A legkisebb mechanikus elemek a monolitikus integrációhoz a mikrorendszerekben - a spektrum
A legkisebb mechanikus elemek a monolitikus integrációhoz a mikrorendszerekben
Amikor egy vállalat néhány évvel ezelőtt megbízott bennünket egy integrált érzékelő rendszer kifejlesztésében az erek nyomásának és hőmérsékletének mérésére, megfelelő gyártási technikát kellett választanunk. A chip szélességét mindössze 0,7 milliméterben határozták meg; a későbbi modelleknek még kisebbeknek kell lenniük. A tápvezetékek számának minimalizálása és az interferenciával szembeni immunitás növelése érdekében a jelfeldolgozásnak közvetlenül az érzékelő chipen kell történnie; Az előírt alacsony energiafogyasztás miatt CMOS áramköröket kellett használni, amelyekre különösen alacsony az energiafogyasztás jellemző, és mivel az érzékelő rendszert egyszeri használatra kellett volna használni a termékben, a gyártási folyamatnak is olcsónak kellett lennie.
A mikromechanikáról döntöttünk, vagyis nagyon kicsi térszerkezetek gyártásáról mikroelektronikai eljárások, például litográfia, kémiai és fizikai lerakódás és maratás segítségével. Mivel ezeket a technikákat különösen a szilícium feldolgozására fejlesztették ki, a mikromechanikában is ezt az anyagot részesítik előnyben.
Abban az időben azonban szinte kizárólag úgynevezett ömlesztett mikromechanikát alkalmaztak, amelyben az ostya - a szilícium ostya, amelyen egyszerre sok forgácsot dolgoznak fel - anizotrop maratással, szükség esetén az ostya teljes vastagságán és vastagságán alaposan strukturálódik. Hátrálj. Ezzel a technológiával vékony szilícium membránok készíthetők, amelyekre hajlításra érzékeny ellenállások alkalmazhatók (1. ábra). Mivel azonban a szerkezetek falai nem teljesen függőlegesek, hanem kissé le vannak hajlítva a maratás következtében, a nyomásérzékelő elemek mérete nem csökkenthető ezzel a technológiával. A 0,7 milliméteres vagy annál kisebb forgácsszélesség ilyen módon aligha lett volna lehetséges. Az ömlesztett mikromechanika különféle folyamatokat is alkalmaz, amelyek csak nagy nehézségek árán integrálhatók egy szabványos CMOS-folyamatba.
A szilíciumon lévő mechanikai szerkezetek előállításának egy másik folyamatát, amely sokkal jobban illeszkedik a szokásos CMOS-folyamathoz, Henry Guckel és D.W. 1984-ben mutatták be. Burns a Madison-i Wisconsini Egyetemről. Ebben a technológiában, amelyet ma felületi mikromechanikának neveznek, a szilícium ostya csak a felszínen kerül feldolgozásra, mint a mikroelektronikában. Ennek eredményeként a lapos szerkezetek maximális vastagsága néhány mikrométer lehet.
Míg a tömeges mikromechanika bizonyos területeken speciális folyamatokat igényel, amelyek nem részei az integrált áramkörök gyártási technológiájának, a felületi mikromechanika szinte kizárólag szabványos folyamatokon alapszik. Ezért ezt a technológiát különösen alkalmasnak tartottuk a legkisebb méretű kapacitív nyomásérzékelők előállítására a célunkhoz.
Első lépésben erősen vezetőképes, n-adalékolt terület jön létre a szilícium-hordozón ionimplantációval (2. ábra). A szigetelő réteg lerakódása után egy másik, áldozati anyagból - ebben az esetben szilícium-dioxidból - álló teljes felületű réteget visznek fel az ostyára és strukturálják. Az áldozati réteg vastagsága határozza meg az önhordó szerkezet és az ostya felület közötti későbbi távolságot. Ezután egy második, vékonyabb oxid réteget rakunk le és strukturálunk; marási csatornákat határoz meg, amelyekre később szükség van az áldozati réteg újbóli eltávolításához. Ezután polikristályos szilíciumot visz fel az önhordó elemekre, és fotó technikával strukturálja. A szerkezet alatti áldozati anyagot ezután marófolyadékkal szelektíven eltávolítják, és a maratási csatornákat bezárják.
Az így előállított membrán és az n-adalékolt hordozó lemezkondenzátort képez. A membrán megnyomásával megváltozik a hordozótól való távolsága és ezáltal a kondenzátor kapacitása is. A mérési tartomány a membrán vastagságától és átmérőjétől függ. Az érzékelő érzékenységének növelése érdekében több elem párhuzamosan csatlakoztatható a kimeneti jel erősítéséhez (4. ábra).
Ezután a nyomásérzékelőt egy kiértékelő áramkörrel és egy hőmérséklet-érzékelővel kellett integrálni ugyanazon a chipen, ami a gyártási folyamatok nagy kompatibilitása miatt könnyen megvalósítható volt (3. ábra). A mikrorendszert vénás és artériás katéterekbe történő telepítésre szánják, amelyeket jelenleg klinikailag tesztelnek.
Időközben számos vállalat bemutatott monolit és hibrid integrált érzékelőket, amelyeket felületi mikromechanika felhasználásával gyártanak. Várható, hogy az ilyen érzékelő rendszerek jelentősége a jövőben is növekszik.