Найменші механічні елементи для монолітної інтеграції в мікросистемах - спектр
Найменші механічні елементи для монолітної інтеграції в мікросистемах
Коли компанія кілька років тому доручила нам розробити інтегровану сенсорну систему для вимірювання тиску та температури в судинах, нам довелося вибрати відповідну технологію виготовлення. Ширина мікросхеми була лише 0,7 міліметра; пізніші моделі повинні бути ще менше. Для того, щоб мінімізувати кількість ліній живлення та підвищити стійкість до перешкод, обробка сигналу повинна відбуватися безпосередньо на мікросхемі датчика; Через необхідне низьке споживання енергії доводилося використовувати схеми CMOS, які характеризуються особливо низьким енергоспоживанням, а оскільки сенсорна система мала використовуватися у продукті для одноразового використання, виробничий процес також повинен був бути недорогим.
Ми визначилися з мікромеханікою, тобто виготовленням дуже малих просторових структур з використанням мікроелектронних процесів, таких як літографія, хімічне та фізичне осадження та травлення. Оскільки ці методи були розроблені, зокрема, для обробки кремнію, цей матеріал також є кращим у мікромеханіці.
У той час, однак, використовувались майже виключно так звана об'ємна мікромеханіка, в якій пластина - кремнієва пластина, на якій одночасно обробляється багато стружки - структурована в глибину з анізотропним травленням, якщо потрібно, по всій товщині пластини та її товщині Відступаємо. За цією технологією можна виготовити тонкі кремніймембрани, на які можна застосувати чутливий до вигину опір (рис. 1). Однак, оскільки стінки конструкцій не є повністю вертикальними, але злегка нахилені в результаті травлення, елементи датчика тиску не можуть зменшуватися в розмірах за допомогою цієї технології. Ширина стружки 0,7 міліметрів або менше навряд чи була б можливою таким чином. Насипна мікромеханіка також використовує різні процеси, які лише з великими труднощами можуть бути інтегровані в стандартний процес CMOS.
Інший процес виробництва механічних конструкцій на кремнії, який набагато краще підходить до стандартного процесу КМОП, був представлений в 1984 році Генрі Гукелем та Д. Бернс з Університету Вісконсіна в Медісоні. У цій технології, яка сьогодні відома як поверхнева мікромеханіка, кремній-пластини обробляються лише на поверхні, як і в мікроелектроніці. Це призводить до отримання плоских конструкцій з максимальною товщиною в кілька мікрометрів.
У той час як об'ємна мікромеханіка вимагає спеціальних процесів у деяких областях, які не є частиною технології виробництва інтегральних схем, поверхнева мікромеханіка заснована майже виключно на стандартних процесах. Тому ми вважали цю технологію особливо придатною для виробництва ємнісних датчиків тиску з найменшими розмірами для нашої мети.
На першому кроці на кремнієвій підкладці за допомогою іонної імплантації створюється високопровідна зона, легована n. Після осадження ізолюючого шару на пластину наноситься інший шар на всю площу, виготовлений із жертовного матеріалу - в даному випадку діоксиду кремнію - і структурований. Товщина жертовного шару визначає подальшу відстань між самонесучою конструкцією та поверхнею пластини. Потім наноситься і структурується другий, тонший шар оксиду; він визначає канали травлення, які потрібні пізніше, щоб знову зняти жертвенний шар. Далі ви застосовуєте полікристалічний кремній для самонесучих елементів і структуруєте його за допомогою фототехніки. Потім жертовний матеріал під конструкцією вибірково видаляють травильною рідиною і канали травлення закривають.
Вироблена таким чином мембрана і легована n-підкладка утворюють пластинчастий конденсатор. Натискання мембрани змінює її відстань до основи, а отже, і ємність конденсатора. Діапазон вимірювання залежить від товщини та діаметра мембрани. Для підвищення чутливості датчика можна паралельно підключити кілька елементів для посилення вихідного сигналу (рис. 4).
Потім датчик тиску повинен був бути інтегрований з вимірювальною схемою і датчиком температури на тому самому чіпі, що було легко можливо завдяки високій сумісності виробничих процесів (рис. 3). Мікросистема призначена для встановлення у венозних та артеріальних катетерах, які в даний час проходять клінічне випробування.
Тим часом різні компанії представили монолітні та гібридні інтегровані датчики, які виготовляються з використанням поверхневої мікромеханіки. Очікується, що такі сенсорні системи будуть надалі набувати все більшої ваги у майбутньому.