SŁAWOMIR WIAK (redakcja)

SŁAWOMIR WIAK (redakcja) Akademicka Oficyna Wydawnicza EXIT

Recenzenci: Prof. Janusz Turowski Politechnika Łódzka Prof. Ewa Napieralska Juszczak University Lille Nord de France, LSEE, UA, Francja Autorzy rozdziałów: Prof. Sławomir Wiak (rozdz. 1, 2, 10) Dr inż. Krzysztof Smółka (rozdz. 1, 2, 10) Mgr inż. Anna Firych-Nowacka (rozdz. 2) Prof. Zbigniew Kołaciński (rozdz. 3, 5, 6, 13) Mgr inż. Andrzej Kubiak (rozdz. 4) Prof. Zbigniew Lisik (rozdz. 4) Dr hab. inż. Jacek Gołębiowski, prof. PŁ (rozdz. 7) Dr inż. Michał Szermer (rozdz. 8, 9) Dr inż. Przemysław Sękalski (rozdz. 8, 9) Prof. Andrzej Napieralski (rozdz. 8, 9) Dr hab. inż. Zbigniew Gmyrek (rozdz. 11) Dr hab. inż. Paweł Witczak, prof. PŁ (rozdz. 12) Podręcznik akademicki przygotowany w ramach projektu "Innowacyjna dydaktyka bez ograniczeń - zintegrowany rozwój Politechniki Łódzkiej - zarządzanie Uczelnią, nowoczesna oferta edukacyjna i wzmacniania zdolności do zatrudniania, także osób niepełnosprawnych", współfinansowanego przez Unię Europejską w ramach europejskiego Funduszu Społecznego - Programu Operacyjnego Kapitał Ludzki "Priorytet IV, poddziałanie 4.1.1. Wzmocnienie potencjału dydaktycznego uczelni". Utwór w całości ani we fragmentach nie może być powielany ani rozpowszechniany za pomocą urządzeń elektronicznych, mechanicznych, kopiujących, nagrywających i innych, w tym również nie może być umieszczany ani rozpowszechniany w postaci cyfrowej zarówno w Internecie, jak i w sieciach lokalnych bez pisemnej zgody posiadacza praw autorskich. ISBN 978-83-60434-68-0 Copyright by EXIT, Politechnika Łódzka Łódź 2009

Michał Szermer Przemysław Sękalski Andrzej Napieralski 8. Mikrosystemy 8.1. Wstęp Dynamiczny rozwój produkcji układów scalonych spowodował gwałtowny wzrost zainteresowania technologiami mikroelektronicznymi [18]. Nowe metody wytwarzania układów scalonych umożliwiają wykorzystanie nowoczesnych technologii do produkcji nie tylko układów elektronicznych ale również części mechanicznych w skali mikro. Zaowocowało to powstaniem nowej, prężnej gałęzi przemysłu mikroelektronicznego jaką są mikrosystemy scalone [2],[4]-[7],[9],[11]-[13]. Mikrosystem jest autonomiczną jednostką, składającą się z takich części jak mikroczujniki wielkości nieelektrycznych, układy przetwarzania i transmisji danych, układy pamięci oraz jednostek obliczeniowych, a także układów przesyłania danych z mikrosystemów do jednostek nadzorujących dany proces jak np. komputery na stanowiskach nadzorujących pracę całych złożonych systemów produkcyjnych czy innych. Ponadto trwają prace nad zastosowaniem układów zasilających, zintegrowanych z mikrosystemem scalonym, co zapewniłoby możliwość wykorzystania mikrosystemu jako kompletnego systemu odczytującego dane, przetwarzającego je oraz podejmowanie określonych działań przez inne układy mikrosystemu, takie jak aktuatory. W niniejszym opracowaniu zostaną przedstawione zagadnienia związane z projektowaniem poszczególnych układów wchodzących w skład mikrosystemów krzemowych. Główny nacisk zostanie położony na układy mikromaszynowe. Przedstawione będą takie układy jak: scalone czujniki termiczne, 255

scalone czujniki chemiczne, scalone czujniki magnetyczne, scalone czujniki optyczne, elementy oraz czujniki mechaniczne, mikropompy krzemowe, mikrosilniki krzemowe. W celu zrozumienia zagadnień dotyczących mikrosystemów krzemowych konieczne jest wprowadzenie kilku pojęć. Pierwszym jest definicja mikrosystemu. Mikrosystemy (ang. Microsystems) to układy zawierające różnego rodzaju czujniki wielkości nieelektrycznych bądź aktuatory, wykonane w technologiach mikroelektronicznych, zintegrowane na jednym podłożu krzemowym (ang. On-chip) ze standardowymi układami elektronicznymi. W celu zrozumienia definicji mikrosystemu konieczne jest podanie definicji czujnika (sensora) oraz aktuatora. Sensor (ang. Sensor) to urządzenie umożliwiające konwersję pewnej określonej wielkości fizycznej na wielkość elektryczną. Dzięki temu możliwy jest pośredni pomiar tej wielkości. Aktuator (ang. Actuator) to urządzenie umożliwiające wykonanie pewnej pracy poprzez przetworzenie sygnału sterującego w postaci wielkości elektrycznej na sygnał innego typu. Są to podstawowe elementy mikromechaniczne, stosowane w mikrosystemach krzemowych. To do nich dołącza się inne układy elektroniczne, takie, jak pamięci, mikrokontrolery, wzmacniacze operacyjne, które są odpowiedzialne za dalszą obróbkę danych pomiarowych. 8.2. Czujniki wielkości nieelektrycznych Pierwszą grupę elementów wchodzących w skład mikrosystemów tworzą czujniki wielkości nieelektrycznych 256

[2],[10],[17]. W tym punkcie zostaną przedstawione podstawowe czujniki scalone, takie, jak: termiczne, chemiczne, magnetyczne, optyczne, mechaniczne. Pierwszą grupę czujników tworzą sensory elektrotermiczne, których charakterystyka zostanie przedstawiona w następnym podpunkcie. 8.2.1. Sensory termiczne W tym podpunkcie zostaną opisane najczęściej stosowane rozwiązania czujników termicznych popularnie zwanych czujnikami temperatury. Istotą działania czujnika termicznego jest przetworzenie sygnału pochodzenia cieplnego na sygnał elektryczny. Można tutaj wyróżnić trzy fazy: zamiana energii dostarczanej do czujnika na strumień ciepła w strukturze, odczyt różnicy temperatur wywołanej przez strumień cieplny, zamiana różnicy temperatur na sygnał elektryczny przy pomocy przetworników termoelektrycznych. Scalone czujniki termiczne są rozwijane już od wielu lat [21]. Ostatnio pojawiły się przetworniki termoelektryczne w wersji mikromaszynowej. Zaletą scalonych czujników termicznych jest ich możliwa integracja z układami scalonymi, w których coraz bardziej wzrasta gęstość wydzielanej mocy. Powoduje to konieczność pomiaru temperatury już w samym układzie scalonym i podjęciu decyzji jakie należy zastosować chłodzenie. Podstawowe zalety stosowania scalonych czujników termicznych można przedstawić następująco: szeroki zakres pomiarowy (od 50 do + 180 C), małe wymiary geometryczne umożliwiające pomiar temperatury w ściśle określonym miejscu w układzie, 257

niski koszt produkcji ze względu na jej masowość i dostępność technologii. Podstawowym zastosowaniem tego typu czujników to układy mocy. Jednakże ciągły wzrost częstotliwości taktującej układy cyfrowe, takie jak mikroprocesory spowodował konieczność zastosowania czujników temperatury także w układach cyfrowych. Podstawowe rozwiązania czujników temperatury kształtują się następująco: badanie prądu złącza p n umieszczonego w punkcie pomiarowym, pomiar napięcia na złączu baza - emiter w tranzystorze bipolarnym, umieszczonym w punkcie pomiarowym, pomiar temperatury przy pomocy układów PTAT, pomiary rezystancji cienkowarstwowych rezystorów. 8.2.1.1. Złącze p n Pomiar temperatury za pomocą złącza p n opiera się o zależność temperaturową prądu przewodzenia diody. Prąd przewodzenia diody można zapisać w następującej postaci: U I = I 1 S exp UT (8.1) gdzie: I S - prąd nasycenia złącza, U T - potencjał elektrokinetyczny k - stała Boltzmana, q - ładunek elektronu. U T k T =, q Pomiar temperatury odbywa się przy przepustowo spolaryzowanym złączu diodowym. Zmiany temperatury są wówczas kompensowane zmianami napięcia U złącza. Napięcie to informuje bezpośrednio o temperaturze w danym punkcie układu. Jego zależność w funkcji temperatury przedstawiono na rysunku Rys. 8.1. 258

2,0 1,8 1,6 1,4 Napięcie [V] 1,2 1,0 0,8 0,6 0,4 0,2 0,0 0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 Temperatura [K] Rys. 8.1 Charakterystyka temperaturowa złącza p-n 8.2.1.2. Układy PTAT Czujniki temperatury typu PTAT (ang. Proportional To Absolute Temperature) to urządzenia, których napięciowy sygnał wyjściowy zależy liniowo od temperatury. Istnieje wiele rozwiązań czujników typu PTAT rozróżnialnych pod względem budowy jak i elementów wchodzących w ich skład. Można wyróżnić czujniki PTAT wykonane wyłącznie w oparciu o tranzystory bipolarne, czujniki oparte na tranzystorach MOS z lateralnymi tranzystorami bipolarnymi oraz czujniki oparte wyłącznie na tranzystorach unipolarnych. Innym kryterium podziału czujników PTAT jest rodzaj sygnału wyjściowego czujnika. W tym przypadku rozróżnić można czujniki z wyjściem prądowym oraz napięciowym. W realizacjach mikroelektronicznych czujniki te są wykonywane najczęściej w technologiach BiCMOS. Przykładowy schemat czujnika PTAT zrealizowanego z wykorzystaniem tranzystorów MOS oraz lateralnych tranzystorów bipolarnych przedstawiono na rysunku Rys. 8.2. Rys. 8.2 Schemat elektryczny czujnika typu PTAT 259

8.2.1.3. Mikromaszynowe czujniki temperatury Do powstania mikromaszynowych czujników temperatury przyczynił się przede wszystkim dynamiczny rozwój technologii mikroelektronicznych, a w szczególności możliwość integracji głębokiego trawienia krzemu, ze standardowymi procesami technologicznymi. Podstawowymi strukturami wykonywanymi w technologii mikromaszynowej są: różnego rodzaju belki i wysięgniki, membrany, mosty pojedyncze i krzyżowe. Najbardziej istotną cechą struktur mikromechanicznych jest możliwość izolacji termicznej źródła ciepła umieszczonego na strukturze od podłoża układu. Pomiar temperatury odbywa się za pośrednictwem układów opartych na termoparach. Poziom sygnału wyjściowego termopary jest wprost proporcjonalny do rezystancji termicznej. Dlatego też, im dłuższy i węższy wysięgnik lub most, tym lepsze parametry czujnika. W procesie projektowania należy jednak uwzględnić wytrzymałość fizyczną struktury a także inne elementy wpływające w istotny sposób na parametry wyjściowe czujnika. Wartościami ograniczającymi może być w tym przypadku wytrzymałość mechaniczna mostu oraz generacja szumów związana z długością termopar. Poglądowy widok termopary przedstawiono na rysunku Rys. 8.3. ZŁĄCZE GORĄCE ZŁĄCZE ZIMNE U 260 Rys. 8.3 Poglądowy rysunek termopary Istotą działania tychże układów jest przetworzenie sygnału termicznego na sygnał elektryczny zgodnie z efektem Seebeck a. Zjawisko Seebeck a zwane również zjawiskiem termoelektrycznym polega na powstawaniu siły elektromotorycznej w obwodzie zawierającym dwa metale lub półprzewodniki gdy ich złącza znajdują się w różnych temperaturach. Różnica temperatur między zimnymi złączami termopar, położonymi z dala od badanego obszaru o znanej temperaturze i gorącymi złączami termopar, położonymi blisko monitorowanego obszaru determinuje

proporcjonalny do niej sygnał wyjściowy zgodnie z równaniem Seebeck a: U = N ΔT ( α1 α 2 ) (8.2) gdzie: U - napięcie wyjściowe, ΔT - różnica temperatur pomiędzy gorącym a zimnym złączem, α 1,α 2 - współczynniki Seebeck a materiałów użytych do wytworzenia termopar, N - liczba użytych termopar. Oba ramiona termopary muszą być wykonane z różnych materiałów aby zapewnić niezerową różnicę współczynników Seebeck a. Wartości współczynników Seebeck a dla najczęściej stosowanych materiałów termopar przedstawiono w tabeli 8.1. Tab. 8.1 Współczynniki Seebeck a dla różnych materiałów stosowanych w technologiach mikroelektronicznych wyrażone w [μv/k] Materiał α (273 K) α (300 K) Krzem krystaliczny 300 do 1000 Antymon 43 43 Chrom 18,8 17,3 Złoto 1,79 1,94 Miedź 1,7 1,83 Aluminium -1,7 Platyna -4,45-5,28 Nikiel -18 Bizmut -79-79 Polikrzem -500 do -200 Jak można zauważyć, w technologiach mikroelektronicznych najkorzystniejsze do budowy termopar są materiały, takie, jak aluminium oraz polikrzem. Zapewniają one relatywnie wysoki poziom generowanego napięcia wyjściowego na stopień (znaczna różnica współczynników Seebeck a). Nie mniej ważną cechą jest to, że materiały te należą do standardowych warstw technologicznych w technologiach mikroelektronicznych. Standardowo termoparę wykonuje się więc z dwóch pasków wytworzonych z metalizacji (aluminium) i polikrzemu, połączonych razem kontaktem. 261

W strukturze osadzonej bezpośrednio na podłożu, główny strumień ciepła skierowany jest w głąb krzemu. Biorąc pod uwagę małą rezystancję termiczną podłoża, wszelkie pomiary temperatury mogą być obarczone dużymi błędami ze względu na szybkie wnikanie strumienia ciepła w głąb podłoża. W celu termicznego odizolowania czujników od podłoża umieszcza się je na mostach bądź wysięgnikach. W ten sposób możliwe jest uzyskanie dużego gradientu temperatury pomiędzy gorącym a zimnym złączem termopary, co daje dokładniejszy pomiar. Zdjęcia mikromaszynowego czujnika temperatury, zaprojektowanego w Katedrze Mikroelektroniki i Technik Informatycznych zostały przedstawione na rysunkach Rys. 8.4 i Rys. 8.5. Rys. 8.4 Zdjęcie mikromaszynowego czujnika temperatury Rys. 8.5 Zbliżenie na zestaw termopar Na rysunku Rys. 8.4 widoczne jest zdjęcie całego czujnika w widoku z góry. Widać wyraźnie most krzyżowy, na którym są umieszczone zestawy termopar. Pod mostem widoczne wyraźnie obszary wytrawione. Na rysunku Rys. 8.5 jest przedstawione zbliżenie na koniec jednego z ramion mostu, zawierające zestaw termopar. 8.3. Sensory chemiczne Definicja czujnika chemicznego często spotykana w literaturze określa go, jako urządzenie przetwarzające chemiczną informację ze środowiska zewnętrznego na sygnał użyteczny analitycznie. Składa się on z dwóch podstawowych elementów. Pierwszym z nich jest chemicznie selektywna warstwa receptorowa, drugim zaś element przetwornikowy. W części receptorowej sensora informacja niesiona przez badaną substancję chemiczną jest przekształcana w sygnał, 262

który może być przetworzony przez przetwornik. Zadaniem przetwornika jest natomiast konwersja mierzonej wartości na łatwy do dalszej obróbki sygnał: elektryczny, optyczny, akustyczny itd [3]. Półprzewodnikowe przetworniki stężeń substancji chemicznych zwane CSSD (ang. Chemically Sensitive Semiconductor Devices) są pomostem pomiędzy układami elektronicznymi a układami chemicznymi, a w szczególności układami elektrochemicznymi. Możliwość przetwarzania w tych urządzeniach wielkości chemicznych na sygnał elektryczny prądowy bądź napięciowy pozwala na późniejszą łatwą obróbkę tego sygnału i w efekcie na otrzymanie wielkości wyjściowej w dowolnej postaci analogowej bądź cyfrowej. Rozwój technologii planarnych oraz technik przetwarzania i transmisji sygnałów pozwala na tworzenie zintegrowanych układów na jednej płytce krzemu (ang. On-chip), znajdujących szerokie zastosowanie w monitorowaniu środowiska naturalnego, diagnostyce medycznej, biochemii i w wielu innych dziedzinach nauki i techniki [19]. Najbardziej rozpowszechnioną odmianą wspomnianych czujników są jonoczułe tranzystory polowe ISFET (ang. Ion Sensitive Field Effect Transistor). Czujniki te łączą w sobie cechy klasycznych czujników elektrochemicznych z cechami tranzystorów polowych FET. Mają one szereg istotnych zalet. Do najważniejszych należą: duża rezystancja wejściowa (100GΩ 1PΩ), mała rezystancja wyjściowa (100Ω 1kΩ), zwarta struktura mało wrażliwa na uszkodzenia mechaniczne, możliwość wytwarzania w postaci mikrosensorów w standardowej technologii NMOS bądź CMOS, redukcja do minimum zakłóceń pochodzących ze źródeł zewnętrznych, dzięki możliwości naniesienia na strukturę półprzewodnikową obok czujników elektronicznych układów kompensujących wpływ temperatury oraz układów przetwarzających wyjściowy sygnał sensora na postać cyfrową, niska cena (ze względu na masowość produkcji i ogólnie dostępną technologię). Pomysł wykorzystania zmodyfikowanego tranzystora polowego jako czujnika stężenia jonów wodorowych w elektrolitach podano już w 1970 roku. Zgodnie z pierwotną koncepcją z tranzystora MOS została usunięta elektroda metaliczna ponad bramką. Taką strukturę 263

umieszczono następnie w elektrolicie. Zauważono, że na granicy tlenku nad bramką jakim był dwutlenek krzemu i elektrolitu, pojawia się w wyniku reakcji jonowymiennych różnica potencjałów określona równaniem Nernst a, sterująca pracą urządzenia. Różnica ta jest wprost proporcjonalna do logarytmu dziesiętnego stężenia bądź aktywności badanych jonów wodorowych i może służyć do wysterowania tranzystora. Dalszym krokiem w rozwoju struktur ISFET było zaprojektowanie czujnika czułego na jony potasu. Zrobiono to w roku 1975 poprzez wprowadzenie membrany z PVC umieszczonej nad tlenkiem bramki z zawieszonym w niej roztworem pełniącym rolę jonowymieniacza (ang. Ion Carrier) dla jonów potasowych. Rozwój technologii oraz szybki wzrost zainteresowania tymi strukturami przyczynił się do powstania struktur czułych na inne jony np. chlorkowe, jodkowe, bromkowe itd. Podjęto również prace nad czujnikami stężeń bardziej złożonych substancji. Dla tego rodzaju czujników przyjęła się nazwa CHEMFET (ang. Chemically Modified Field Effect Transistor). W tego typu strukturach między membraną jonowymienną a tlenkiem nad kanałem nakłada się specjalną warstwę o nazwie polyhema, mającą na celu lepsze przytwierdzenie membrany do podłoża krzemowego oraz minimalizację długookresowych zmian czułości membrany związanych ze starzeniem. Podstawowym problemem jaki napotyka się przy użytkowaniu czujników jonów, jest ich ograniczona trwałość. Dotyczy to głównie połączenia membran ze strukturą krzemową oraz wytrzymałości elektrody odniesienia. Membrany te nie mając dostatecznie silnych powiązań ze strukturą półprzewodnikową mogą po prostu odpaść bądź stracić swoje właściwości z powodu wypłukania składników membrany przez badany roztwór. Ten drugi efekt jest eliminowany przez zastosowanie hydrofobowych związków w membranach. Do tej pory nie znaleziono jeszcze optymalnego powiązania membrany ze struktura półprzewodnika. W tej chwili najczęściej stosuje się membrany polimerowe PVC, biomembrany itp. Przy stosowaniu tych pierwszych udało się osiągnąć stabilność i dryft na tak dobrym poziomie, że zaniechano dalszych prac mających na celu ulepszenie właściwości tego elementu. Wprowadzenie tranzystorów ISFET do praktycznych aplikacji wymaga dobrych metod pasywacji układu czujnika i jego hermetyzacji. Najczęściej jako materiał pasywacji stosuje się azotek krzemu grubości kilku dziesiątych mikrometra, nanoszony metodą chemicznego naparowywania z fazy gazowej pod niskim ciśnieniem 264

- LPCVD (ang. Low Pressure Chemical Vapour Deposition) i warstwę dwutlenku krzemu grubości kilku mikrometrów. Do hermetyzacji czujników stosuje się różne kompozycje żywic epoksydowych. Na rysunkach 8.6 i 8.7 przedstawiono poglądowy schemat tranzystora jonoczułego ISFET w porównaniu do standardowego tranzystora MOS [16]. Dren (D) Bramka (G) Źródło (S) Dren (D) Bramka (G) Źródło (S) Elektroda odniesienia Materiał Jonoselektywny n+ n+ n+ n+ Rys. 8.6 Przekrój przez strukturę tranzystora MOS p Rys. 8.7 Przekrój przez strukturę tranzystora ISFET p Tranzystor polowy jonoczuły jest strukturą półprzewodnikową, w której bramkę metaliczną zastąpiono elektrodą odniesienia, roztworem o badanym stężeniu i substancją selektywną. Rolę obszaru czynnego sterującego przepływem prądu dren-źródło przejęła zewnętrzna warstwa substancji jonoselektywnej. Pomiar wybranych jonów uzyskuje się poprzez dobranie odpowiedniego materiału selektywnego czułego na jony tylko jednego rodzaju. Materiały selektywne można sklasyfikować następująco: nieorganiczne izolatory czułe na jony wodoru lub krzemian glinu jako materiał czuły na jony sodu i potasu, membrany jonoselektywne (najczęściej polimerowe lub tzw. biomem-brany zawierające enzymy i inne złożone związki). Dwutlenek krzemu jako materiał jonoselektywny charakteryzuje się słabymi parametrami czułościowymi oraz dużym rozrzutem charakterystyk i dużą histerezą. Dlatego też najczęściej stosuje się materiały nie posiadające tych wad, np.: dwutlenek cyrkonu, dwutlenek hafnu, dwutlenek tytanu oraz szczególnie chętnie stosowane w technologiach krzemowych warstwy azotku krzemu i trójtlenek glinu należące do standardowych warstw stosowanych w technologiach mikroelekronicznych. 265

Proces wymiany jonów między powierzchnią materiału selektywnego a elektrolitem powoduje pojawienie się skoku potencjału E na granicy faz materiał selektywny-roztwór. Zmiana tego potencjału jest wprost proporcjonalna do zmiany stężenia jonów w badanym roztworze. Z dobrą dokładnością opisać można to zjawisko półempirycznym równaniem Nersnst a: 266 ( 10) U ( ph ph ) E = Ln κ T pzc (8.3) gdzie: ph - badane stężenie roztworu, ph pzc - wartość ph roztworu badanego w stanie zerowego ładunku na powierzchni materiału selektywnego, k - stała zwana selektywnością materiału, U T - potencjał elektrokinetyczny. Wartość ph pzc odpowiada takiemu stężeniu badanych jonów w roztworze, przy którym potencjał sterujący E wynosi zero. Jest to charakterystyczny parametr każdego materiału selektywnego. Bezpośredni pomiar potencjału powierzchniowego ze względów technicznych nie jest możliwy. Dlatego stosuje się pomiar pośredni wprowadzając do układu elektrodę odniesienia. Musi ona spełniać warunek obojętności względem roztworu tzn. wartość skoku potencjału między nią a elektrolitem musi być stała i niezależna od składu roztworu badanego. Nie może ona również wpływać na skład badanego roztworu. Opisany poprzednio tranzystor jonoczuły ISFET może być zmodyfikowany poprzez nałożenie na tlenek bramki jonoczułej membrany, która zawiera cząsteczki jonoforu (jonowymieniacza) oraz warstwy pośredniej (polihema). Membrana jonoselektywna jest w tym przypadku bardzo istotną częścią jonoczułych sensorów chemicznych. Odpowiednie dobranie jej składu chemicznego pozwala na opracowanie sensorów czułych na ściśle określone jony. Najważniejszym składnikiem membrany jest jonofor czyli związek chemiczny, który zdolny jest do odwracalnego wiązania jonów z roztworu badanego oraz ich transport przez fazę membrany. Drugim istotnym składnikiem membrany jest sól lipofilowa utrudniająca proces wnikania jonów przeciwnego znaku w stosunku do jonu głównego do fazy membrany. Związki te zawieszone są w matrycy polimerowej. Jeżeli granica membrana-roztwór jest przepuszczalna tylko dla jednego rodzaju jonów to nazywana jest wtedy selektywnie prze-

puszczalną. Różnica potencjałów na granicy faz, która steruje strukturą półprzewodnikową opisywana jest wtedy równaniem Nernst a, tak, jak w przypadku tranzystora ISFET. W przypadku struktur z naniesionymi membranami mamy do czynienia z pojęciem selektywności dla wielu rodzajów jonów. Wiąże się to z tym, że membrany jonoselektywne charakteryzują się przepuszczalnością zwykle dla kilku rodzajów jonów. Selektywność membrany zależy od względnych wielkości prądów wymiany dla oznaczonego jonu głównego i jonów przeszkadzających. Im większy jest ich stosunek, tym bardziej selektywna jest membrana. Podstawowe równanie opisujące układ dwóch jonów, głównego i przeszkadzającego, o takim samym ładunku i współczynniku selektywności K ij nosi nazwę równania Nikolskiego-Eisenmana i jest podane poniżej: R T = E + Ln a + K E 0 (8.4) i ij j z i F j gdzie: E 0 - stała różnica potencjałów, niezależna od elektrody odniesienia, temperatury oraz badanej próbki roztworu, a i, a j - aktywności jonów głównego i czyli tego, na którego detekcję nastawiony jest czujnik oraz przeszkadzającego j (zwanego też inaczej zakłócającym), z i, z j - ładunki jonów głównego i oraz przeszkadzającego j, K ij - współczynnik selektywności. Kilkunastoletnie badania odnoszące się do polowych tranzystorów jonoczułych doprowadziły do znacznego rozwoju czujników opartych na tranzystorach ISFET. Mimo, że podejmowano próby całościowego ujęcia problematyki dotyczącej zastosowań półprzewodnikowych struktur w pomiarach chemicznych, nie opracowano jednak monografii obejmującej całokształt tej tematyki. Obecnie rozwój badań nad tymi strukturami doprowadził do stosowania coraz bardziej zaawansowanych technicznie materiałów a w wyniku tego do znacznego zróżnicowania składu chemicznego materiałów jonoselektywnych. Wydaje się, że stworzenie jednego modelu dobrze odzwierciedlającego pracę struktury niezależnie od np. składu chemicznego membrany jonoczułej nie jest możliwe. a z i z j 267

8.4. Sensory magnetyczne Czujniki pola magnetycznego mogą być zdefiniowane jako elementy, które generują sygnał elektryczny w obecności pola magnetycznego. Sygnał ten jest skorelowany z natężeniem pola magnetycznego oraz z jego kierunkiem. Istnieje bardzo duża różnorodność urządzeń mogących wytworzyć taki sygnał w obecności pola magnetycznego począwszy od prostej cewki aż po urządzenia, w których zastosowano materiały nadprzewodzące [1], [8]. Różnorodność aplikacji takich urządzeń pozwala wyodrębnić dwie podstawowe ich grupy: zastosowania bezpośrednie gdzie czujniki pola magnetycznego są używane jako magnetometry służące do pomiarów ziemskiego pola magnetycznego, odczytywania oraz zapisywania informacji na taśmach i dyskach magnetycznych, rozpoznawania kodów magnetycznych itp., zastosowania pośrednie gdzie sygnały niemagnetyczne są wykrywane przez pomiar pola magnetycznego, więc czujnik pola jest w rzeczywistości przetwornikiem sygnału magnetycznego na sygnał innego rodzaju. Zastosowanie czujników pola magnetycznego w tak szerokim zakresie stało się możliwe dzięki dynamicznemu rozwojowi materiałoznawstwa i technologii. Zakres wykrywania wartości pól magnetycznych występujących w powyższych aplikacjach rozciąga się od 1fT aż do 1MT. Szeroki segment zastosowań przemysłowych mieści się jednak w znacznie węższym paśmie z reguły w mt i może być wykrywany przez nowoczesne czujniki półprzewodnikowe. Zawierają one w sobie płytki Halla, magnetodiody, magnetotranzystory, itd. W niniejszym punkcie zostaną przedstawione tylko wybrane konstrukcje czujników realizowanych w technologiach krzemowych. Czujniki takie są coraz powszechniej stosowane w różnych dziedzinach życia codziennego oraz szybkość rozwoju technologii mikroelektronicznych umożliwia wykonywanie ich w olbrzymich ilościach, co znacznie zmniejsza koszt pojedynczego egzemplarza. Ponadto wszechobecna miniaturyzacja oraz rozwój układów elektronicznych skłania do integracji wszystkich urządzeń w pojedynczym mikrosystemie. 268

Efekt Halla jest podstawowym zjawiskiem wykorzystywanym w scalonych czujnikach pola magnetycznego. Dlatego zostanie ono wyjaśnione. Otóż jeśli przez długi przewodnik lub półprzewodnik położony w płaszczyźnie XY przepływa prąd elektryczny I w kierunku Y w wyniku przyłożenia pola elektrycznego, a przewodnik lub półprzewodnik ten będzie umieszczony w prostopadłym do jego powierzchni polu magnetycznym o indukcji magnetycznej B, to siła Lorentza odchyli nośniki prądu od pierwotnego kierunku Y wskutek czego na krawędziach powstanie napięcie będące wynikiem powstania dodatkowego pola elektrycznego w kierunku X. Poglądowa struktura obrazująca to zjawisko jest zamieszczona na rysunku 8.8. Y B X Θ H I Rys. 8.8 Efekt Halla w płytce półprzewodnikowej Siła, która działa na elementarny ładunek elektryczny w zewnętrznym polu magnetycznym nazywana jest siłą Lorentza i jest opisana wzorem: r r r F = q v B (8.5) gdzie: q - ładunek, v r - prędkość poruszania się ładunku q, B r - indukcja magnetyczna. W kolejnych punktach zostaną omówione najczęściej spotykane scalone czujniki pola magnetycznego. Można tutaj wyróżnić następujące elementy: magnetotranzystor lateralny, czujnik Halla, MAGFET. ( ) 269

8.4.1. Magnetotranzystor lateralny Jednym z pierwszych czujników pola magntycznego był bipolarny magnetotranzystor poziomy [15]. Wykorzystanie go jako czujnika pola wymagało zastosowania dwóch kolektorów. W chwili obecnej wyparcie technologii bipolarnych przez technologie CMOS ze względu na niską konsumpcję mocy w układach tego typu doprowadziło do powstania odmiany tego tranzystora przystosowanego do wykonania w tej właśnie technologii. Podstawowa struktura takiego tranzystora jest przedstawiona na rysunku 8.9. Podłoże (S) Emiter (E) Baza (B1) Kolektor (C) Baza (B2) n n+ p p+ n+ n+ p+ 270 Rys. 8.9 Tranzystor poziomy npn wykonany w technologii CMOS Przyrząd ten jest umiejscowiony w studni typu p, która stanowi bazę tranzystora. Dwa kontakty bazy p+ są wykorzystywane do spolaryzowania i wytworzenia stałego pola elektrycznego. Dwa obszary typu n+ stanowią emiter i kolektor tranzystora. Są one odseparowane przez bazę na długości L. Złącze p-n pomiędzy bazą a podłożem jest spolaryzowane zaporowo. W przypadku działania tego przyrządu w obszarze aktywnym (tzn. gdy złącze emiter-baza jest spolaryzowane w kierunku przewodzenia natomiast złącze kolektor-baza w kierunku zaporowym) elektrony wstrzykiwane w bazę poruszają się w kierunkach zarówno pionowym jak i poziomym i są odbierane zarówno przez kolektor jak i podłoże. Jeśli potencjał bazy B1 jest większy niż potencjał bazy B2, poziome pole elektryczne kieruje elektrony do kolektora. Prąd kolektora dla zerowej wartości natężenia pola magnetycznego jest równy IC0. Jeśli pole magnetyczne jest prostopadłe do struktury tranzystora będzie ono wpływało na zmianę prądu kolektora. Wektor prędkości nośników ładunku v r i indukcja magnetyczna B r są prostopadłe powodując odchylenie nośników ładunku w kierunku powierzchni tranzystora zwiększając w ten sposób prąd kolektora. Gdy kierunek indukcji magnetycznej jest odwrotny, elektrony są odchylane

w kierunku podłoża. Zmiana prądu kolektora jest bezpośrednio powiązana z wartością oraz kierunkiem wektora indukcji magnetycznej B r. 8.4.2. Czujnik Halla Czujniki oparte na zjawisku Halla są najczęściej prostokątną płytką krzemu o relatywnie wysokiej rezystywności. Jej poglądowa struktura jest przedstawiona na rysunku 8.10. Znajdują się na niej cztery kontakty omowe: dwa prądowe i dwa napięciowe, będące kontaktami czujnika, na których odkłada się napięcie Halla U H. Napięcie to jest proporcjonalne do prostopadłego wektora indukcji pola magnetycznego B r. Jego wartość jest wyrażona następującym wzorem: U H = R H G I B t gdzie: G - współczynnik geometrii, t - grubość warstwy epitaksjalnej płytki Halla, R H - współczynnik Halla. (8.6) Współczynnik geometrii dla krótkich prostokątnych płytek, gdzie L < W, z kontaktami położonymi w połowie długości płytki i małym kątem Halla, może być dobrze aproksymowany przez wzór: L G 0, 74 (8.7) W Płytki Halla powinny być długie, cienkie i słabo domieszkowane. Kontakty prądowe Kontakty napięciowe n n+ n+ n+ Rys. 8.10 Płytka Halla 271

8.4.3. MAGFET Skrót MAGFET dotyczy całej rodziny czujników pola magnetycznego, których budowa jest oparta na tranzystorze MOS. Wynika to z faktu, że warstwa inwersyjna lub kanał tranzystora MOS może być użyta jako aktywny region czujnika Halla. Taki czujnik jest kompatybilny z obwodami tranzystorów MOS. Urządzenia te wykorzystują efekt Halla lub zjawisko odchylenia ładunków przez siłę Lorentza. Czujniki te obok swych dużych zalet posiadają jednak wady. Najpoważniejszą z nich jest szum 1/f, który jest najczęściej wyższy od szumów tego typu pojawiających się w płytkach Halla. Inną wadą jest niska ruchliwość nośników ładunku w kanale. Poniżej zostanie omówiona podstawowa struktura MAGFET a z rozszczepionym drenem, przedstawiona na rysunku 8.11. Bramka (G) B r Źródło (S) Dren (D1) Dren (D2) n+ n+ p Rys. 8.11 MAGFET z rozszczepionym drenem Jego zasada działania jest następująca. Jeżeli tranzystor nie jest umieszczony w polu magnetycznym prądy obu drenów są równe. Natomiast gdy czujnik znajdzie się w działaniu pola magnetycznego, prostopadłego do jego powierzchni, nośniki ładunków przepływające przez kanał tranzystora zostaną odchylone, prąd jednego z drenów wzrasta, a drugiego maleje. Różnica prądów na podstawie której można określić wartość indukcji pola magnetycznego wyraża się wzorem: ΔI D L = Gμ Hn BI W D gdzie: I D - prąd drenu przy zerowym polu magnetycznym. (8.8) 272