Najmenšie mechanické prvky pre monolitickú integráciu v mikrosystémoch - spektrum
Najmenšie mechanické prvky na monolitickú integráciu v mikrosystémoch
Keď nás spoločnosť pred niekoľkými rokmi poverila vývojom integrovaného senzorového systému na meranie tlaku a teploty v cievach, museli sme zvoliť vhodnú výrobnú techniku. Šírka čipu bola stanovená na iba 0,7 milimetra; neskoršie modely by mali byť ešte menšie. Aby sa minimalizoval počet napájacích vedení a zvýšila sa odolnosť proti rušeniu, malo by sa spracovanie signálu uskutočňovať priamo na čidle snímača; Z dôvodu požadovanej nízkej spotreby energie bolo treba použiť obvody CMOS, ktoré sa vyznačujú obzvlášť nízkymi požiadavkami na výkon, a pretože sa mal senzorový systém použiť vo výrobku na jednorazové použitie, musel byť lacný aj výrobný proces.
Rozhodli sme sa pre mikromechaniku, teda výrobu veľmi malých priestorových štruktúr pomocou mikroelektronických procesov, ako je litografia, chemická a fyzikálna depozícia a leptanie. Pretože tieto techniky boli vyvinuté najmä na spracovanie kremíka, je tento materiál tiež preferovaný v mikromechanike.
V tom čase sa však takmer výlučne používala takzvaná objemová mikromechanika, pri ktorej je oblátka - kremíková oblátka, na ktorej sa spracúva súčasne veľa čipov - štruktúrovaná do hĺbky pomocou anizotropického leptania, podľa potreby po celej hrúbke oblátky a jej hrúbke Vycúvajte. Touto technológiou sa dajú vyrobiť tenké kremíkové membrány, na ktoré je možné aplikovať rezistory citlivé na ohyb (obr. 1). Pretože však steny konštrukcií nie sú v dôsledku leptania úplne zvislé, ale majú mierne sklon, nemožno pomocou tejto technológie zmenšiť veľkosť prvkov snímača tlaku. Šírka triesky 0,7 milimetra alebo menšia by takýmto spôsobom bola možná. Hromadná mikromechanika tiež používa rôzne procesy, ktoré je možné len veľmi ťažko integrovať do štandardného procesu CMOS.
Ďalší postup výroby mechanických štruktúr na kremíku, ktorý oveľa lepšie vyhovuje štandardnému procesu CMOS, predstavili v roku 1984 Henry Guckel a D.W. Burns z University of Wisconsin v Madisone. V tejto technológii, ktorá je dnes známa ako povrchová mikromechanika, sa kremíková doštička spracováva iba na povrchu, ako v mikroelektronike. Výsledkom sú ploché štruktúry s maximálnou hrúbkou niekoľkých mikrometrov.
Zatiaľ čo objemová mikromechanika vyžaduje v niektorých oblastiach špeciálne procesy, ktoré nie sú súčasťou výrobnej technológie integrovaných obvodov, povrchová mikromechanika je založená takmer výlučne na štandardných procesoch. Preto sme túto technológiu považovali za obzvlášť vhodnú na výrobu kapacitných snímačov tlaku s najmenšími rozmermi pre náš účel.
V prvom kroku sa pomocou silikónového substrátu vytvorí na silikónovom substráte vysoko vodivá oblasť dotovaná n (obr. 2). Po nanesení izolačnej vrstvy sa na oblátku nanesie a štruktúruje ďalšia celoplošná vrstva vyrobená z obetavého materiálu - v tomto prípade oxidu kremičitého. Hrúbka obetavej vrstvy určuje neskoršiu vzdialenosť medzi samonosnou konštrukciou a povrchom oblátky. Potom sa nanesie a štruktúruje druhá tenšia vrstva oxidu. definuje leptacie kanály, ktoré sú potrebné neskôr na opätovné odstránenie obetnej vrstvy. Ďalej na samonosné prvky nanesiete polykryštalický kremík a štruktúrujete ho fototechnikou. Obetavý materiál pod štruktúrou sa nakoniec selektívne odstráni pomocou leptacej kvapaliny a leptacie kanály sa uzavrú.
Takto vyrobená membrána a n-dotovaný substrát tvoria doskový kondenzátor. Stlačením membrány sa zmení jej vzdialenosť od substrátu a tým aj kapacita kondenzátora. Rozsah merania závisí od hrúbky a priemeru membrány. Na zvýšenie citlivosti snímača je možné paralelne zapojiť niekoľko prvkov na zosilnenie výstupného signálu (obr. 4).
Snímač tlaku potom musel byť integrovaný s vyhodnocovacím obvodom a snímačom teploty na rovnakom čipe, čo bolo ľahko možné kvôli vysokej kompatibilite výrobných procesov (obr. 3). Mikrosystém je určený na inštaláciu do venóznych a arteriálnych katétrov, ktoré sú v súčasnosti klinicky testované.
Medzitým rôzne spoločnosti predstavili monolitické a hybridné integrované snímače, ktoré sa vyrábajú pomocou povrchovej mikromechaniky. Dá sa očakávať, že takéto senzorické systémy budú v budúcnosti naďalej získavať na význame.