху пластината се нанася и структурира друг слой с пълна площ, направен от жертвен материал - в случая силициев диоксид. Дебелината на жертвения слой определя по-късното разстояние между самоносещата конструкция и повърхността на вафлата. След това се отлага и структурира втори, по-тънък оксиден слой; той определя каналите за офорт, които са необходими по-късно, за да се премахне отново жертвеният слой. След това прилагате поликристален силиций за самоносещите елементи и го структурирате с фототехника. Жертвеният материал под конструкцията накрая се отстранява селективно с ецваща течност и ецващите канали се затварят.
Така получената мембрана и легираният с n субстрат образуват пластинен кондензатор. Натискането на мембраната променя нейното разстояние до основата и по този начин и капацитета на кондензатора. Обхватът на измерване зависи от дебелината и диаметъра на мембраната. За да се увеличи чувствителността на сензора, няколко елемента могат да бъдат свързани паралелно за усилване на изходния сигнал (фиг. 4).
След това сензорът за налягане трябваше да бъде интегриран с верига за оценка и температурен сензор на същия чип, което беше лесно възможно поради високата съвместимост на производствените процеси (фиг. 3). Микросистемата е предназначена за инсталиране във венозни и артериални катетри, които в момента се тестват клинично.
Междувременно различни компании представиха монолитни и хибридни интегрирани сензори, които се произвеждат с помощта на повърхностна микромеханика. Очаква се, че такива сензорни системи ще продължат да придобиват все по-голямо значение в бъдеще.