Aktuatory i sensory w technologii MEMS jako mikroelektromaszynowe elementy mechatroniki

Transkrypt

1 Andrzej NAPIERALSKI, Michał SZERMER, Krzysztof SZANIAWSKI, Michał OLSZACKI, Cezary MAJ Politechnika Łódzka, Katedra Mikroelektroniki i Technik Informatycznych (DMCS) Aktuatory i sensory w technologii MEMS jako mikroelektromaszynowe elementy mechatroniki Streszczenie. W artykule przedstawiono wybrane projekty mikromaszyn i mikrosystemów krzemowych zaprojektowanych w DMCS i wykonanych w technologiach MEMS. Należą do nich: mikrosilnik, mikropompa i mikrozwierciadło krzemowe, czujniki promieniowania podczerwonego, przetworniki elektrotermiczne, czujniki przepływu gazu, czujniki przyśpieszenia, punktowe źródła światła, tranzystory ISFET i CHEMFET a także różne warianty mikromaszynowych czujników przyśpieszenia oraz pomiaru ciśnienia wewnątrzczaszkowego. Abstract. In this paper the chosen microsystems designed in DMCS and manufactured in MEMS technology have been presented. The silicon micromotor, micropump and micromirror as well as IRS- infrared radiation sensors, ETC- electro-thermal converter, GFS- gas flow sensors, ASacceleration sensor, ISFET and CHEMFET transistors and some variants of acceleration sensors. (Sensors and actuators in MEMS technologies as the elements of mechatronics). Słowa kluczowe: Mikromaszyny i mikrosystemy krzemowe, mikroelektronika, czujniki ISFET i CHEMFET Keywords: Microsystems, Microelectronics, Nanotechnology, MEMS Wstęp W chwili obecnej obserwuje się znaczny wzrost zainteresowania mikromaszynami i mikrosystemami krzemowymi. W Katedrze Mikroelektroniki i Technik Informatycznych (Department of Microelectronics and Computer Science DMCS) prace nad tą tematyką prowadzone są od ponad 15 lat. Pierwszym projektem dotyczącym mikrosystemów był projekt BARMINT - Basic Research for Microsystems Integration realizowany w ramach europejskiego projektu ESPRIT (European Strategic Programme for Research and Development in Information Technology) w latach [1-3]. W wyniku jego realizacji wyprodukowany został pierwszy na świecie układ w ramach MPW (Multi Project Wafer) [4,5]. Był to kamień milowy w rozwoju układów MEMS (ang. Micro-Electro-Mechanical Systems), gdyż począwszy od tej chwili wszystkie uczelnie i jednostki badawcze będące członkami Europractice uzyskały dostęp do technologii mikromaszynowych zupełnie podobnie jak kilka lat wcześniej do technologii ASIC. W niniejszym artykule zostaną przedstawione wybrane sensory i aktuatory krzemowe wykonane w DMCS w ramach następujących projektów: ESPRIT-BARMINT - Basic Research for Microsystems Integration Grant KBN Nr. 8 T11F : "Zastosowanie języka wysokiego poziomu VHDL-A do celów komputerowego modelowania, projektowania i realizacji mikrosystemów scalonych" Projekt Ramowy Unii Europejskiej: System for European Water monitoring SEWING Grant KBN Nr. 8 T11B : Zintegrowane metody projektowania mikrosystemów krzemowych i ich zastosowanie do opracowania mikrosystemu służącego do monitoringu wibracji dużych maszyn wirnikowych Grant KBN Nr Grant KBN: Zastosowanie akcelerometrów mikromaszynowych w nadzorze stanu technicznego dużych maszyn wirnikowych, Projekt CAPTAM z CNRS-LAAS finansowany przez (ANR), Tuluza, Francja ESPRIT - BARMINT Głównym celem projektu BARMINT [1] było zaprojektowanie układów scalonych zawierających czujniki, aktuatory i układy przetwarzania sygnałów, które będzie można wykonać w ramach technologii MPW. Dodatkowo postanowiono wykonać kilka demonstratorów takich jak mikrosilnik krzemowy [6], mikropompa krzemowa [7,8] i mikrozwierciadło krzemowe [9]. Na rysunku 1 przedstawiono przekrój a na rysunku 2 zdjęcie mikrosilnika krzemowego wykonanego w CNRS- LAAS. Średnica wirnika wynosi 100 µm. Rys.1. Przekrój mikrosilnika krzemowego wyprodukowanego w CNRS-LAAS w ramach projektu BARMINT Rys.2. Zdjęcie mikrosilnika krzemowego wyprodukowanego w CNRS-LAAS w ramach projektu BARMINT Po prezentacji w Brukseli otrzymanych wyników zostaliśmy poproszeni o opracowanie mikromaszyny, która może zostać zastosowana w praktyce. Wybór padł na mikropompę krzemową [7,8] (rysunek 3), która ze względu na niskie napięcie zasilania może być zastosowana w systemach dozowania leków umieszczonych na ciele pacjenta. Zasada jej działania polega na podaniu napięcia na rezystor grzejny, co powoduje wzrost temperatury w komorze powietrznej i w konsekwencji wygięcie membrany krzemowej i wstrzyknięcie leku poprzez zawór wyjściowy. Po odcięciu napięcia membrana wraca do położenia początkowego, co powoduje zassanie leku przez zawór wejściowy. PRZEGLĄD ELEKTROTECHNICZNY (Electrical Review), ISSN , R. 85 NR 9/

2 Rys.3. Przekrój mikropompy krzemowej Następnym mikrosystemem wykonanym w ramach tego projektu było mikrozwierciadło krzemowe, którego strukturę przedstawiono na rysunku 4 [9]. W chwili obecnej tego typu zwierciadła znajdują szerokie zastosowanie praktyczne w projektorach i rzutnikach pisma. Układ zaprojektowany został w technologii ES2 1.0μm CMOS DM przy zastosowaniu pakietu projektowania MEMS CADENCE Design Kit. Technologia ta została wprowadzona przez CMP (Circuit Multi-Project) w 1995 roku. Do standardowych procesów technologicznych CMOS został dodany proces wytrawiania, który pozwolił na uwolnienie struktur i wykonanie pierwszego w historii mikrosystemu w ramach MPW. Analiza wykonanego układu wykazała pewne problemy związane z trawieniem krzemu. Po wykonaniu zdjęcia mikroskopem skaningowym czujnika ETC (rysunek 6) zauważono pewne problemy związane z niedokładnym trawieniem krzemu Analiza rysunku 6 wykazuje, że przyrząd nie został całkowicie uwolniony. Po znalezieniu przyczyny postanowiono wystąpić o grant KBN w celu wyprodukowania w ramach MPW mikrosystemu o lepszych parametrach zawierającego zarówno układy mikromaszynowe jak i układy przetwarzania sygnałów. Grant KBN: "Zastosowanie języka wysokiego poziomu VHDL-A do celów komputerowego modelowania, projektowania i realizacji mikrosystemów scalonych". Rysunek 7 przedstawia layout zaprojektowanego mikrosystemu a rysunek 8 zdjęcie wykonanego układu [3]. Rys.4. Trójwymiarowe symulacja mikrozwierciadła krzemowego elektro-termo-mechaniczna Rys.7. Topografia masek zaprojektowanego w DMCS PŁ C z ujn i ki s yg n a łów t e rm i cz n yc h mikrosystemu krzemowego St and a rdow e uk ł ad y el e kt r oni cz n e (przetwornik a/c, rejestry itp.) Rys.5. Mikroskopowe zdjęcie wykonanego układu Rys.8. Zdjęcie mikrosystemu krzemowego zaprojektowanego w DMCS PŁ i wykonanego w ramach MPW. Rys.6. Zdjęcie przetwornika elektrotermicznego wykonane mikroskopem skaningowym w secondary-electrons mode [4,5]. Najważniejszym celem projektu było opracowanie mikrosystemu, który będzie mógł zostać wykonany w ramach MPW. Wykonany został układ (rysunek 5) zawierający czujniki promieniowania podczerwonego, przetworniki elektrotermiczne, czujniki przepływu gazu, czujniki przyśpieszenia oraz punktowe źródła światła [4,5]. 280 Mikrosystem ten zawiera kilka czujników opartych o most krzemowy oraz część przetwarzającą sygnały w postaci przetwornika analogowo-cyfrowego. Wszystkie układy zostały wykonane w technologii CMOS z nakładką mikromaszynową, co umożliwia bezproblemową integrację układów mikromaszynowych z układami scalonymi. Bardzo ważnym zagadnieniem jest poprawne modelowanie mikrostruktur krzemowych, w szczególności układów MEMS. Jednym ze sposobów modelowania jest wykorzystanie do tego celu metody elementów skończonych FEM (Finite Element Method). Współczesne środowiska projektowe takie jak ANSYS czy COVENTOR PRZEGLĄD ELEKTROTECHNICZNY (Electrical Review), ISSN , R. 85 NR 9/2009

3 umożliwiają trójwymiarowe modelowanie takich struktur. Najczęściej należy rozwiązać problem wielodomenowy, co wiąże się z zastosowaniem symulacji sprzężonych np.: elektro-termo-mechanicznych, gdzie jest testowana zarówno wytrzymałość mechaniczna struktury jak i jej parametry elektryczne oraz termiczne. Umożliwia to kompleksowe sprawdzenie projektowanego czujnika. 1 NODAL SOLUTION STEP=1 SUB =1 TIME=1 TEMP (AVG) RSYS=0 SMN =27 SMX = MN MX ANSYS 11.0 MAR kanałem), jest zanurzany w roztworze i reaguje przepływem prądu między źródłem a drenem w zależności od stężenia jonów wodoru. Czujnik może zostać wykorzystany do mierzenia stężenia jonów wodoru (przekrój struktury czujnika jest przedstawiony na rysunku 10). Układ takich czujników był przedmiotem badań w projekcie SEWING [10-13]. Celem projektu było opracowanie mikrosystemu zawierającego zestaw czujników czułych na różne jony, układu przetwarzającego dane oraz układu transmitującego rezultaty do globalnego systemu analizy danych. Matryca sensorów typu CHEMFET (CHEmically Modified Field Effect Transistor) była głównym elementem mikrosystemu. Swoją strukturą przypominają one czujniki ISFET, z tą różnicą, że nad obszarem kanału jest umieszczona membrana jonoselektywna oraz tzw. polyhema, czyli warstwa mająca na celu przytwierdzenie membrany do półprzewodnika. Przekrój struktury czujnika CHEMFET pokazano na rysunku MEMS Przetwornik termoelektryczny - 3D Rys.9. Model 3D struktury czujnika temperatury wykonany w programie ANSYS (rozkład temperatur) Jako przykład analizy trójwymiarowej jest przedstawiony przetwornik termoelektryczny [3], widoczny na rysunku 5 i 6. Jest to układ zbudowany w oparciu o wysięgnik krzemowy, na którym umieszczono zestaw termopar oraz element grzejny w postaci rezystora polikrzemowego. Rozkład temperatur pomiędzy gorącymi a zimnymi złączami termopar powoduje powstanie napięcia, proporcjonalnego do różnicy temperatur. Przykładowy rozkład temperatury jest uwidoczniony na rysunku 9 Układ ten może zostać wykorzystany jako mikromaszynowy czujnik temperatury, który ma niewielkie rozmiary i jest dobrze izolowany termicznie od podłoża krzemowego (lokalizacja na wysięgniku). Rys.11. Przekrój struktury czujnika CHEMFET Projekt Ramowy Unii Europejskiej: System for European Water monitoring SEWING Innym rodzajem czujników półprzewodnikowych są tranzystory jonoczułe typu ISFET (Ion Sensitive Field Effect Transistor). Rys.12 Symulacja potencjału membranowego dla różnych aktywności jonu przeszkadzającego Rys.10. Przekrój przez strukturę czujnika ISFET Są to układy, których budowa jest oparta na tranzystorach MOS (Metal Oxide Semiconductor) gdzie elektrodę bramki usunięto znad obszaru kanału. Zostawiono tam jedynie cienką warstwę dwutlenku krzemu. Układ taki po odpowiednim opakowaniu (szczelna hermetycznie obudowa z odsłoniętym obszarem nad Na rysunku 12 przedstawiono symulacje komputerowe potencjału membranowego dla różnych aktywności jonu przeszkadzającego. Stężenie jonu głównego powinno być jak największe, gdyż to na jego wartość nastawiony jest dany czujnik. Z kolei stężenie jonów przeszkadzających powinno być jak najmniejsze gdyż wpływają one na wartość potencjału membranowego. Zjawisko to opisuje równanie Nikolskiego-Eisenmana. PRZEGLĄD ELEKTROTECHNICZNY (Electrical Review), ISSN , R. 85 NR 9/

4 Granty KBN: Zintegrowane metody projektowania mikrosystemów krzemowych i ich zastosowanie do opracowania mikrosystemu służącego do monitoringu wibracji dużych maszyn wirnikowych oraz Zastosowanie akcelerometrów mikromaszynowych w nadzorze stanu technicznego dużych maszyn wirnikowych. W celu opracowania systemu do monitoringu wibracji dużych maszyn wirnikowych należało zaprojektować i wykonać czujniki przyspieszenia mierzące drgania mechaniczne. Parametry robocze tych czujników specjalnego przeznaczenia, takie jak czułość, rozdzielczość, selektywność czy pasmo, muszą być o kilka rzędów wielkości lepsze od detektorów wstrząsu stosowanych w samochodach. Ponadto, urządzenia te muszą być bardzo wytrzymałe, zdolne do wieloletniej pracy w ciężkich warunkach. W dniu dzisiejszym, najdoskonalsze pod tym względem są czujniki piezoelektryczne. Cechuje je doskonała czułość i rozdzielczość, idealna wręcz selektywność oraz bardzo duża trwałość. Nie mają żadnych części ruchomych, praktycznie się nie zużywają i mogą pracować nawet przez kilkadziesiąt lat. Jednak czujniki te są stosunkowo drogie, co przy dużej liczbie punktów pomiarowych bardzo podnosi koszt całej instalacji. Dlatego rynek cały czas poszukuje tańszych rozwiązań, będących alternatywą dla czujników piezoelektrycznych [14]. Rozwiązaniem takim są czujniki scalone, wykonane w formie elementów MEMS. Urządzenia te mają niewielkie rozmiary i są względnie tanie w produkcji masowej. Niestety, pod względem parametrów, czujniki MEMS jeszcze ustępują czujnikom piezoelektrycznym, co ogranicza ich stosowalność. Poprawienie parametrów uzyskiwanych przez te urządzenia jest poważnym wyzwaniem na nadchodzące lata [14]. W technologiach mikromaszynowych nie jest możliwe skonstruowanie urządzenia, które przetwarzałoby przyspieszenie bezpośrednio na sygnał elektryczny. Pomiar musi być dokonywany pośrednio. W większości urządzeń tego typu przetwarzanie następuje w trzech etapach: Przetworzenie mierzonego przyspieszenia na przemieszczenie elementu ruchomego Przetworzenie tego przemieszczenia na zmianę parametru rezystancji lub pojemności Przetworzenie tej zmiany na sygnał elektryczny, na ogół napięciowy [19] Etap pierwszy jest realizowany podobnie we wszystkich czujnikach. Na elastycznych wysięgnikach jest zawieszona masa wrażliwa na przyspieszenie, zwana masą sejsmiczną. Pod wpływem siły bezwładności, proporcjonalnej do mierzonego przyspieszenia i skierowanej w przeciwnym do niego kierunku, masa ta przemieszcza się, aż do osiągnięcia stanu równowagi, kiedy siła bezwładności zostanie całkowicie zrównoważona przez siłę sprężystości wytworzoną przez ugięte wysięgniki [22]. Natomiast poszczególne czujniki mogą różnić się sposobem przetwarzania przemieszczenia masy sejsmicznej na zmianę wielkości elektrycznej. Pod tym względem akcelerometry MEMS dzielą się na piezorezystywne [22,25] i pojemnościowe [22,23,24]. W ramach naszych badań zaprojektowaliśmy dwa rodzaje mikromaszynowych kondensatorów pomiarowych, służących do przetwarzania przyspieszenia na pojemność. Obydwa wykorzystują tę samą zasadę działania i podobne technologie. Różnią się natomiast kształtem sprężyn utrzymujących masę sejsmiczną. W obydwu przypadkach obydwie okładki kondensatora są kwadratowe i poziome. Jako że jedna z nich może się przemieszczać w kierunku prostopadłym do powierzchni układu scalonego (oś Z), element jest wrażliwy na składową Z przyspieszenia [21]. Pierwszy (chronologicznie) projekt wykorzystywał technologię powierzchniową PLOS-4 opracowaną przez instytut AIME w Tuluzie [14]. Kolejny został zaprojektowany i wykonany w technologii MUMPs opracowanej przez amerykańską firmę Cronos w połowie lat dziewięćdziesiątych [15,19,20,21]. Podobnie jak PLOS-4, jest to technologia typu powierzchniowego, w której elementy ruchome są wykonane z warstwy krzemu polikrystalicznego, nakładanej na podłoże krzemowe w procesie naparowywania chemicznego w warunkach niskiego ciśnienia (ang. LPCVD Low Pressure Chemical Vapour Deposition). Aby oddzielić nałożoną w ten sposób mikrostrukturę od podłoża, całkowicie wytrawia się spod niej wcześniej nałożoną warstwę dwutlenku krzemu [22]. górna okładka dolna okładka sprężyna otwór kotwica otwór odtłumiający podłoże Rys. 13 Trójwymiarowy widok kondensatora pomiarowego w technologii MUMPs [8] Rys. 14. Zdjęcie czujnika osi Z wykonanego w technologii MUMPs [21] Na rysunku 13 przedstawiono trójwymiarową wizualizację mikrostruktury czujnika, a na rysunku 14 zdjęcie rzeczywistego czujnika w rzucie z góry, wykonane za pomocą mikroskopu elektronowego. Górna okładka kondensatora wykonana z warstwy silnie domieszkowanego krzemu polikrystalicznego o grubości 2 µm jest zawieszona 2 µm nad podłożem krzemowym na czterech elastycznych sprężynach, wykonanych z tego samego materiału. Stanowi ona jednocześnie masę sejsmiczną, wrażliwą na przyspieszenie. Aby umożliwić wytrawienie znajdującej się pod nią warstwy dwutlenku krzemu, jest ona perforowana licznymi otworami. Dolna okładka jest wykonana przez nałożenie jeszcze cieńszej warstwy domieszkowanego krzemu polikrystalicznego bezpośrednio na podłoże. Pod wpływem pionowej składowej przyspieszenia górna okładka przemieszcza się 282 PRZEGLĄD ELEKTROTECHNICZNY (Electrical Review), ISSN , R. 85 NR 9/2009

5 wzdłuż osi Z, powodując zmianę odległości między elektrodami, a tym samym zmianę pojemności kondensatora. Sprężyny utrzymujące masę sejsmiczną składają się z wielu segmentów połączonych szeregowo, aby uzyskać większą elastyczność, a tym samym lepszą czułość elementu. Poza tym przy takim ustawieniu belek, pionowemu przemieszczeniu masy nie towarzyszy znaczące rozciąganie belek, co zapewnia nie tylko dużą elastyczność, ale również czyni zależność przemieszczenia masy sejsmicznej od działającej siły bardziej liniową. Zagięte sprężyny zajmują mniej miejsca i pozwalają lepiej wykorzystać dostępną powierzchnię. Aby ograniczyć wpływ poziomych składowych na pojemność kondensatora, dolna okładka jest nieco większa od górnej, przez co niewielkie poziome przemieszczenia okładki nie zmieniają pojemności. Sprężyny podtrzymują górną okładkę za narożniki, dzięki czemu podatność ruchomej części na przyspieszenia kątowe jest najmniejsza ze wszystkich możliwych ustawień. [15]. Rys. 15. Zdjęcie czunika osi X/Y wykonanego w technologii MUMPs [21] CZUJNIK VCO ECL/TTL 66MHz GEN. REF 2 2 DF x3,3 V ref 1 250kHz FDP DS x100, 1kHz V ref2 V out Rys. 16 Schemat ideowy przetwornika pojemność-napięcie wykorzystanego w czujnikach przyspieszenia [8] Oprócz czujników osi Z opracowano i wykonano w tej samej technologii czujniki mierzące składową przyspieszenia równoległą do podłoża (oś X/Y). W tym przypadku zarówno masa sejsmiczna jak i obydwie okładki kondensatora były wykonane z tej samej warstwy krzemu polikrystalicznego. Okładki miały kształt nakładających się na siebie grzebieni (rys 15). Grzebienie stanowiące jedną okładkę przemieszczały się poziomo wraz z masą sejsmiczną zawieszoną na sprężynach, natomiast grzebienie należące do drugiej okładki były przytwierdzone do podłoża. Tak znaczne rozgałęzienie okładek było niezbędne dla uzyskania dostatecznie dużej pojemności oraz jej zmian pod wpływem mierzonego przyspieszenia [20]. Aby uzyskać sygnał wyjściowy czujnika należy jeszcze przetworzyć zmiany pojemności na sygnał elektryczny. W wykonanych czujnikach ostatecznie zastosowano w tym celu przetwornik pojemność-napięcie wykorzystujący modulację częstotliwości oparty na pętli sprzężenia fazowego (ang. phase-locked loop) [16]. Architektura tego przetwornika została schematycznie przedstawiona na rysunku 16. Trzon układu stanowi generator LC. Do generatora jest podłączony zewnętrzny, równoległy obwód rezonansowy, zawierający cewkę, kondensator, czujnik (którego schematem zastępczym jest szeregowe połączenie pojemności czujnika i rezystancji szeregowej doprowadzeń) oraz dwie diody pojemnościowe ze wspólną katodą spolaryzowane zaporowo. Dzięki temu generator VCO (ang. Voltage-Controlled Oscillator) może być przestrajany zarówno pojemnością czujnika jak i napięciem podawanym na katody diod pojemnościowych. Istotą działania tego układu jest ujemne sprzężenie zwrotne, które ma za zadanie skompensować zmianę pojemności czujnika zmianą pojemności diod pojemnościowych, umieszczonych w obwodzie rezonansowym tak, aby częstotliwość się nie zmieniła. Sygnał zwrotny korygujący punkt pracy diod, po wzmocnieniu i odfiltrowaniu szumu stanowi sygnał wyjściowy układu pomiarowego. Zaletą tego rozwiązania jest istnienie ujemnego sprzężenia zwrotnego. Nawet niewielka różnica częstotliwości, prędzej lub później spowoduje różnicę faz na tyle dużą, że stanie się zauważalna dla detektora fazowego i napięcie na wyjściu układu się zmieni. Dzięki temu, mimo małych zmian pojemności, rozdzielczość przetwornika jest w tym przypadku relatywnie duża [21]. Niestety, zastosowana technologia mikromaszynowa nie umożliwiała wykonania układu elektronicznego przetwornika na tej samej strukturze krzemowej. Ponadto, zastosowana obudowa nie umożliwiała też umieszczenia odrębnego układu ASIC w tej samej obudowie co mechaniczna część czujnika. Z tego powodu przetwornik został zrealizowany w postaci zewnętrznego obwodu drukowanego z elementami dyskretnymi, co znacznie pogorszyło parametry całego urządzenia, w związku z dużym udziałem szumu spowodowanego przez obudowę, doprowadzenia, ścieżki, itd. oraz podatnością samego przetwornika na zewnętrzne zakłócenia [21]. Wymiary zaprojektowanych struktur czujników zostały wstępnie obliczone na podstawie stosunkowo prostych modeli analitycznych, wykorzystujących liniową teorię odkształceń. Modele statyczne pozwalały z grubsza oszacować wrażliwość czujnika na stałe przyspieszenie działające wzdłuż osi głównej czujnika oraz w innych kierunkach. Z kolei modele dynamiczne z jedną lub dwiema masami pozwalały w przybliżeniu oszacować częstotliwości drgań własnych [17]. Jednak, aby określić właściwości projektowanego czujnika przed jego wykonaniem z większą dokładnością, a także określić jego charakterystyki częstotliwościowe, konieczne było przeprowadzenie serii symulacji trójwymiarowych modeli czujników, zbudowanych w środowiskach symulacyjnych wykorzystujących do obliczeń metodę elementów skończonych (FEM), takich jak ANSYS i CFD-ACE+. Do określenia właściwości statycznych czujników wykorzystano analizę statyczną (rysunek 17) a do określenia właściwości dynamicznych analizę modalną oraz symulację przejściową uwzględniającą tłumienie PRZEGLĄD ELEKTROTECHNICZNY (Electrical Review), ISSN , R. 85 NR 9/

6 spowodowane oporem powietrza oraz ściskaniem i rozprężaniem poduszki powietrznej (rysunek 18) [18]. Na podstawie wyników symulacji modeli trójwymiarowych powstały zredukowane modele empiryczne, pozwalające zgrubnie ocenić reakcję czujnika na przyspieszenie [17]. Wykorzystanie symulacji wyżej wspomnianych modeli w procesie projektowania czujników pozwoliło uniknąć wielu błędów, a tym samym zredukowało ryzyko zaprojektowania wadliwej konstrukcji mechanicznej. napięciowy za pomocą mostka Wheatston a. Rysunek 19 przedstawia schematyczny widok czujnika. Membrana Piezorezystory Rys.19 Schemat piezorezystywnego czujnika ciśnienia [26-29]. Rys. 17. Wyniki trójwymiarowej analizy statycznej czujnika osi Z w środowisku ANSYS [8] W celu analizy takiego systemu musimy uwzględnić zachowanie mechaniczne, elektryczne i termiczne struktury. W procesie modelowania należy wykorzystać odpowiednie narzędzia służące takiej analizie. Narzędzia te można podzielić na dwie grupy. Pierwsza z nich to pakiety modelujące zachowanie się czujnika (symulacja mechaniczna, piezorezystywna, termomechaniczna). Często wykorzystują one metodę FEM jak np. ANSYS. Przykładowy wynik analizy mechanicznej wyznaczającej wartość naprężeń struktury czujnika przedstawiony jest na rysunku 20. Rys.20. Schemat piezorezystywnego czujnika ciśnienia. Rys. 18. Wyniki trójwymiarowej analizy przejściowej fragmentu czujnika osi Z w środowisku CFD-ACE+ [8] Projekt CAPTAM z CNRS-LAAS W ramach projektu prowadzonego w ośrodku LAAS- CNRS we Francji wspólnie z DMCS PŁ opracowywany został mikromaszynowy czujnik do pomiaru ciśnienia wewnątrzczaszkowego [26-29]. Aplikacja ta jest niezwykle trudna, gdyż wymaga nie tylko opracowania samego czujnika ciśnienia, ale także specjalnego opakowania, które musi spełniać bardzo surowe normy dotyczące urządzeń nadających się do implantacji. Zasada działania czujnika wykorzystuje konwersję wielkości mechanicznej (ciśnienia) na ugięcie cienkiej membrany [26-28]. Ugięcie to z kolei powoduje powstawanie naprężeń w strukturze, które przekształcane są na wielkość elektryczną. W naszym przypadku wykorzystujemy efekt piezorezystywny, który powoduje zmianę wartości rezystancji elektrycznej pod wpływem przyłożonego naprężenia. W ostatnim kroku zmiana rezystancji przekształcana jest na proporcjonalny sygnał Rys.21 Wynik symulacji redystrybucji profilu domieszek, otrzymany za pomocą symulatora procesu (pakiet SILVACO-ATHENA). Drugą grupą narzędzi są symulatory procesów technologicznych (implantacji, wygrzewania, dyfuzji). W naszym przypadku elementy przekształcające naprężenia na zmianę rezystancji (piezorezystory) wykonane są w procesie implantacji jonów boru w cienką membranę krzemową, a następnie poprzez długie wygrzewanie w 284 PRZEGLĄD ELEKTROTECHNICZNY (Electrical Review), ISSN , R. 85 NR 9/2009

7 wysokiej temperaturze następuje aktywacja i redystrybucja domieszek. Rysunek 21 przedstawia obliczony przykładowy profil koncentracji domieszek. Dzięki tym symulacjom można przewidzieć zachowanie czujnika przed jego wyprodukowaniem. Czujnik ma być implantowany a więc musi zostać umieszczony w specjalnym opakowaniu. Opakowanie to wykonane będzie z materiałów biokompatybilnych, różnych od krzemu, może więc wpływać na działanie czujnika poprzez zaindukowanie dodatkowych, często niechcianych, naprężeń wynikających z metod montażu bądź naprężeń termomechanicznych. Dlatego konieczne jest wykonanie symulacji wielodomenowych z wykorzystaniem metody FEM do symulacji czujnika wraz z jego opakowaniem. Przykładowy model FEM opracowanej struktury przedstawia rysunek 22. Rys.22. Model FEM czujnika wraz z opakowaniem. Po wyprodukowaniu prototypu czujnika trzeba sprawdzić czy wyniki symulacji są zgodne z pomiarami i czy można bazować na nich w fazie optymalizacji struktury. W tym celu musi zostać zaprojektowana maska czujnika, która pozwala przeprowadzić kompletny proces technologiczny podobny do tego, jaki używany jest przy produkcji układów scalonych. Maska służąca wyprodukowaniu czujnika oraz zdjęcie gotowego prototypu wykonanego w laboratorium LAAS-CNRS.przedstawione są na rysunku 23. temperaturową, realizowaną poprzez integrację piezorezystywnego czujnika temperatury, istotny wpływ ma dryft zera oraz wzmocnienia. Standardowo czujniki piezorezystywne oparte na mostku Wheatstone a muszą być wstępnie kalibrowane by wyeliminować napięcie niezrównoważenia wynikające z symetrii struktury czy jakości domieszkowania. Jednakże skorygowana wartość może się zmieniać na skutek starzenia się materiałów, niestabilności ciśnienia referencyjnego czy niedokładności opakowania czujnika. Z kolei sama odpowiedź elementu ruchomego, jakim jest membrana, może ulegać zmianom w wyniku wyżej wymienionych czynników jak również zmiany jej sztywności (np. w wyniku osadzania) czego efektem jest dryft wzmocnienia. W czujnikach medycznych, które są implantowane w ciało człowieka nie można stosować, kalibracji zewnętrznej wykonywanej przy użyciu czujnika referencyjnego, gdyż wymaga to wyjęcia i ponownego włożenia czujnika. Zdecydowanie lepszym rozwiązaniem jest możliwość kalibracji czujnika podczas jego normalnej pracy. W tym celu używa się aktuatorów umożliwiających wygenerowanie znanego ciśnienia a następnie sprawdza się odpowiedź membrany na tego typu wymuszenie i zmierzone odchylenia poddaje się kompensacji. Na wybór metody pobudzenia ma wpływ zastosowanie czujnika oraz kompatybilność procesu technologicznego, koniecznego do wykonania takiego aktuatora. W czujniku ciśnienia wewnątrzczaszkowego wykonanym w LAAS-CNRS wykorzystano wymuszenie elektrostatyczne. Czujnik ten ma praktycznie zerowy pobór mocy. Jest to bardzo istotne w przypadku czujnika, który będzie pracował w bardzo wąskim zakresie temperatur przy zachowaniu odpowiedniej stabilności temperaturowej. Z kolei wykonanie takiego aktuatora jest proste gdyż wymaga tylko wykonania elektrody pod membraną. Schemat opracowanego aktuatora przedstawiony jest na rysunku 24. krzemowa membrana tlenek dostęp do dolnej elektrody podłoże krzemowe Rys.24. Poglądowy schemat aktuatora elektrostatycznego zintegrowanego w czujniku ciśnienia Rys.23. Maska projektowanego czujnika oraz zdjęcie gotowej struktury. Czujnik został poddany serii testów, które potwierdziły poprawność symulacji dotyczącej wartości rezystancji oraz czułości. Podstawowym problemem większości czujników jest ich stabilność w czasie [28,29]. W przypadku czujnika ciśnienia do pomiaru ciśnienia wewnątrzczaszkowego ma to szczególne znaczenie gdyż mierzona wartość nie przekracza 15-20mmHg. Poza kompensacją W wyprodukowanym czujniku podłoże zostało wykonane z krzemu, co wyeliminowało konieczność nałożenia aluminiowej elektrody. Jedyną niedogodnością takiego rozwiązania jest nieliniowość odpowiedzi membrany na przyłożone napięcie. Wygenerowane ugięcie membrany zależy więc również od aktualnie mierzonego ciśnienia. Konsekwencją tego jest konieczność charakteryzacji każdego wyprodukowanego czujnika z osobna jak i wygenerowania dwóch różnych impulsów elektrycznych. Dodatkowo konieczne jest umiejętne określenie głębokości komory w celu uzyskania optymalnego wymuszenia przy wyeliminowaniu niekorzystnego zjawiska pull-in. Zastosowanie analizy FEM do optymalizacji parametrów aktuatora jest bardzo czasochłonne. Analogicznie jak dla czujnika piezorezystywnego, opracowano więc model analityczny, który umożliwia znacznie szybszą analizę takiego systemu niż w przypadku metody elementów skończonych. Model ten nie tylko opisuje membranę sterowaną ciśnieniem hydrostatycznym oraz elektrostatycznym, ale uwzględnia również pasożytnicze zjawiska tj. naprężenie rezydualne czy ugięcie PRZEGLĄD ELEKTROTECHNICZNY (Electrical Review), ISSN , R. 85 NR 9/

8 początkowe membrany, które powstają podczas procesu technologicznego. Jest to bardzo istotne gdyż membrana może posiadać naprężenia rzędu dziesiątek czy setek MPa a jej ugięcie początkowe może być porównywalne z wymiarami komory. Czynniki te istotnie wpływają na sztywność membrany oraz na wydajność mikrosystemu. Modele analityczne piezorezystywnego czujnika ciśnienia oraz aktuatora elektrostatycznego zostały sprzęgnięte i wykorzystane do kompleksowej analizy pełnego czujnika. Następnie struktury pomiarowe zostały wyprodukowane w LAAS-CNRS (rysunek 25) i pomyślnie scharakteryzowane, co umożliwiło weryfikację opracowanego modelu jak i koncepcji zastosowania wymuszania elektrostatycznego do kalibracji czujnika. Rys.25 Zdjęcie membrany ugiętej pod napięciem wykonane pod profilometrem optycznym. Podsumowanie W artykule przedstawiono zaprojektowane w Katedrze Mikroelektroniki i Technik Informatycznych (DMCS) i wykonane w technologiach mikromaszynowych sensory i aktuatory, które znajdują szerokie zastosowanie we współczesnych mikrosystemach krzemowych. Należy podkreślić, że dzięki MPW i Europractice każdy projektant układów scalonych dysponujący pakietem CADENCE ma obecnie dostęp do nowoczesnych technologii MEMS. Krokiem milowym rozwoju układów MEMS było wykonanie przez CMP pierwszego krzemowego mikrosystemu scalonego w ramach projektu BARMINT. LITERATURA [1]. Esteve D. and. oth., Basic research for microsystems integration, Cepadues-Editions, Toulouse, France, ISBN , (1997), 266 pages. [2]. Napieralski A., Mikrosystemy zintegrowane w technologiach krzemowych, Elektronika 4, (2001), 3-11 [3]. Napieralski A., Daniel M., Szermer M., Ślusarczyk K., Mikromaszyny i czujniki polprzewodnikowe, LODART, (2001) [4]. Wójciak W., Orlikowski M., Zubert M., Napieralski A., Micromachined Test Chip in CMOS MEMS Technology, Proceedings of MIXDES 97, (1997), [5]. Wójciak W., Orlikowski M., Zubert M., Napieralski A., Electro- Thermal Converter in CMOS Compatible, Front Side Bulk Micromachined Technology, Proceedings of MIXDES 97, (1997), [6]. Abdul Wahab A. Salman, Optimization and Simulation of Electrostatic Micromotors, Rozprawa doktorska, P.Ł., (2000). [7]. Pacholik J., Furmańczyk M., Jabłoński G., Turowski M., Grecki M., Napieralski A., Thermomechanical Design of Silicon Micropump", Proceedings of MIXDES 95, (1995), [8]. Orlikowski M., Zubert M., Wójciak W., Napieralski A., General Approach to VHDL-A Modelling of Integrated Micropump, Proceedings of THERMINIC 96, [9]. Cichalewski W., Napieralski A., Camon H., Estibal B., Study on Mems Micro Mirro Pull-in Voltage and Angle, for Inclined and Combined (Inclined/Flat) Electrode Structure, Proceedings of MIXDES 03, (2003), [10]. Szermer M., Daniel M., Napieralski A., Design and Modeling of Smart Sensor Dedicated for Water Pollution Monitoring, Proc. of Nanotech 03, (2003), San Francisco, USA, [11]. Szermer M., Daniel M., Napieralski A., Modeling and simulation of Sigma-Delta Analog to Digital Converters using VHDL-AMS, Proc. of CADSM 03, Lviv-Slavsk,, (2003), [12]. Daniel M, Janicki M, Napieralski A., Simulation of Ion Sensitive Transistors using a SPICE Compatible Model, Proc. of IEEE Sensors 03, Toronto, Kanada, (2003), [13]. Janicki M., Daniel M., Szermer M., Napieralski A., Ion sensitive field effect transistor modeling for multidomain simulation purposes, Microelectronics Journal, 35 (2004), [14]. Szaniawski K., Napieralski A., An Approach to Design a Silicon, Low-g Microaccelerometer for Turbogenerator Vibration Measurement, Proceedings of MIXDES 2001, (2001), [15]. Szaniawski K., Romiński A., A Capacitive Low-g Surface- Micromachined Microaccelerometer with Frequency Modulation and Digital Readout, Proc. of MIXDES 2002, (2002), [16]. Pawłowski A., Szaniawski K., Napieralski A., Design of Mixed-Signal Microsystems for Measurement and Processing, Proceedings of MIXDES 2002, (2002), [17]. Szaniawski K., Podsiadły P., Jabłoński G., A Methodology of Developing Reduced Linear Mechanical Models For MEMS Microstructures, Proc. of MIXDES 2002, (2002), [18]. Szaniawski K., Podsiadły P., Napieralski A., Application of CAD Tools for Design and Simulation of Capacitive Microaccelero-meters, Proceedings of CADSM 2003, Lviv- Slavsk, Ukraine, (2003), [19]. Szaniawski K., Napieralski A., Scalone czujniki małych drgań, Elektronizacja nr 11/2002, Warszawa [20]. Szaniawski K., Napieralski A., P. Sękalski, Podsiadły P., Design of a Prototype of a 3 Axis Capacitive Acceleration Sensor, Proceedings of MIEL 2004, (2004), [21]. Szaniawski K., Projektowanie i symulacja scalonych czujników wibracji i przyspieszenia. Rozprawa doktorska, Politechnika Łódzka, (2005) [22]. Maluf N., An Introduction to Micromechanical Systems Engineering, Artech House, Boston, 2000 [23]. Park K. Y., Lee C. W., Jang H. S., Oh Y., Ha B., Capacitive type surface-micromachined silicon accelerometer with stiffness turning capability, Sensors and Actuators A (Physical) 73, (1999), [24]. Chau K.H.L., Lewis S.R., Zhao Y., Howe R.T., Bart S.F., Marcheselli R.G., An integrated force-balanced capacitive accelerometer for low-g applications, Sensors and Actuators A 54, (1996), [25]. Hashimoto M., A 3-Axis Silicon Piezoresistive Accelerometer, Fujikura Ltd., Sensors 1999 [26]. M. Olszacki, C. Maj, M. Al. Bahri, D. Peyrou, F. Kerrour, P. Pons, A. Napieralski, A multi-domain piezoresistive pressure sensor design tool based on analytical models, Tech. Digest of EUROSIME 2008, Freiburg, Germany, (2008) [27]. M. Olszacki, C. Maj, M. Al. Bahri, P. Pons, A. Napieralski, Computer Aided Optimization Tool for MEMS Pressure Sensor Design, Proceedings of EUROSENSORS 2008, (2008), [28]. Michał Olszacki : Modeling and optimization of piezoresistive pressure sensors. Rozprawa doktorska, Politechnika Łódzka i INSA de Toulouse, (2009). [29]. Cezary Maj: Modelling and optimization of electrostatic membrane-based actuators. Rozprawa doktorska, Politechnika Łódzka i INSA de Toulouse, Autorzy: prof. dr hab. inż. Andrzej Napieralski, DMCS- Politechnika Łódzka, Katedra Mikroelektroniki i Technik Informatycznych ul. Wólczańska 221/223, Łódź, napier@dmcs.pl dr inż. Michał Szermer, DMCS, szermer@dmcs.pl dr inż. Krzysztof Szaniawski, ELKOMTECH S.A., Wołowa 2c, Łódź, krisz75@wp.pl mgr inż. Michał Olszacki, DMCS, olszacki@dmcs.pl mgr inż. Cezary Maj, DMCS, cmaj@dmcs.pl 286 PRZEGLĄD ELEKTROTECHNICZNY (Electrical Review), ISSN , R. 85 NR 9/2009