Czujniki mikromechaniczne

Transkrypt

1 Czujniki mikromechaniczne WSTĘP Narzędzia mikroelektroniki zastosowane do struktur mechanicznych pozwalają wytworzyć nie tylko proste czujniki o wymiarach mikronowych ale całe struktury - mikrosystemy. Terminologia: technologia mikromaszyn - Japonia technologia mikrosystemów MST - Europa systemy mikroelektromechaniczne MEMSy - USA Historycznie pierwszym materiałem w technologii mikromechanicznej (i do dziś dominującym) jest Si. Poza tym stosuje się mat. typowe dla technologii CMOS (SiO 2, Si 3 N 4, Al) oraz zaczyna się stosować inne półprz. (SiC, GaAs, diament), metale i ich tlenki, polimery organiczne. 1

2 Szczególne właściwości mechaniczne Si: moduł Younga - bliski stali granica plastyczności - dwa razy większa niż w stali twardość - wyższa niż stali wsp. rozszerz. term. - pięć razy mniejszy niż dla stali wysokie przewodnictwo cieplne nie wykazuje histerezy mechanicznej, niskie wew. tłumienie silny efekt piezorezystancyjny wada - kruchość. Jako półprzewodnik krzem jest najpowszechniej stosowany stąd łatwość integracji el. mechanicznych z elektroniką. Mechaniczne i elektryczne wł. podłoży krzemowych są powtarzalne i łatwo można je zmieniać, komercyjnie wytw. c-si jest wysokiej czystości i jakości. 2

3 Własności krzemu w porównaniu do innych materiałów Si SiC diament Stal nierdz. Al Punkt topnienia (st. C) Max. temp. pracy (st. C) Wsp. rozsz. term. (10-6 /st.c) Wsp. przew. ciepl. (W/cm K) Gęstość (g/cm 3 ) Moduł Younga (10 11 N/m 2 ) Granica plastycz -ności (10 9 N/m 2 ) Twardość w skali Knoopa (kg/m 2 ) Wytrz. dielektr. (MV/m) Przerwa energet. (ev)

4 W ogólności wraz ze zmianą wymiaru obiektu r w kierunku miniaturyzacji rośnie rola powierzchni S (zmiana wym. liniowego o rząd daje zmianę pow. o dwa rzędy a objętości V o trzy rzędy). S/ V Własności powierzchni rozciągają się częściowo w głąb. Twardość, odporność na korozję - uwar. są własnościami kilku warstw atomowych. 4

5 W obszarze nanotechnologii obserwuje się zależność parametrów sprężystych materiałów od wymiarów. Odchylenie własności sprężystej D od D c dla materiału w skali makro wynosi D D c D c S 1 h o E h h gdzie: - stała zal. od geometrii h - długość określ. wymiar struktury S - powierzchniowa stała sprężystości E - objętościowy moduł Younga h 0 - wymiar, dla którego istnieje wpływ powierzchni (dla c-si h nm, a więc wpływ powierzch. istnieje dla h < 5 nm) 5

6 Technologia mikromechaniczna Podział technologii mikromechanicznych: - objętościowa (głębokie trawienie c-si), mikrostruktury 3-wym. typu belki, membrany, rowki itp; - powierzchniowa (trawienie warstw naniesionych na podłoże, najczęściej warstw poli-si na podł. Si) 6

7 Trzycalowa płytka Si z czujnikami gazów Akcelerometry krzemowe Wybrane mikrostruktury powstałe w wyniku trawienia 7

8 Podstawowe elementy objętościowe membrany belki 8

9 Otrzymywanie belki wspornikowej metodami mikromechaniki powierzchniowej Warstwa dystansowa (poświęcana) 9

10 Fotolitografia Proces trawienia Si poprzedzony jest fotolitograficznym naniesieniem wzoru (pattern transfer) 10

11 Trawienie Trawienie głębokie to głównie tzw. trawienie mokre anizotropowe (o szybkości zależnej od orientacji krystalograficznej). Możliwości z tego wynikające odkryto na początku lat Stosując określone środki trawiące uzyskuje się w krzemie duże szybkości trawienia dla płaszczyzn {100} i {110} a znikomo małe dla {111}. Domieszkowanie Si borem powoduje gwałtowny spadek szybkości trawienia (dla konc. B > cm -3 szybkość trawienia spada 3 rzędy). Selektywność trawienia można również uzyskać w procesie elektrochemicznym. 11

12 Środki trawiące anizotropowo: KOH + woda środek b.selektywny, stosunek szybkości trawienia płaszczyzn {100} do {111} wynosi 200 : 1 EDP (etylenodiamina + pirokatechol + woda) środek mniej selektywny, b. wolno trawiący SiO 2 - zaleta Hydrazyna + woda duża szybkość trawienia {100}, selektywność mała ok. 10:1. 12

13 Trawienie elektrochemiczne Szybkość trawienia zależy od różnicy potencjałów między próbką i środkiem trawiącym. V RE dobrane tak aby zachodziło trawienie podłoża. Potencjał epiwarstwy V RE + V E dobrany tak aby był powyżej progu pasywaji n-si. Trawienie zatrzymuje się na warstwie epitaksjalnej, tworząc warstwę pasywacyjną. 13

14 Trawienie suche (w plaźmie gazowej) Jony Ar, O 2 CF 4, SF 6 RIE Trawienie plazmowe jest procesem czystym, bardzo użytecznym w przypadku gdy nie można stosować trawienia mokrego. 14

15 Izotropowe trawienie cienkich warstw Przykłady środków trawiących dla wybranych cienkich warstw: Si: HF + HNO 3 + H 2 O SiO 2 : HF + H 2 O Si 3 N 4 : H 3 PO 4 + H 2 O Al: trawienie plazmowe lub reaktywne jonowe Warstwy Au, Pt nie są trawione ale kształtowane w tzw. procesie liftoff. 15

16 Proces lift off Fotorezyst jest nasączony przed ekspozycją w chlorobenzenie, w wyniku czego warstwa wierzchnia jest słabiej rozpuszczlna w wywoływaczu Naparowanie metalu Usunięcie fotorezystu Uzyskano wzór ścieżki metalicznej bez trawienia metalu. 16

17 Czujniki wytwarzane w procesach zintegrowanych Piezorezystancyjny czujnik ciśnienia 17

18 Połączenie krzem - szkło Mostek z piezorezystorami (przekrój) 18

19 Proces technologiczny wytwarzania piezorezystancyjnego czujnika ciśnienia 19

20 Czujnik ciśnienia z piezoelektryczną warstwą ZnO T ox tlenek termiczny (izolacja od podłoża) ZnO technologia rozpylenia 20

21 Czujniki ciśnienia firmy Motorola X - ducer 21

22 Budowa czujnika ciśnienia firmy Motorola Pomiar ciśnienia bezwzględnego Pomiar ciśnienia różnicowego 22

23 Czujnik przyspieszenia Struktura pionowa Struktura boczna 23

24 Czujnik przyspieszenia Pojemnościowy czujnik przyspieszenia Piezorezystywny czujnik przyspieszenia Szczegóły belki 24

25 Aktuatory Mikrosilnik elektrostatyczny średnica rotora 0.1 mm 25

26 Mikrosilnik magnetyczny 26

27 Mikrosystemy 27

28 Mikrosamochód (Nippondenso Co., Ltd, Japan Model pierwszej Toyoty w skali 1:1000 (dł. 4.8mm). Pojazd w pełni funkcjonalny. Silnik elektromagnetyczny, szybkość 2 cm/s 28

29 Mikromaszyny Miniaturowa łódź podwodna (4 x 0.8 mm) w naczyniu krwionośnym (Micro TECH Duisburg) 29

30 Mikrosonda Mikroskopu AFM (Atomic Force Microscope) L 1 = 175 m L 2 = 75 m w = 20 m b = 90 m l = 2 m 30

31 System telewizji projekcyjnej (Texas Instruments) Mikrozwierciadło Al ze sterowaniem cyfrowym Struktura adresująca CMOS SRAM Matryca Mikrozwierciadeł Typowe parametry: 768 X 576 pixeli, tj zwierciadeł 31

32 Mikromaszyny w zastosowaniach medycznych Minimalnie inwazyjna terapia (MIT) Minimalnie inwazyjna chirurgia (MIS) Manipulator endoskopowy do chirurgii guza 32