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 (SiO2, Si3N4, Al) oraz zaczyna się stosować inne półprz. (SiC, GaAs, diament), metale i ich tlenki, polimery organiczne.
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.
Własności krzemu w porównaniu do innych materiałów Si SiC diament Stal nierdz. Al Punkt topnienia (st. C) 1350 2830 3550 1400 660 Max. temp. pracy (st. C) 300 873 1100 - - Wsp. rozsz. term. (10-6/st.C) 2.5 3.3 1 17.3 25 Wsp. przew. ciepl. (W/cm K) 1.57 4.9 20 0.329 2.36 Gęstość (g/cm3) 2.3 3.2 3.5 7.9 2.7 Moduł Younga (1011 N/m2) 1.9 7 10.35 2 0.7 Granica plastycz -ności (109 N/m2) 6.9 21 53 2.1 0.17 Twardość w skali Knoopa (kg/m2) 850 2480 7000 660 130 Wytrz. dielektr. (MV/m) 0.5 4.0 10 - - Przerwa energet. (eV) 1.12 3.0 5.5 - -
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). Własności powierzchni rozciągają się częściowo w głąb. Twardość, odporność na korozję - uwar. są własnościami kilku warstw atomowych. S/ V
W obszarze nanotechnologii obserwuje się zależność parametrów sprężystych materiałów od wymiarów. Odchylenie własności sprężystej D od Dc dla materiału w skali makro wynosi gdzie: - stała zal. od geometrii h - długość określ. wymiar struktury S - powierzchniowa stała sprężystości E - objętościowy moduł Younga h0 - wymiar, dla którego istnieje wpływ powierzchni (dla c-Si h0 0.1 nm, a więc wpływ powierzch. istnieje dla h < 5 nm)
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)
Trawienie Trawienie głębokie to głównie tzw. trawienie mokre anizotropowe (o szybkości zależnej od orientacji krystalograficznej). Możliwości z tego wynikające odkryto na początku lat 1980. 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 > 2.5 1019 cm-3 szybkość trawienia spada 3 rzędy). Selektywność trawienia można również uzyskać w procesie elektrochemicznym.
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 SiO2 - zaleta Hydrazyna + woda duża szybkość trawienia {100}, selektywność mała ok. 10:1.
Trawienie suche (w plaźmie gazowej) Jony Ar, O2 CF4, SF6 RIE Trawienie plazmowe jest procesem czystym, bardzo użytecznym w przypadku gdy nie można stosować trawienia mokrego.
Izotropowe trawienie cienkich warstw Przykłady środków trawiących dla wybranych cienkich warstw: Si: HF + HNO3 + H2O SiO2: HF + H2O Si3N4: H3PO4 + H2O Al: trawienie plazmowe lub reaktywne jonowe Warstwy Au, Pt nie są trawione ale kształtowane w tzw. procesie liftoff.
Czujnik ciśnienia z piezoelektryczną warstwą ZnO Tox – tlenek termiczny (izolacja od podłoża) ZnO – technologia rozpylenia
Czujnik przyspieszenia Struktura pionowa Struktura boczna
Aktuatory – napęd elektrostatyczny siła prostopadła do płaszczyzny płytki b) siła równoległa do zębów grzebienia Dla kondensatora płaskiego: F = ½ CV2/x Mikrosilnik elektrostatyczny, średnica rotora 0.1 mm
Mikrosilnik magnetyczny Dominują aktuatory w oparciu o siłę Lorentza Siła Lorentza jest proporcjonalna do płynącego prądu, długości przewodnika i pola magnetycznego. Jest jednocześnie prostopadła do przewodnika i pola mag. Przykład: dla L = 1mm, I = 10 mA, B = 1 T F = 10 μN
Mikrosystemy
Mikrosonda Mikroskopu AFM (Atomic Force Microscope) L1 = 175 m L2 = 75 m w = 20m b = 90m l = 2m
System telewizji projekcyjnej (Texas Instruments) Mikrozwierciadło Al ze sterowaniem cyfrowym Struktura adresująca CMOS SRAM Matryca Mikrozwierciadeł Typowe parametry: 768 X 576 pixeli, tj. 442368 zwierciadeł