curs microsenzori

MICROSENZORI

Note de Curs

Electronica si Tc. Dr. ing. Carmen Moldovan

Cap. I Clasificarea senzorilor

Cap.1. INTRODUCERE

Microsenzorii – element esential al proceselor de masura si control in aplicatii, cum ar fi: monitorizare industriala, fabrici automatizate, industria de automobile, transporturi, telecomunicatii, roboti, computere, monitorizarea mediului, sanatate si agricultura => in toate sferele vietii economice si sociale.

Odata cu dezvoltarea microprocesoarelor si a circuitelor integrate specifice, procesarea semnalelor a devenit ieftina, de o mare acuratete si conduce la cresterea gradului de inteligenta al echipamentelor electronice.

Stimularea cercetarii in aria senzorilor conduce la dezvoltarea tehnologiei senzorilor si microsistemelor si la realizarea de noi tipuri de senzori.

Cele 5 tipuri majore de senzori (viteza, temperatura, acceleratie, pozitie si presiune) domina si vor domina inca piata si estimarile arata o crestere continua si liniara a pietii senzorilor pana in anul 2010.

Cercetarile care conduc la dezvoltarea si imbunatatirea tehnologiilor specifice de realizare a senzorilor si microsistemelor sunt extrem de importante, cu aplicatii importante si de durata.

Senzorii sunt dispozitive care ofera o interfata intre echipamente si lumea fizica. Ei ajuta electronica sa vada, sa auda, sa miroasa, sa guste si sa atinga.

In interfata lor cu lumea reala, senzorii tipic convertesc marimi fizice sau chimice neelectrice in semnale electrice.

Diagrama bloc a unui sistem de traductoare:

Diafragma bloc a unui sistem de traductoare

Rolul traductoarelor de intrare este de a culege informatia din lumea reala, care este de tip marime fizica sau chimica, cu alte cuvinte de a simti lumea; traductorii de intrare sunt uzual numiti senzori.

Rolul traductoarelor de iesire este de a converti un semnal electric intr-o forma acceptabila simturilor noastre si sa initieze unele actiuni, spre ex. deschiderea si inchiderea unei valve. Traductoarele de iesire sunt uzual numite actuatori.

Traductoarele de intrare-iesire sunt uzual realizate prin microprelucrarea siliciului.

Pag. I. 1


In fabricarea senzorilor si actuatorilor siliciul este cel mai uzual material

(90% component cu alte materiale semiconductoare sau nu). Cateva caracteristici ale siliciului, care il fac atat de utilizat: - modulul Young este apropiat de al otelului; - densitatea apropiata de aluminiu si o treime din densitatea otelului; - nu se deformeaza plastic - cristalul de siliciu este elastic, el nu prezinta

histerezis mecanic; - duritatea siliciului este apropiata de cea a quart-ului si mai mare decat cea a

tungsten-ului, Al => Si excelent ca material mecanic. - este piezorezistiv: Clasificarea senzorilor semiconductori: Tipuri de senzori O caracteristica a unui senzor este conversia energiei dintr-o forma in alta.

Este de aceea util sa consideram variate forme de energie. Din punct de vedere fizic putem distinge 10 forme de energie:

- energie electrica – se refera la campuri electrice, curent, tensiune; - energie magnetica – distribuita cu campul magnetic; - energia masei – descrisa de legea lui Einstein E = mc2; - energia nucleara – este data de energia de legatura intre nuclee; - energie radianta – este asociata undelor radio electromagnetice, microundelor, luminii vizibile, undelor infrarosii, ultraviolete, X-ray, gama ray; - energia termnica – asociata energiei cinetice a atomilor si moleculelor;

- energie atomica – este asociata fortei dintre nuclei si electroni; - energie moleculara – este energia de legatura in molecule;

- energie gravitationala – asociata atractiei gravitationale dintre masa si pamant;

- energie mecanica – se refera la miscare, deplasare, forta; -

Pentru masuratorile propuse avem 6 tipuri de marimi:

- marimi chimice – semnalele provin de la cantitati ale materiei, cum ar fi: concentratie, compozitie, rate reactiei; - marimi electrice – semnale de tip tensiune, curent si sarcina; - marimi magnetice – intensitate, camp magnetic, densitate de flux; - marimi termice – temperatura, caldura, flux de caldura; - marimi mecanice – forta, presiune, viteza, acceleratie, pozitie; - marimi radiante –caracterizeaza undele magnetice: intensitate, legatura de unda, polarizare, faza.

Pag. I. 2


Clasificarea senzorilor semiconductori:

1. Acustic - amplitudinea undei, faza, polarizare - viteza undei 2. Biologic - Biomasa (identitati, concentratii) 3. Chimici - componente (concentratii, stari) 4. Electrici - sarcina, curent - potential, diferenta de potential - camp electric (amplitudine, faza, polarizare) - conductivitate - permitivitate 5. Magnetici - camp magnetic - flux magnetic - permeabilitate 6.Mecanici - pozitie, viteza, acceleratie, forta, stres, presiune, masa, densitate - viteza fluxului - vascozitate - cristalinitate, integritate structurala 7. Optici - amplitudinea undei, faza, polarizare, spectru 8. Radiatie - energie, radiatie 9. Termici - temperatura, flux, caldura specifice, conductivitate termica

Prelucrare semnal

Schema marimilor de intrare (de masurat) si a celor de iesire

Pag. I. 3

Cap. II Tehnici de microprelucrare

Cap.2. TEHNICI DE MICROPRELUCRARE Tehnologiile de microprelucrare pot fi clasificate în:

- microprelucrare de volum - microprelucrare de suprafaţã

Microprelucrarea de volum Microprelucrarea de volum se bazeazã pe corodarea siliciului

monocristalin şi structurile micromecanice dezvoltate cu aceastã tehnologie sunt realizate din siliciu microcristalin sau depus sau prin creşterea de structuri pe siliciu.

În microprelucrarea de volum pot fi utilizate douã tehnici: corodarea de pe faţa plachetei şi corodarea de pe spatele plachetei.

Structurile micromecanice realizate prin tehnologii de microprelucrare pot fi împãrţite în trei categorii: - microstructuri statice – structuri 3-D statice – cavitãţi, orificii circulare, conectoare electrice miniaturizate - microstructuri dinamice, diafragme şi membrane, punţi, borne

Aceste structuri necesită un control al deplasării pentru a realiza funcţia dorită. - microstructuri cinetice - micromotoare, arcuri → cu utilizări în microrobotică şi microchirurgie

Microprelucrarea de suprafaţã Utilizează straturi depuse sau crescute pe substrat pentru a fabrica

dispozitive micromecanice. Astfel, procesele de microprelucrare de suprafaţã necesitã un strat de

sacrificiu care este înlãturat într-o etapã ulterioarã pentru a elibera structura mecanicã.

Existã combinarea celor douã tehnici, pe care am avut-o în vedere, studiind materiale de mascare pentru oxizi, polisiliciu, metale, corodanţi organici şi anorganici ai siliciului cu protejarea celorlalte elemente ale dispozitivelor existente pe chip, cât şi tehnici de sudare plachete.

Proiectarea de design, de tehnologii şi de procese trebuie sã ţinã cont de toate aceste elemente cat şi de forţele specifice microlumii (forţele electrostatice şi forţele de forfecare care sunt mari şi deformeazã puternic sistemele micromecanice, în timp ce inerţia şi greutatea nu au importanţã), sã-şi asimileze legile şi sã încerce sã creeze tehnologii şi procese îmbunãtãţite care sã respecte aceste legi, dar care sã ofere performanţe acceptabile din punct de vedere al producãtorilor de senzori şi microsisteme.

Pag. II. 1


Corodarea umedă anizotropă Corodarea umedă anizotropă este un proces de corodare preferenţială

după anumite direcţii a unui material, utilizând corodanţi din sursă lichidă. Siliciul monocristalin este compus din atomi aranjaţi într-o structură de

diamant cu simetrie cubică. Corodanţii anizotropi pentru siliciul uzual folosit sunt: hidrazină-apă,

EDP (ethylendiamină-pirocatechol-apă), KOH (hidroxid de potasiu-apă), TMAH (hidroxid de tetrametilamoniu), CSOH (hidroxid de cesiu-apă). Corodanţii sunt compuşi dintr-un component primar (hidrazină, etilendiamină, hidroxid de potasiu, etc.), un agent complexant (alcool izopropilic, catechol) şi un diluant (apă).

Dependenţa ratei de corodare de orientarea cristalografică este o trăsătură de bază a corodanţilor anizotropi. Mai exact, suprafeţele <111> se corodează cu o rată mai lentă decât alte plane cristalografice.

Aceasta indică că rata de dizolvare este o funcţie de orientarea cristalului de siliciu.

Calitativ, corodarea anizotropă este funcţie de densitatea atomilor de siliciu pe centimetru pătrat (unitatea de arie).

Ca o consecinţă a anizotropiei este posibil să dezvoltăm structuri unice, care nu ar putea fi construite astfel.

Spre exemplu, considerăm o plachetă de orientare <100> cu o fereastră într-un strat de SiO2 care acoperă suprafaţa. Expusă la un corodant anizotrop apare o formă de trunchi de piramidă ca în figura de mai jos.

Fig.2.1.

Trunchiul este mărginit de planele <111> care au o rată de corodare foarte mică. Pe <111> au o înclinare de 54,7oC. Dependenţa de orientare a ratei de corodare cu EDP pe <100> este arătată de fig.2.2. Rata de corodare variază şi ca funcţie de tipul corodantului şi de condiţiile locale de corodare.

Pag. II. 2


Fig.3.2 Rata de corodare functie de directia cristalografica

(siliciu <100> corodat in EDP) Configurarea structurilor. Pentru a obţine o structură dorită muchiile ferestrei trebuie să fie corect orientate. Spre exemplu, pentru a obţine un trunchi piramidal ca în fig. 2.3. , muchiile ferestrei trebuie să fie aliniate în direcţia <110> ca in fig. 2.4. Fig.2.3. Profilul corodarii intr-o placheta <100> folosind o fereastra patrata ca masca.

Fig.2.3. Profilul corodarii in Si <100>

Pag. II. 3


Fig.2.4. Alinierea ferestrei de corodare pe o placheta <100> pentru a obtine profilul din fig.2.3.

Dacă geometric este dezaliniată colţurile concave şi muchiile vor fi tăiate prin corodare (Fig.2.4)

Fig.2.4. Aspectul unei ferestre dezaliniate corodate anizotrop

Pag. II. 4

Cap. II Tehnici de microprelucrare O fereastra pătrata pe Si <100> da un trunchi de piramidã ca in fig.2.3. Rata de corodare respecta legea lui Boltzman.

)KTEcexp(RoRe −⋅= : Ro – factor preexponenţial

Ec – en. de activare K – constanta Boltzman= 86,1 x 10-6 eV/K T – temp în K

Selectivitate Corodanţii anizotropi pot fi puternic selectivi la materialele de mascare

(SiO2, Si3N4, SiON, Au) EDP - nu atacã Au, Ag, Ta

- atacã Al - rata de atac a Si3N4, SiO2 este aproape nula KOH – ratã mare de corodare la oxizi, deci selectivitate scazuta TMAH – selectivitate la SiO2, Si3N4

Tehnici de stop-corodare pentru corodarea anizotropã 1. Stop corodarea la regiunile puternic dopate în bor

Fig.2.5. Rata de corodare in EDP a siliciului dopat cu bor functie de concentratia de bor

Pag. II. 5

Cap. II Tehnici de microprelucrare Rate de corodare funcţie de concentratia de bor

La conc. de bor > 2,5 x 1019 cm-3, corodarea este independentã de conţinutul de bor.

Peste aceastã conc. criticã, corodarea depinde de conc.de bor şi rata scade în 3 ordine de mãrime.

4BC

1Rc ≈

Explicaţia – degenerarea siliciului

Fig. 2.6. Stop corodare la jonctiunea p-n

2. Stop corodarea electrochimicã

Corodanţi anizotropi alcalini pot fi utilizaţi pentru îndepãrtarea chimicã a siliciului (Si) nedorit şi astfel sunt pãstrate regiunile pasivate electrochimic. Ambele tipuri de plachete de Si(n) şi Si(p) pot fi pasivate. Procesul (ECE) corodare anizotropã controlatã electrochimic are un avantaj faţã de doparea puternicã cu bor (3x1019 cm-3) datoritã tensionãrii puternice a Si prin tratamentul termic necesar în cazul dopãrii cu bor.

Oricare din pãrţile joncţiunii p sau n poate fi protejatã la corodare prin legarea sa la anod, atât timp cât potenţialul anodic nu este suficient de mare pentru a creşte polaritatea joncţiunii p-n, când partea p este protejatã.

Corodarea se opreşte când partea expusã corodãrii în soluţie a joncţiunii p-n este complet corodatã.

Fenomenul de pasivitate electrochimicã este datorat formãrii unui strat pasivant de bioxid de siliciu prin oxidare anodicã, când reactantul ajunge la joncţiune.

De fapt, ideea de bazã este realizarea unei membrane de siliciu de tip “n”, de obicei, un strat epitaxial obişnuit, depus pe substratul de siliciu de tip “p” care va fi corodat selectiv pânã la siliciul epitaxial de tip “n”.

Pag. II. 6


Aceastã corodare selectivã se realizeazã prin aplicarea potenţialelor electrochimice diferite la cele douã tipuri de siliciu de pe placheta imersatã în soluţia de corodare anizotropã.

Realizarea joncţiunii p-n pe o plachetã de tip “p” se efectueazã prin depunerea epitaxialã a unui strat epitaxial de tip “n” cu o anumitã rezistivitate pe substratul de tip “p” al plachetei, caracterizat şi acesta de o anumitã rezistivitate.

Pentru realizarea corodãrii pânã la joncţiunea p-n se aplicã o tensiune pozitivã direct pe siliciul de tip “n” printr-un contact ohmic, în timp ce contactul electric pe siliciul “p” este fãcut prin soluţia b de corodare cu un electrod adecvat utilizat pentru mãsurãtori.

Sub o polarizare anodicã suficientã, siliciul se pasiveazã ca urmare a formãrii oxidului anodic şi corodarea se opreşte.

Fig. 2.7.a. Instalatie de corodare electrochimica

2.7.b. Definire microstructuri prin stop corodare electrochimic.

Pag. II. 7


3. Stop – corodarea la timp de corodare În cazul timpului stop-corodare s-au avut în vedere : - viteza de corodare pentru toţi reactanţii este influenţatã considerabil

de transportul substanţelor în soluţie spre plachetã şi de transportul produşilor rezultaţi prin corodarea suprafeţei plachetei.

- se va lucra in solutii bine controlate ca temperatura, concentratie, agitare ai. conditiile sa fie perfect reproductibile dupa stabilirea experimentala a ratei de corodare

Corodarea anizotropã chimicã Corodarea anizotropã a siliciului monocristalin s-a studiat în soluţii

alcaline în funcţie de: - orientarea planelor siliciului monocristalin - pasivarea siliciului monocristalin cu un strat de oxid sau nitrurã - doparea cu bor la concentraţii ridicate a siliciului monocristalin Viteza de corodare a fost determinatã în funcţie de: - temperaturã - compoziţia reactantului - orientarea planelor cristalului de siliciu - pasivarea siliciului - doparea puternica cu bor Corodanţii lichizi anizotropi ai siliciului monocristalin: - cu component anorganic – KOH, NaOH, LiOHH2O, CsOH - cu component organic – etilendiamina, hidroxid de tetrametil

amoniu, hidrazina, hidroxizi de amoniu cuaternari). Agentul complexant pentru a efectua dizolvarea constã de obicei din

alcool izopropilic, n-propanol, izobutanol, pirazinã sau colin pentru sistemul organic.

Pasivitatea siliciului este realizatã cu: - oxid de siliciu – termic, CVD, PSG, BPSG - nitrurã de siliciu - oxinitrurã de siliciu Corodanţii anizotropi ai siliciului monocristalin manifestã o reducere

puternicã a vitezei lor de corodare la concentraţii de bor ridicate, depãşind aproximativ 2x1019 cm-3.

Corodarea chimicã selectivã s-a folosit în cazul depunerilor de siliciu epitaxial pe substraturi izolante şi în procesele de izolare dielectricã ale circuitelor integrate.

Pentru soluţii foarte concentrate s-a observat o descreştere a ratei de corodare cu putere a patra a diluţiei, în mod similar s-a constatat şi în cazul suliciului dopat cu bor.

Pag. II. 8


Reducerea vitezei de corodare a fost gãsitã a fi invers proporţionalã cu puterea a patra a concentraţiei de bor pentru o soluţie alcalinã diluatã, fiind mai puţin eficace pentru o soluţie alcalinã concentratã.

3.1 Corodarea anizotropã chimicã a siliciului monocristalin în soluţie alcalinã anorganicã

Hidroxidul de potasiu – cea mai frecvent folositã soluţie anorganicã. Observaţii: 1. viteza de corodare maximã a fost obţinutã la o concentraţie de 10-

15%KOH fãrã adaos de alcool izopropilic şi în jur de 30% KOH cu alcool izopropilic.

2. în cazul plachetelor de Si<100> energia de activare a fost gãsitã a fi între 0.52 şi 0.60 eV

3. raportul vitezelor de corodare pentru planele cristalelor Si<100>/Si<111> este de 35:1.

Specia principalã de reacţie a fost determinatã ca fiind HO-. SiO2(OH)2

-- – se considera a fi produsul de corodare primar, cu polimerizare ulterioarã. Si + 2H2O + 2HO- →Si(OH)2O2

-- + 2H2Raley a presupus cã 4e- sunt injectaţi în banda de conducţie prin reacţia de oxidare iniţialã care sunt mai târziu consumaţi în etapa de reducere: Si + 2HO- → Si(OH)2

++ + 4e- Si(OH)2

++ + 4e- + 4H2O → Si(OH)6-- + 2H2

Pag. II. 9


Fig. 2.8.Profilul de corodare pentru siliciul <100> corodat anizotrop

Figura 2.9. Profilul de corodare pentru siliciul <110> corodat anizotrop

Pag. II. 10


Proprietãţile de cristalografie ale siliciului

Structura cristalinã a siliciului este de tip diamant cu o constantã de reţea =

5,43 Å. Structura este de tip feţe cubice centrate. De mare importanţã pentru corodarea anizotropã sunt orientarea planelor relevante ale cristalului. Acestea sunt: - planele 111 – plane care se corodeazã cel mai lent şi - planele 100, 110 – care se corodeazã repede.

Figura 2.10. Planele de interes in cristalul de siliciu

Pentru micromecanicã, douã direcţii sunt importante <100> şi <110>. Plachetele <111> nu pot fi microprelucrate utilizând corodanţi cunoscuţi.

Planele cristalului sunt caracterizate de un set de 3 indici numiţi indici Miller. Ei descriu vectorii normali (perp.) la planele cristaline în discuţie.

Ex: într-o reţea cubicã simplã se gãsesc atomi în lungul direcţiilor x, y sau z, la o distanţã care este un numãr întreg al constantei reţelei.

Vectorii ax, ay genereazã un plan pe care vectorul az este normal. Acest plan este <001>.

Mecanismul general la corodarea anizotropã Si Si OH Si : + 2OH- → Si + 2e-

cond

Si Si OH

Pag. II. 11


La corodarea siliciului în KOH => Si + H2O + 2KOH → K2SiO3 + 2H2Si + 2OH- → Si(OH)2

++ + 4e-

4H2O + 4e- → 4OH- + 2H2Si(OH-)2

++ + 4OH- → SiO2(OH)2-- + 2H2O

________________________________ Întreaga reacţie este însumatã astfel: Si + 2OH- + 2H2O → SiO2((OH)2

-- + 2H2 La corodarea unui V-Groove

α

α = 54,7°.

2ha

tgαha

ahtgα ⋅===>=

=>⋅=⋅= h22

h22a lãţimea unui V-Groove =

La corodarea unei membrane:

h2Wa ⋅+= Lipirea structurilor micromecanice la substrat - lipirea structurilor la substrat dupã supracor

umezi apare in cazul structurilor eliberate prin corodarMecanismul şi natura forţelor care atrag straturi

controversate. Douã mecanisme joacã un rol importana) forţa care trage structura în jurul sup

determinata de tensiunile de suprafaţã dintre lichiducuratite si suprafata plachetelor.

Sunt forţe Van der Vools, electrostatice, legãturcare intrã în joc, rezultând o legãturã permanentã a stru

Metode de evitare: - prevenirea contactului între structurã şi subs

– corodare uscatã. Pag. II. 12

2 x înãlţimea

odare în agenţi chimici e de sacrificiu le subţiri la substrat sunt t: rafeţei pasive probabil l în care plachetele sunt

i de H2 şi reacţii chimice cturii la substrat.

trat în timpul fabricaţiei


- reducerea forţelor de aderenţã Utilizarea suprafeţelor hidrofobe sau creşterea rugozitãţii suprafeţei.

Pag. II. 13

Capitolul 2 Senzori de siliciu integrati si tehnici de microprelucrare ---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

2. 2. MICROPRELUCRAREA DE SUPRAFATA A SENZORILOR

Avantajele tehnologiei de microprelucrare a suprafe]ei constau `n capacitatea

de a produce senzori mai mici precum [i din faptul c\ prezint\ multe aspecte comune

cu tehnologia circuitelor integrate. Ca urmare al progresului, far\ precedent `n acest

domeniu din ultimii ani, ne-am concentrat asupra microprelucrarii suprafe]ei

polisiliciului. Studiul polisiliciului pentru aplica]iile de microprelucrare a suprafe]ei

include: depunerea, doparea, annealing, straturile de sacrificiu [i corodarea de

sacrificiu precum [i caracterizarea filmelor de polisiliciu.

Conceptul de baza al tehnologiei de microprelucrare a suprafetei

Microprelucrarea suprafe]ei este o tehnica pentru fabricarea structurilor multi

strat 3D micromecanice [i configurarea filmelor sub]iri. Conceptul de baza al

tehnologiei de microprelucrare a suprafe]ei a fost demonstrat ini]ial pin depuneri de

filme metalice de catre Nathanson in 1960. Interesul a sporit `n aceasta direc]ie dupa

anul 1987, cand a `nceput dezvoltarea acestei tehnologii [i continua cu un succes

deosebit [i astazi.

Structuri multi strat

Conceptul de baz\ al tehnologiei de microprelucrare a suprafe]ei este descris in

fig.2.14. Mai `ntai, un strat izolator este depus pe un substrat de siliciu pentru izolarea

electrica, numit [i strat protector. Apoi, un strat de sacrificiu este depus deasupra

stratului izolator [i configurat. Urmatoarea etap\ const\ `n depunerea stratului de

polisiliciu, peste stratul de sacrificiu, urmat de configurarea sa. ~n final, stratul de

sacrificiu este [i el corodat, folosind corodarea selectiv\ a acestuia. Deci, se ob]ine o

structur\ micromecanic\ liber\.

Abordarea microprelucrarii de suprafa]\ este atractiv\ deoarece structurile mai

mici pot fi ob]inute cu un control dimensional mult mai bun `n compara]ie cu

microprelucrarea de volum. Alte diferen]e `ntre microprelucrarea de volum [i de

suprafa]\ sunt subliniate in tabelul 2.11. Microprelucrarea de suprafa]\ confera

posibilitati pentru utilizarea de combina]ii variate de filme sub]iri. Stratul de

polisiliciu poate fi `nlocuit cu: nitrura de siliciu, dioxid de siliciu, poliimida, tungsten,

1


molibden, carbura de siliciu amorfa, aliaj TiNi, permaloi Ni-Fe sau filme composite ca

polisiliciu-ZnO sau polisiliciu-nitrur\ de siliciu - polisiliciu. Compozi]ia stratului de

sacrificiu depinde de stratul materialului din care va fi format\ structura

micromecanic\ .

Tabelul 2.12 prevede un rezumat al combina]ilor diferite de strat de sacrificiu

[i de stratul materialului din care va fi format\ structura micromecanic\, descrise in

literatura/L. Ristic, Sensor Technology and Devices, 1994 Artech House, Boston,

pp.95-150/. Aceasta este o ilustra]ie de eventual\ tehnologie de microprelucrare de

suprafa]\. Fara `ndoial\, tehnologia de microprelucrare de suprafa]\ reprezint\

cercetarea de viitor `n ceea ce prive[te posibilit\]ile utiliz\rii de noi materiale, care la

randul lor ofer\ o varietate de alte solu]ii tehnologice.

Substrat

Polisiliciu

Strat de sacrificiu

Fig.2

Strat de izolare

Strat de sacrificiu

Substrat

Strat activ
Strat de izolare
Substrat

Strat de izolare

.14. Suprafata microprelucrata: (a) stratul de sacrificiu configurat; (b) stratul activ configurat; (c) bara suspendata dupa corodarea de sacrificiu.

2


Tabel 2.11. Compararea microprelucrarii de volum cu cea de suprafa]\ Tr\s\turi caracteristice Microprelucrarea de volum Microprelucrarea de suprafa]\

Stratul materialului din care va fi formata structura micromecanica

Siliciu Polisiliciu

Stratul de sacrificiu — PSG, SiO2

M\rimea Mare (dimensiunile cavit\]ii tipice sunt de ordinul a sute de µm)

Mic\ (precizie `nalt\ controlat\ prin grosimea filmului depus; dimensiunile tipice sunt mai mari de ca]iva µm)

Factorii de procesare a)Procesarea pe o fa]\ sau pe ambele fe]e(fa]\ [i spate) b)Selectivitatea materialului la corodare c)Corodarea: anizotrop\ (depinde de orientarea cristalului) d)Stop corodare e)Configurarea

a)Procesarea pe o fa]\ (pe fa]\) b)Selectivitatea materialului la corodare c)Corodarea: izotrop\ d)Stres rezidual `n filme (depinde de: depunere, dopaj, annealing)

Tabel 2.12 Combinarea stratului materialului din care va fi format\ structura micromecanic\ [i a stratului de sacrificiu pentru microprelucrarea de suprafa]\

Stratul materialului din care va fi formata structura micromecanica

Stratul de sacrificiu

Material

Grosimea tipic\ (µm) Material Grosimea tipic\ (µm)

Polisiliciu 1 - 4 PSG, SiO2 1- 7 Si3N4 0.2 - 2 PSG, SiO2 2 SiO2 1 - 3 Polisiliciu 1- 3 Poliimid\ 10 Al 1.5 - 3 W 2.5 - 4 SiO2 8 Mo 0.5 Al 0.7 SiC 1.5 SiO2 1.5 TiNi 8 Poliimid\ sau

Au 3 2

NiFe 2.5 Al sau Cu

7 7

PoliSi-ZnO 2 – 0.95 PSG 0.6 PoliSi-Si3N4- PoliSi

1- 0.2 -1 PSG 2

3


Straturi de sacrificiu si corodarea de sacrificiu

Straturile de sacrificiu depuse sub form\ de film pot fi utilizate ca un material de

e[afodaj `n realizarea structurilor tridimensionale. Aceste straturi, deasemenea, pot

servi drept surs\ de dopare. Utilizarea oxidului dopat cu fosfor ca strat de sacrificiu

este solu]ia cea mai des `ntalnit\. Rata de corodare [i propriet\]ile de curgere pot fi

stabilite controland `ncorporarea dopantului. Mai mult, selectivitatea corod\rii

oxidului de siliciu `n solu]ia de acid fluorhidric diluat (HF) este `n general bun\ [i

atunci cand acesta este depus peste alte materiale ca polisiliciul [i nitrura de siliciu. ~n

general, se depune sticl\ fosfosilicat (PSG) pentru aplica]ile microprelucrarii de

suprafa]\ care `n mod obi[nuit este ob]inut\ termic LPCVD (depunere chimic\ `n stare

de vapori la presiune joas\) utilizand silan SiH4, oxigen O2 [i fosfin\ PH3. De[i ratele

de corodare ale acestor filme sunt importante, `n multe aplica]ii de microprelucrare de

suprafa]\, procesul de corodare al PSG-ului de sacrificiu este un proces complex,

astfel corodarea poate s\ se implice [i pe sub strat cu o vitez\ decorodare limitat\. ~n

fig.2.15 se arat\ o schem\ reprezentativ\ cu [apte etape distinctive identificate a

secven]ei corod\rii de sacrificiu. S-a stabilit c\ limit\rile de transfer de substan]\

extern\ sunt nesemnificative [i procesul de corodare s-a modelat ca un sistem

constant cu parametru localizat al reac]iei de difuzie. Fluxul de difuzie (ϑdif), sau

viteza de transport a reactantului la interfa]a fluid–solid, se calculeaz\ cu ecua]ia:

ϑdif = DHF δ

sb CC −

~n mod analog se stabile[te [i pentru fluxul de reac]ie (ϑrec), ecua]ia:

ϑrec = kef (Cs)n

~n ecua]ia stabilit\ pentru fluxul de reac]ie (ϑrec), constantele de vitez\ ale

adsorb]iei, reac]iei de suprafa]\ [i desorb]iei sunt reprezentate de kef, iar n este ordinul

de reac]ie. Cb [i Cs sunt concentra]iile de volum [i respectiv de suprafa]\ ale

reactantului. DHF reprezint\ difuzia HF `n ap\ [i δ lungimea de difuzie. Astfel,

rezultatele experimentale pentru solu]iile concentrate de HF (49%) corelate cu

modelul de anticipare arat\ c\ numai dup\ 10min. `n solu]ia de corodare, difuzia

reactantului are vitez\ determinant\.

4


4

3 Desorbtia produsului

Reactie la suprafata

Absorbtie 2

1

Fig.2.15.Reprezentarea schematica a mecanismului corodarii de sacrificiu a PSG

1→Transportul reactantului extern

2→Difuzia reactantului

3→Difuzia produsului

4→Transfer de mas\ al produsilor de reactie spre exterior

De asemenea, se arat\ c\ geometria canalului de corodat afecteaz\ timpul de

corodare `n func]ie de distan]a corodat\ `ntr-un canal rectangular crescand cu l\]imea

canalului. Cand reactantul este `n faz\ lichid\ difuzeaz\ direct propor]ional cu

temperatura, timpul de corodare pentru PSG poate fi mic[orat prin cre[terea

temperaturii solu]iei de corodare.Vitezele reac]iei de corodare depind exponen]ial cu

temperatura [i `n acela[i timp [i selectivit\]ile celorlalte materiale din solu]ie (de

exemplu, nitrura de siliciu, metale) pot fi serios afectate. ~n cazul unei aplica]ii

particulare, condi]iile corod\rii de sacrificiu vor varia [i pot fi optimizate pentru

fiecare situa]ie `n parte.

Crescand concentra]ia de fosfor atat cat este necesar pentru cresterea vitezei de

corodare al stratului de PSG, poate constitui o decizie hazardata, cu urm\ri `n special

asupra lungimilor de difuzie, care pot fi mici [i de asemenea cu urm\ri asupra

selectivit\]ii `n corodare care deja constituie o grij\ major\. Mai mult, m\rind

expunerea polisiliciului `n solu]ia de HF se pot degrada propriet\]ile mecanice, de

5


aceea se urm\re[te pentru corodarea de sacrificiu ca timpul s\ fie cat mai scurt.

Con]inutul mai mare de PSG poate totu[i determina o curgere mai neuniform\ sau o

deformare a aderen]ei stratului de material din care va fi format\ structura pe perioada

ciclurilor de relaxare a stresului de la temperatura ridicat\. Aceast\ problem\ poate fi

`mpiedicat\ prin folosirea unui film de sacrificiu combinat. Filmele de oxid de

sacrificiu combinate sunt descrise `n fig.2.16 [i au fost utilizate pentru acele

experimente care au necesitat grosimi totale de 2µm (filmele dopate [i nedopate).

Etapa de acoperire cu filme de sacrificiu devine o problem\ mai important\ cu

cat complexitatea microstructurii cre[te, dimensiunile critice descresc [i straturile

multiple din materialul din care va fi format\ structura devin obi[nuite.

Straturile tipice pentru aplicatiile de microprelucrare de suprafata sunt mai

groase de cativa micrometri, cu distan]area dintre structurile vecine de acela[i ordin.

Aceasta poate avea drept rezultat dificultatea de a planariza suprafete care au capatat

topografii nedorite aparute in timpul proceselor de depunere a diferitelor straturi.

Fig.2.16. Sectiune transversala printr-o structura multistrat de sacrificiu si polisiliciu

Oxid nedopat 1

Oxid nedopat 2

Si3N4

Polisiliciu

PSG

Siliciu

6


1. L. Ristic, Sensor Technology and Devices, Artech House, Boston, London, Cap. 3, Cap.4, pag. 49-150 2. H. Seidel, L. Csergi, A. Heuberger, H. Baumgartel, Anisotropic Etching of Crystalline Silicon in Alkaline Solutions, J. Electrochem. Soc., Vol.137, No.11, (1990), pp.3612-3633. 3. Miko Elwenspoek, Etching Technology, UETP-MEMS Course, Chapter I, II, III, IV, V 4. S.M.Sze, Semiconductor Sensors, Wiley & Sons, 1994, 17-96, 97-143, 153-194, 473-523 4. S. Tan, M.L.reed, H. Han, R. Boudreau, Mechanisms of Etch Hillock Formation, J. of Micro. Sys., vol. 5., no. 1, March 1996, pp.66-71. 5. E. Peeters, B. Puers and W. Sansen, A Two Wire, Digital Output Multichannel Microprobe for Recording Single-unit Neural Activity, Sensors and Actuators B, 4 (1991) 217-223. 6. S. Wang, V. McNeil and M. Schmidt, Selective etchimg of n-type silicon using pulsed potential anidozation, 1991 IEEE, pp.819-822. 7. M.C. Jeong, C.H.Pyun, I.H. Yeo, Voltammetric Studies on the Palladium Oxides in Alkaline Media, J. Electrochem. Soc., Vol.140, No.7, (1993), pp.1986-1988. 9. C. Moldovan, R. Iosub, D. Dascalu, Gh. Nechifor, Anisotropic Etching of Silicon in a Complexant Redox Alkaline System, Eurosensors XII, Southampton, pp. 1009-1012 14. M. Elwenspoek, On the Mechanism of Anisotropic Etching of Silicon, JES, Vol.140, No7. July 1993, pp2075-2080 15. C. D. Gutsche, B. Dhawan, K. Hyum No, R. Mathukrishnan, Calixarenes. 4. The Synthesis, Characterization, and Properties of the Calixarenes from p-tert- Butylphenol, J. Am. Chem Soc., 103 (1981), 3782-3792 16. S. Shinkai, K. Araki, J. Shibata, D. Tsungawa, O. Manabe, Autoaccelerative Diazo Coupling with Calix[4] arene: Substituent Effects on the Unusual Co-operativity of the OH Groups, J. Chem. Soc. Perkin Trans.1 (1990), 3333-3337 17. Linus Pauling, General Chemistry, W.H. Freeman and Company, San Francisco, 1970, translated in Bucharest 1972, pp. 461-462 18. K. Sato, M. Shikida, Y. Matsushima, T. Yamashiro, K. Asaumi, Y. Iriye, M. Tamamoto, Characterization of orientation-dependent etching properties of single-crystal silicon: effects of KOH concentration, Sensors and Actuators A, 64 (1998) 87-93 19. P. M. M. C. Bressers, J. J. Kelly, J. G. E. Gardeniers and M. Elwenspoek, Surface Morphology of p-Type (100) Silicon Etched in Aqueous Alkaline Solution, Journal of the Electrochemical Society, 143 (1996), 1744-1750 20. M. Elwenspoek, Stationary Hillocks on Etching Silicon, Proceedings, The Ninth Micromechanics Europe Workshop MME'98, Ulvik in Hardanger, Norway, June 3-5, 1991, pp 70-73 21. H. Schröder, E. Obermeier, A. Steckenborn, Formation, prevention and removal of micropyramids on KOH etched <100> silicon, Proceedings, The Ninth Micromechanics Europe Workshop MME'98, Ulvik in Hardanger, Norway, June 3-5, 1991, pp 28-31 22. T. Abe, A Contamination-Free Microstructure in a Humid Environment by Means of a Combination of Hydrophilic and Hydrophobic Surfaces, Journal of Microelectromechanical Systems, 7 (1998), 94-101

7

Cap. III Tehnici de excitatie - detectie

Cap. 3. TEHNICI DE EXCITATIE – DETECTIE Toti senzorii mecanici se bazeaza pe principii fizice pentru a transforma

semnalul mecanic intr-un semnal electric. Tehnicile de citire (read-out) pot fi clasificate: a. Metode statice:

1. detectia stresului- piezorezistiv (stres normal) - tensiunea transversala (stres de forfecare) – senzorii Hall - efectul de piezojonctiune 2. detectia deformarii - capacitate, interferenta optica b. Metode rezonatoare Pentru senzori rezonatori, frecventa de rezonanta este elementul utilizat in detectia marimilor de intrare. Ex: Pentru un senzor de presiune, frecventa de rezonanta a unei membrane de Si depinde de presiunea aplicata. Citirea poate fi piezorezistiva, electrica sau optica.

Piezorezistivitatea este o proprietate de material care se refera la faptul ca pentru anumite materiale rezistivitatea in volum este influentata de stresul mecanic aplicat materialului.

Senzorii rezonatori Un senzor rezonator este un dispozitiv cu un element vibrator la

rezonanta care-si schimba frecventa de iesire (frecventa de rezonanta mecanica), functie de un parametru fizic sau chimic de intrare.

Senzorii rezonatori din siliciu reactioneaza la schimbarile de stres prin schimbarea frecventei de rezonanta, fiind de 100 de ori mai sensibili ca traductoarele piezorezistive analogice standard.

Materialul rezonatorului La primele tipuri de rezonatoare elementul rezonator era realizat din

metal (diferite metale), dar cum calitatea rezonatorului este strans legata de proprietatile mecanice ale materialului rezonator, alte materiale au fost investigate si utilizate.

Materialele monocristaline Si si cuartul au foarte bune proprietati rezonatoare, un Q intrinsec foarte mare.

Acestea sunt considerate cele mai bune candidate pentru realizarea elementelor rezonatoare.

Factorul de calitate Q este o masura a pierderii de energie a rezonatorului, sau in alte cuvinte, o masura a atenuarii mecanice. Factorul Q este definit ca:

Q = 2Π · maximul de energie stocata intr-o perioada/energia disipata pe perioada

- Siliciul este foarte elastic, anizotrop. Proprietatile mecanice ale siliciului monocristalin si marele numar al diferitelor procese de fabricatie comuna in tehnicile de microprelucrare fac

Pag. III. 1

Cap. III Tehnici de excitatie - detectie posibila realizarea de senzori rezonatori performanti, cu rezolutie inalta, acuratete si repetabilitate. -Siliciul policristalin are un Q intrinsec < QSi monocristalin, dar are cateva caracteristici bune:

- utilizeaza procesele de depunere standard, optimizate pentru eliminarea stresului,

- este suficient de elastic si se preteaza foarte bine la microprelucrarea de suprafata.

- Cuartul are avantajul ca este un material piezoelectric care poate fi utilizat pentru excitatia si detectia vibratiei. Principiile excitatiei si detectiei rezonatorilor Un senzor complet consta din: rezonator, unitate de excitatie, unitate de detectie si circuitul de feedback (fig.3.1)

Fig.3.1. Schema bloc a senzorului rezonator Circuitele de pe bucla de reactie asigura rezonatorul sa fie mentinut pe modul dorit de rezonanta, atunci cand frecventa de rezonanta este schimbata ca rezultat al schimbarii in cantitate masurata. Exista sase tipuri principale de excitatie-detectie:

1) Excitatie electrostatica si detectie capacitiva.

Fig. 3.2

Pag. III. 2

Cap. III Tehnici de excitatie - detectie Sunt 2 electrozi intr-o vecinatate, unul dintre electrozi este o parte a structurii vibratoare

Fig. 3.3. Sectiunpolisiliciu, realiz

In puntea cu rol de pompare a aerului.

2) Detectie si

Un material pmecanice externe. Siliciul nu este

Un astfel de supus stresului de de Aceasta propristructura pentru excit

3) Excitatie si Aceasta tehnicdielectric intre doi el

Si, n

e transversala a unui senzor rezonator cu un electrod punte din at prin microprelucrare de suprafata

electrod se prevad gauri pentru reducerea efectului de

excitatie piezoelectrica

iezoelectric va fi deformat daca este supus unei tensiuni

piezoelectric. Se depune ZnO.

Fig.3.4.

material isi schimba caracteristicile electrice daca este formare. etate este utilizata in detectarea vibratiei utilizand aceeasi atie.

detectie dielectrica

a utilizeaza o structura sandwich formata dintr-un strat ectrozi, asezate pe o bara vibratoare ca in fig3.5.

Pag. III. 3


Fig.3.5.

- o tensiune aplicata creaza forte de atractie intre cei doi electrozi care vor deforma stratul dielectric. Deformarea acestuia va crea un stres lateral rezultand un moment de indoire a structurii multistrat, - structura multistrat poate fi utilizata pentru detectia vibratiei. Modificarea grosimii stratului dielectric introduce modificari in capacitatea dintre cei doi electrozi.

4) Excitatie prin incalzire rezistiva si detectie piezorezistiva

Este posibil sa generam o vibratie daca o anumita arie a rezonatorului este supusa unor pulsuri de caldura. Caldura creaza o expansiune laterala a materialului rezultand o deflexie a elementului rezonator. Incalzirea termica se poate realiza printr-un rezistor difuzat integrat sau printr-un rezistor de poli.

Fig.3.6.

- Senzorii integrati sunt utilizati pentru detectia vibratiei, caci siliciul este un material piezorezistiv.

- Un rezistor supus la stres isi modifica rezistenta → detectia.

5. Excitatie optica si detectie optica

Pag. III. 4


- Lumina absorbita de la un laser focalizat pe un rezonator este utilizata pentru a genera un stres termic necesar vibratiei. - Un aranjament optic poate fi utilizat pentru detectia vibratiei

Fig.3.7

- Principalul avantaj al utilizarii tehnicii de detectie optice este aceea ca ea nu poate sa interfere si sa degradeze vibratia si ca nu este dorit un aranjament integrat de detectie.

6. Excitatie si detectie magnetica

Fig.3.8.

Forta rezultanta din interactiunile intre curentul electric prin structura si campul magnetic este utilizata pentru excitarea rezonatorului. Operatia inversa excitatiei magnetice, unde vibratia unui conductor intr-un camp magnetic creaza o tensiune indusa, poate fi utilizata pentru a detecta vibratia.

Pag. III. 5


MODELUL MATEMATIC PENTRU DETERMINAREA FRECVENEI DE REZONAN| I A SENSIBILIT|II UNEI MICROPUNI DIN POLISILICIU

Frecven]a unui rezonator mecanic este o prob\ important\ de sensibilitate pentru parametrii care `[i modific\ poten]ialul sau energia cinetic\.. Parametrii fizici sau chimici pot fi sesiza]i prin `nc\rcarea asociat\ rezonatorului sau prin acoperirea lui cu straturi sensibile (ex: polimeri). Rezonan]a mecanic\ poate fi atinsa prin excitarea structurii `n mai multe moduri. De asemenea vibra]ia rezultat\ poate fi detectat\ `n diverse moduri. Vom analiza cazul important al excit\rii electrostatice [i detec]iei capacitive. Pentru acest caz vom utiliza un model liniar pentru a analiza r\spunsul rezonatorilor la parametrii variabili `n timp Fig. 1 ilustreaz\ un rezonator punte care vibreaz\ `n modul fundamental. Pentru un rezonator punte care vibreaz\ `n modul fundamental, deflexia vertical\ este:

w(u,t) = W1(u) ejωt (1)

unde W

1(u) este amplitudinea fundamentalei.

La mijlocul micropun]ii deci `n punctul de amplitudine maxim\, energia poten]ial\ Ep este egal\ cu energia total\ a vibra]iei. Segmentele diferen]iale ale pun]ii sunt supuse unui moment de `ndoire [i unei `nc\rc\ri axiale, ambele contribuind la energia poten]ial\ Ep:

EP = + = E I/21 20

/ M duL

Θ∫ F z u duL

(∆ ∆−∫0

) d W udu

duL 2

12

0

2( )⎛

⎝⎜

⎞⎠⎟∫ +

F dW udu

duL

20

1

2

∫⎛⎝⎜

⎞⎠⎟

( ) (2)

~n rela]ia (2), E = Modulul lui Young I = hs3/12 = momentul de iner]ie al pun]ii de grosime s [i l\]ime h θ = unghiul format de segmentele diferen]iale supuse unui moment de `ndoire ∆z = segmentul diferen]ial al pun]ii Energia cinetic\ maxim\ Ec, se ob]ine un sfert de ciclu mai tarziu, cand fiecare segment trece prin linia central\ cu o vitez\ vw (u) = −ω1W1(u) :

EC = ω1

2 EC* = m v2

w(u) /2 = ω12/2 (3) hs W u du

L

ρ 12

0

( )∫ ρ = densitatea Prin legea conserv\rii energiei, prima frecven]\ de rezonan]\ este dat\ de rela]ia: ω2

1 = EP / EC* (4 )

Rezult\:

Pag. III. 6


ω12 =

EI d W udu

du F dW udu

du

hsW u du

LL

L

2 212

212

2

1

2

00

12

0

( ) ( )

( )

⎛⎝⎜

⎞⎠⎟ + ⎛

⎝⎜⎞⎠⎟∫∫

∫ ρ (5)

O aproximare foarte bun\ se ob]ine pentru frecven]a de rezonan]\ cu rela]ia (5), `n condi]iile unor presupuneri corecte asupra formei modului de vibra]ie. Frecven]a de rezonan]\ este important\ pentru realizarea design-ului senzorilor rezonan]i.

~n general, un parametru p poate s\ perturbe energia cinetic\ sau poten]ial\ a structurii. Sensibilitatea S este definit\ ca schimbarea frac]ional\ a frecven]ei de rezonan]\ ωo , datorat\ schimb\rii incrementale a parametrilor,

S = ωo-1 (dωo /dp ) Substituind expresia frecven]ei de rezonan]\ (16) ob]inem pentru S: S = -(1/2)(1/Eco*)(dEc*/dp)p=o(1/2)(1/Epo) (dEp/dp)p=o (6) Consider\m o micropunte de polisiliciu de grosime 1,35 µm, acoperit\ cu un strat polimer de b=150nm cu proprietatea de a absorbi vaporii organici chimic compatibili, pe care o excit\m pe modul fundamental. Introdus\ `ntr-un mediu chimic activ, rezult\ o cre[tere a masei care perturb\ energia cinetic\. ~n rela]ia (6) considerand concentra]ia de vapori c, sensibilitatea devine:

S = -(1/4ECO*) (dρf /dc) (7) ( )h bW u duf

L

12

0∫

b = grosimea stratului polimer = l\]imea stratului polimer h f

ρf = densitatea stratului polimer Expresia (7) indic\ c\ S poate fi crescut\ prin cre[terea grosimii stratului polimer b, relativ la grosimea stratului de polisiliciu, care contribuie la Eco*. ~n plus, stratul polimer trebuie concentrat `n centrul pun]ii, unde W1(u) este maxim.

Microrezonatorul punte este sensibil la perturba]iile energiei cinetice. Dac\ forma modului de vibra]ie nu este alterat\ prin aplicarea for]ei F [i nu exist\ o `nc\rcare static\ ini]ial\, vom ob]ine pentru sensibilitate:

S = 12

1

2

0

212

2

0

dW udu

du

EI d W udu

du

L

L

( )

( )

⎛⎝⎜

⎞⎠⎟

⎛⎝⎜

⎞⎠⎟

∫

∫ (8)

Sensibilitatea unei pun]i `nc\rcat\ axial este independent\ de `nc\rcarea aplicat\ [i propor]ional\ cu raportul energiilor poten]iale de `ntindere [i de `ndoire.

Pag. III. 7


EXEMPLU DE DETERMINARE A FRECVENTEI DE REZONANTA

SI A SENSIBILITATII

Vom alege pentru func]ia W1(u), expresia, W1(u) = A sin (π u/ L), A = amplitudinea oscila]iei L = lungimea micropun]ii

Am ales aceast\ form\ a modului de vibra]ie, ]inand cont de condi]iile la limit\ (puntea este prins\ la ambele capete), deci sin (0) = 0, pentru u=0

sin (π) =0, pentru u=L Inlocuind `n rela]ia (5) func]ia W1 , se obtine :

ω12 =

EIL

uL

duF

Lu

Ldu

hsu

Ldu

LL

L

π π π π

ρπ

⎛⎝⎜

⎞⎠⎟⎛⎝⎜

⎞⎠⎟ +

⎛⎝⎜

⎞⎠⎟⎛⎝⎜

⎞⎠⎟

⎛⎝⎜

⎞⎠⎟

∫∫

∫

4 2 2

002

0

2

12

sin cos

sin

2

(9) sau

ω12 =

EI L L F L

hs L L

ππ

π ππ

π

ρπ

π

4 2

256 21

2 2 16 21

212 2

12

−⎛⎝⎜

⎞⎠⎟+ +⎛

⎝⎜⎞⎠⎟

−⎛⎝⎜

⎞⎠⎟

sin sin

sin

L

(10)

Micropuntea a fost realizata din polisiliciu.Valorile elementelor care intervin

sunt: -grosimea pun]ii s =1.0 -2.0µm; -lungimea pun]ii L = 100 ÷ 500 µm -la]imea pun]ii h = 10 ÷ 50 µm.

-densitatea polisiliciului ρ = 2100 kg/m3; -modulul de elasticitate E = 1.5 1011 N/m2; -momentul de iner]ie al barei I = hs3/12 Din graficul ob]inut (Fig.2) `n care am determinat frecven]a de rezonan]\ func]ie de lungimea L [i l\]imea micropun]ii h, se constat\ c\ frecven]a de rezonan]\ este de ordinul sutelor de KHz. Restul m\rimilor din rela]ia (9) sunt constante. Varia]ia l\]imii micropuntii are o contribu]ie nesemnificativ\ asupra frecven]ei de rezonan]\ comparativ cu influen]a introdus\ de varia]ia lungimii acesteia. Frecven]a de rezonan]\ scade cu cre[terea lungimii micropun]ii. Valorile ob]inute sunt acceptabile ca ordin de m\rime din punctul de vedere al proiect\rii circuitelor de detec]ie [i sunt `n conformitate cu modelul teoretic folosit . Simularea am f\cut-o utilizand programul MATLAB.

Pag. III. 8

Cap. III Tehnici de excitatie - detectie Pornind de la constatarea c\ l\]imea are o contribu]ie ne`nsemnat\ `n varia]ia frecven]ei de rezonan]\, am simulat frecven]a de rezonan]\ utilizand rela]ia (9), func]ie de varia]ia lungimii L [i a for]ei axiale aplicate F. Graficul rezultat (Fig.2) ne indic\ c\ la aceea[i lungime frecven]a de rezonan]\ cre[te cu cre[terea for]ei aplicate, iar la accea[i for]\ aplicat\ frecven]a de rezonan]\ descre[te cu cre[terea lungimii pun]ii. ~nlocuind func]ia W

1(u) `n rela]ia (8), se ob]ine varia]ia sensibilit\]ii `n func]ie

de lungimea micropun]ii:

S = 1

2

2

02 2

0

EI

uL

du

Lu

Ldu

L

L

cos

sin

π

π π

⎛⎝⎜

⎞⎠⎟∫

⎛⎝⎜

⎞⎠⎟

⎛⎝⎜

⎞⎠⎟∫

(11) sau

S = 8

22

22

2EI

L L

L Lππ

π

ππ

+

−

sin

sin (12)

Din graficul ob]inut (fig.3) se constat\ cre[terea sensibilit\]ii cu lungimea micropun]ii. Lungimea micropun]ii a fost aleas\ `ntre 100-500 µm. Se constat\ o sc\dere a sensibilit\]ii cu cre[terea l\]imii pun]ii. Sensibilitatea este independent\ de for]a axial\, dar depinde de momentul de `ndoire. Se constat\ o bun\ sensibilitate la lungimi relativ mari (0.5 mm). Rezultatele ob]inute constituie o referin]\ important\, care au fost luate `n considerare, `n proiectarea structurii rezonatoare.

Fig.1. Rezonator punte care vibreaza pe modul fundamental

Pag. III. 9


Fig.2. Frecventa de rezonan]a a unei pun]i din polisiliciu, functie de lungime si latime . Fig.3. Sensibilitatea unei pun]i din polisiliciu func]ie de dimensiuni

(lungime, latime)

Pag. III. 10

Cap. IV Microsenzori pentru marimi mecanice bazati pe piezorezistivitate

Microsenzori pentru marimi mecanice bazati pe piezorezistivitate

Piezorezistivitatea este o proprietate de material exprimata prin aceea ca rezistivitatea în volum este influentata de stresul mecanic aplicat materialului.

Mai multe materiale prezinta dependenta de stres prin mobilitate sau numar de purtatori de sarcina ca functie de volumul materialului. - Schimbarea volumului afecteaza diferenta de energie între banda de conductie si cea de

valenta. Deci, numarul de purtatori si astfel rezistivitatea se schimba. - Siliciul monocristalin are o piezorezistivitate ridicata combinata cu proprietati mecanice

excelente, care îl fac dorit pentru conversia deformarii mecanice într-un semnal electric. - Siliciul este adesea utilizat ca material de baza pentru senzori piezorezistivi de presiune,

debit, forta, acceleratie.

Avantajele folosirii siliciului ca material piezorezistiv: - siliciul este un material foarte robust; - rezistoarele sunt limitate la suprafata siliciului unde stresul este maxim - fabricatia de serie poate profita de tehnologiile compatibile C.I. - este posibila integrarea circuitelor electronice direct pe cipul senzorului pentru amplificarea

semnalului si compensarea temperaturii.

Descrierea matematica a piezorezistivitatii Vom da o descriere matematica a piezorezistivitatii fara a considera natura sa fizica. Ea

începe cu o relatie generala tridimensionala între curent si campul electric. Este introdusa o metoda pentru a descrie influenta stresului în aceasta relatie. - simetria retelei cristaline ne ajuta sa simplificam modelul matematic destul de complex altfel

Pentru un cristal anizotrop tri-dimensional, vectorul camp electric (ξ) este legat de curentul (i) printr-un tensor de rezistivitate ρ ( 3 x 3).

⎥⎥⎥

⎦

⎤

⎢⎢⎢

⎣

⎡⋅

⎥⎥⎥

⎦

⎤

⎢⎢⎢

⎣

⎡=

⎥⎥⎥

⎦

⎤

⎢⎢⎢

⎣

⎡

3

2

1

345

426

561

3

2

1

iii

ρρρρρρρρρ

ξξξ

(1)

Piezorezistivitatea într-un sistem de coordonate aliniat cu axele cristalului

Siliciul si germaniul au o structura de cristal cubica. Daca axele carteziene sunt aliniate cu axele <100> ale cristalului, atunci ρ1, ρ2 si ρ3 definesc dependenta campului electric în lungul uneia din axele <100> ale cristalului de curentul în aceeasi directie. ρ4, ρ5 si ρ6 sunt rezistivitatile legate de campul electric din lungul unei axe de curentul din directia perpendiculara. - pentru un conductor izotrop, spre exemplu, siliciul nestresat,

ρ1= ρ2= ρ3= ρ si ρ4= ρ5= ρ6= 0 - într-un material piezorezistiv aceste 6 componente depind de stresul în material care poate sa

fie descompus în sase componente: trei componente ale stresului normal σ1, σ2, σ3 în lungul axelor cristalului cubic si trei componente ale stresului de forfecare τ1, τ2, τ3 definite în figura.

Pag. IV.1


Figura 1 Daca ne referim la rezistivitatile într-un camp izotrop nestresat, atunci putem scrie cele

sase componente ale rezistivitatii:

⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥

⎦

⎤

⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢

⎣

⎡

∆∆∆∆∆∆

+

⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥

⎦

⎤

⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢

⎣

⎡

=

⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥

⎦

⎤

⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢

⎣

⎡

6

5

4

3

2

1

6

5

4

3

2

1

000

ρρρρρρ

ρρρ

ρρρρρρ

(2)

Efectul de piezorezistenta poate fi descris prin raportarea fiecaruia din cele sase schimbari de

rezistenta fractionale, ∆ρi / ρ la fiecare din cele sase componente ale stresului. Matematic, acestea conduc la o matrice de 36 coeficienti. Prin definitie, elementele acestei matrice sunt numite coeficienti de piezorezistenta Πij. Pentru a defini matricea, ar trebui sa facem 36 de masuratori independente. Considerand un material cristalin, aceasta sarcina este mult simplificata. - conditiile de simetrie conduc la anumite relatii între diferite componente ale matricii, care

reduc numarul de componente independente la mai putin de 36. - pentru un cristal cubic al siliciului si germaniului mimam trei coeficienti diferiti si matricea

devine:

⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥

⎦

⎤

⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢

⎣

⎡

×

⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥

⎦

⎤

⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢

⎣

⎡

ΠΠ

ΠΠΠΠΠΠΠΠΠΠ

=

⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥

⎦

⎤

⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢

⎣

⎡

∆∆∆∆∆∆

3

2

1

3

2

1

44

44

44

111212

121112

121211

6

5

4

3

2

1

000000000000000000000000

1

τττσσσ

ρρρρρρ

ρ (3)

Combinand ecuatiile (1) (2) si (3) rezulta expresia campului electric într-un cristal cubic

sub stres.

Pag. IV.2


ξ1 = ρi1 + ρΠ11σ1i1 + ρΠ12(σ2+σ3)i1 + ρΠ44(i2τ3 + i3τ2) ξ2 = ρi2 + ρΠ11σ2i2+ ρΠ12(σ1+σ3)i2 + ρΠ44(i1τ3 + i3τ1) (4) ξ3 = ρi3 + ρΠ11σ3i3+ ρΠ12(σ1+σ2)i3 + ρΠ44(i1τ2 + i2τ1) ↓ ↓ ↓ Contributia Efectul de Reflecta o comportare conductiei piezorezistenta piezorezistiva complicata constante Acesti coeficienti sunt proprietati de material si variaza de la un material la altul.

Coeficientii de piezorezistivitate pot fi pozitivi sau negativi si variaza cu concursul dopajului si a temperaturii.

Dependenta de concentratia dopajului Pentru un siliciu slab dopat, probele de siliciu au un dopaj ≈ 1015cm-3. Se observa o independenta a rezistivitatii de stresul zero în directia longitudinala de

masurare si se concluzioneaza ca coeficientul de piezorezistenta sunt independenti de concentratia de impuritati.

Pentru concentratii de impuritati ridicate la siliciu (>1016cm-3) s-a observat o descrestere a coeficientilor de piezorezistenta.

Figura 2

Pentru motive practice, este clar ca conc. de dopare nu trebuie aleasa prea ridicata pentru a pastra coeficientul de piezorezistenta sufieint de mari.

Dependenta de temperatura Calculul matematic prevede o scadere a piezorezitivitatii cu cresterea temperaturii ca în

figura 3

Figura 3

Pag. IV.3


La temperaturi joase în jurul lui OK, relatia este lineara cu pante –1. Altfel spus, coeficientii de piezorezistenta cresc liniar cu inversa temperaturii. • S-a aratat ca pentru siliciu de tip n, linearitatea este urmata de un domeniu larg de

temperatura –2000 ÷ 800C. Pentru Si de tip p, relatia este valabila în domeniu –1000÷800C. • În general orice coeficient de piezorezistenta poate fi exprimat printr-o valoare la dopaj

scazut, la Tamb, un Π0, multiplicat de un factor functie de N si T

Π(N,T) = Π0P(N,T) Factorul piezorezistentei P(N,T) bazat pe calcule matematice pentru siliciu de tip p, este

aratat în figura 4.

pt.

Figura 4. Coeficientul de piezorezistenta P(N,T) functie de conc. de impuritati si temperatura

Senzori piezorezistivi

Senzori tip membrana constau în: - membrana din siliciu monocristalin suspendata pe un suport de siliciu; - piezorezistori integrati pe membrana.

Figura 5

Daca se aplica o presiune, membrana se îndoaie în sens sus sau jos, inducand tractiunea

sau compresia rezistorului. Rezistenta se schimba datorita acestui stres si poate fi usor masurata. Senzori de tip bara Configuratia unui accelerometru tip bara este aratata în figura 6

Figura 6 Stresul cauzat prin deflectia masei initiale sub actiunea acceleratiei este concentrat pe

suprafata barei. Piezorezistoarele sunt plasate pe bara aproape de suport, unde stresul este maxim. Tehnologia de fabricatie este similara cu cea pentru membrane.

Pag. IV.4


Procesarea barei este mai complicata deoarece placheta de siliciu este complet corodata la un capat al barei, în timp ce pentru senzori membrana suprafata plachetei care contine piezorezistori poate fi mai usor protejata de solutia de corodare.

Senzori capacitivi Senzorii capacitivi convertesc o schimbare a marimii de masurat într-o schimbare de

capacitate. Un capacitor consta în 2 electrozi separati printr-un dielectric, schimbarea de capacitate

avand loc prin miscarea unuia dintre electrozi fata de celalalt, sau prin schimbarea dielectricului între 2 electrozi fixi. În general, primul principiu este aplicat.

Teoria despre senzorii capacitivi este simpla. Capacitatea este definita ca:

dsC ε= ε = permitivitatea

s = suprafata d = distanta între electrozi

Cand un electrod este deplasat cu o distanta mica ∆d, capacitatea se schimba prin ∆C. Daca ∆d << d, sensibilitatea la un astfel de eveniment este data de:

2ds

dC ε−=

∆∆

Astfel, pentru a proiecta senzori capacitivi cu o sensibilitate ridicata, ar trebui sa facem aria armaturilor mai mare si distanta dintre ele mai mica. În realitate exista factori tehnologici care limiteaza ambele aceste valori. Acesti factori includ: dimensiunile senzorului, acuratetea fabricatiei, reproductibilitatea si amortizarea miscarii electrodului, daca senzorul este introdus în gaz sau lichid. - Daca miscarea electrodului nu este paralela sau daca schimbarea de capacitate cauzata de

deflexia unei parti a electrodului, atunci schimbarea de capacitate ar trebui calculata prin integrare peste întregul spatiu al dielectricului deformat.

∫∫ −−=∆ dxdy

y)W(x,dεCC 0

unde functia W(x,y) da deplasarea de la pozitia originala a fiecarui punct (x,y) la armatura capacitorului. - Pentru senzorii semiconductori, electrodul care se misca este adesea o membrana de siliciu

subtire care deflecta, spre exemplu, prin aplicarea unei presiuni uniforme aplicate pe ea, schematic reprezentata în figura 7. În acest caz functia deflexie W(x,y) nu poate fi usor calculata.

Figura 7. Sectiune transversala a senzorului capacitiv de presiune

Un alt senzor capacitiv relativ uzual este de tip electrod mobil din siliciu suspendat prin bare mobile, asa cum se arata în figura 8.

Pag. IV.5


Figura 8. Sectiune transversala a unui accelerometru capacitiv

Presupunand o rotatie Θ în jurul unei axe paralele la unul din capetele electrodului din siliciu, capacitatea C poate fi calculata functie ca o functie de Θ

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛

−+

=lO2dlO2dln

lOsC(O) ε l = lungimea masei initiale

d = distanta de la centrul masei înclinate la armatura fixa a capacitorului

Pag. IV.6

Cap. V Senzori acustici

Senzori acustici

Senzorii acustici sunt dispozitive care utilizeaz\ modele elastice la frecven]e `n domeniul MHz – câ]iva GHz pentru a m\sura cantit\]i fizice, chimice sau biologice. Sensibilitatea foarte mare face ace[ti senzori atractivi pentru detec]ia vaporilor chimici sau a gazelor. ~n multe cazuri ie[irea acestor senzori este `n frecven]\ care poate fi m\surat\ simplu sau cu un num\r\tor electronic. Primul senzor ultrasonic utiliza vibra]ia unui cristal de cuar] plat fabricat pentru a utiliza frecven]a `n determinarea elementelor unui oscilator electronic. Dispozitivul este cunoscut ca QCM (Quartz Crystal Microbalance) este apropiat de senzorul (TSM) modul – forfecare `n grosimea stratului (Thickness Shear Mode). Ad\ugarea unui strat de acoperire pentru a absorbi vaporii de ap\ sau moleculele de gaz formeaz\ un senzor a c\rui frecven]\ de rezonan]\ depinde de nr. de molecule absorbite.

Recent, au ap\rut dispozitive SAW (Surface Acoustic Waves) utilizand unde acustice de suprafata, FPW (Flexural plate Waves) `ntr-o membran\ foarte sub]ire si

APM (Acoustic Plate Mode), aranjament `n care undele “sar” la un unghi `ntre planele `nvecinate ale pl\cii.

To]i senzorii pe care `i discut\m se bazeaz\ pe mi[carea elastic\ a undelor `n partea solid\ a senzorului. Undele elastice `ntr-un solid sunt produse când atomii solidului sunt for]a]i `ntr-o mi[care de vibra]ie `n jurul pozi]iei lor de echilibru. Asupra atomilor deplasa]i ac]ioneaz\ o for]\ de restaurare care tinde s\ aduc\ atomii `napoi `n pozi]iile lor originare. Ace[ti senzori sunt proiecta]i astfel `ncât propagarea caracteristicilor acestor unde – viteza de faz\, coeficientul de atenuare – este afectat\ de m\rimile de interes. Astfel: - `n unele dispozitive, for]ele mecanice induse printr-o presiune aplicat\ sau o

accelera]ie cresc viteza undei.

Pag. V. 1


- `n alte dispozitive, efectele gravimetrice (absorb]ia moleculelor, atacul bacteriilor,

etc.) determin\ o sc\dere a vitezei undei. Prin contactul senzorului cu un lichid, unda este atenuat\.

Materiale acustice Materialele piezoelectrice sunt utilizate ca substrat al senzorului. Straturi sub]iri ca ZnO, AlN, PZT (titanat zirconat de paladiu), niobat de litiu sunt utilizate ca materiale pentru senzori. Aplica]ii: senzori de presiune, accelerometre, senzori de vapori.

Unde acustice `n solide Propagarea undelor acustice `n solide este utilizat\ `n senzori acustici, actuatori, instrumente medicale [i biologice, oscilatori acustici `n volum, linii de `ntârziere. Dispozitivele IDT (Interdigital Transducers) se bazeaz\ pe propagarea SAW. Cele mai uzuale propriet\]i ale undelor acustice:

- viteza joas\ comparativ cu cea a undelor electromagnetice - viteza tipic\ `n solide: 1,5x105 cm/s ÷ 12x105 cm/s.

Viteza SAW: 3,8x105 cm/s ÷ 4,2x105 cm/s. Dispozitivele SAW pot fi realizate s\ lucreze pe frecven]a fundamentalei de 5GHz, au o arie mic\, pot fi integrate cu electronica.

Mi[c\rile undei elastice Undele elastice se pot propaga `n solide ca `n figur\. ~ntr-un solid nem\rginit numai undele longitudinale [i transversale se pot propaga.

Pag. V. 2


~n cazul undei longitudinale de volum a) particulele solidului se mi[c\ paralel cu direc]ia de propagare indirect\ (s\geata). O und\ SAW c) poate se propaga `n lungul suprafe]ei unui solid semiinfinit care are o singur\ margine. Viteza SAW `n mediu omogen este independent\ de frecven]\, ca [i `n cazul undelor `n volum. Mi[carea particulelor unei SAW este aproape de suprafa]\ [i descre[te aprox. La zero la o adâncime de o lungime de und\ λ.

Materiale piezoelectrice Piezoelectricitatea determin\ distribu]ia polariz\rii electrice [i demonstreaz\ cum

un câmp piezoelectric reac]ioneaz\ la un stres electric emi]ând unde depolarizate. Când o for]\ ac]ioneaz\ asupra unui material piezoelectric:

- dac\ for]a extern\ este o tensiune aplicat\, va avea loc o deplasare, - dac\ for]a extern\ este o deplasare mecanic\ se va produce un câmp

electric. Acest fenomen se nume[te piezoelectricitate. Material: ZnO, AlN, LiNbO3, Pb(ZrTi)O2 (zirconat titanat de plumb).

Pag. V. 3


Aplica]ii ale senzorilor acustici

Senzori SAW: Dezvoltarea recent\ a senzorilor SAW reprezint\ o mare `mbun\t\]ire `n aplica]iile

senzorilor acustici `n naviga]ie [i procesarea semnalelor de comunica]ii. Un PZT, ZnO, AlN, permite ca SAW [i circuitele electronice s\ fie fabricate pe acela[i substrat monolitic. Pentru traductoarele SAW monolitice substratul este `n general un semiconductor ca Si sau GaAs.

Dispozitivele SAW se bazeaz\ pe efectul piezoelectric pentru a transforma un semnal electric `n semnal mecanic sau acustic. Substratul SAW este tradi]ional, un monocristal cu dublu rol: regenereaz\ unde SAW [i ofer\ un mediu pentru propagarea acestora. Dac\ substratul este la fel de sub]ire ca λ SAW, [i energia acustic\ este limitat\ `n interior la câteva lungimi de und\ ale suprafe]ei, substratul poate fi aproximat cu un solid semi-infinit constând `ntr-un semicristal.

Solu]ia utiliz\rii unei bare ca substrat este simpl\ dar baza nu poate fi utilizat\ mai departe. Este necesar\ formarea unui strat piezoelectric, ca ZnO pe Si sau AlN pe GaAs pentru a genera unde acustice, rezultând o structur\ dubl\ constând `n dou\ materiale diferite ca propriet\]i, iar viteza SAW [i coeficientul de cuplare piezoelectric\ vor fi dispersate.

Stratul piezoelectric poate fi depus prin CVD (depunere chimica din faza de vapori) sau sputtering (imprastiere). Elementele senzorilor SAW [i coprocesoarele pot fi integrate pe acela[i chip ceea ce fac ca dispozitivul sa fie extrem de atractiv.

Accelerometru piezoelectric bar\ `ncastrat\: Una din aplica]iile senzorilor acustici este accelerometrul integrat utilizat la

m\surarea accelera]iei unui vehicul `n mi[care. Datele accelera]iei cu informa]ia valorilor ini]iale fac accelerometrul dorit pentru un estimator de pozi]ie [i vitez\ cum ar fi sistemul de pozi]ionare global (GPS).

Accelerometrul este un beam `ncastrat fabricat ca un circuit integrat. Elementul de detec]ie este un capacitor ZnO care este construit pe beam [i genereaz\ un semnal propor]ional cu accelera]ia. Acest semnal, procesat pe circuitul electronic al cipului este semnalul de ie[ire al accelerometrului. Accelera]ia, ac]ionând asupra beam-ului, determin\ constrângeri (for]e) `n capacitorul piezoelectric, rezultând o tensiune de ie[ire propor]ional\ cu accelera]ia de intrare.

Pe cip este integrat un capacitor de compensare a temperaturii [i un amplificator de izolare. Semnalul este apoi convertit `ntr-un format digital printr-un convertor tensiune-frecven]\ care poate fi integrat [i `n afara cipului (hybrid).

Dac\ sensibilitatea cerut\ este mai mic\, se poate fabrica beam-ul cu o singur\ fa]\ corodat\. Beam-ul se poate realiza din SiO2 prin procesare planar\.

Dac\ nivelul accelera]iei este ridicat, se fabric\ beam-ul – dubl\ fa]\ corodat\, Si fiind parte a structurii.

Pag. V. 4


Pag. V. 5

Cap. VI Senzori chimici

Senzori chimici

Senzorii chimici sunt senzitivi la stimulii produsi datorita unor componente sau elemente chimice. O proprietate importanta a senzorilor chimici este semnalul electric de iesire foarte mic. Senzorii chimici sunt destinati recunoasterii prezentei substantelor chimice si a concentratiei lor. Senzorii sunt divizati in senzori de gaz si senzori de lichid. Biosenzorii sunt o clasa speciala a senzorilor chimici. Diferenta majora intre bio si chemo este ca biosenzorii au o mai mare selectivitate si sensibilitate. Elementul de bio-recunoastere este uzual un bioreactor pe varful unui senzor astfel ca raspunsul biosenzorului va fi determinat prin difuzia analitului, produsilor de reactie, co-reactanti sau specii care interfera, si cinetica procesului, de recunoastere. Urmatoarele elemente biologice pot fi detectate calitativ si cantitativ de biosenzori, organisme, tesuturi, celule, membrane, enzime, anticorpi. ~n fabricatia unui biosenzor una din cheile succesului este imobilizarea analitilor pe traductoare fizice.

Selectivitatea poate fi definita ca abilitatea senzorului de a raspunde in primul rand la doar un element chimic sau componenta in prezenta altor specii.

Clasificare: - Senzori enzimatici – enzime (glucoza, penicilina, uree) - Senzori electrochimici - Senzori termici

Senzori termici Principiul – un element termic este acoperit cu un strat senzitiv senzitiv selectiv.

Introducand senzorul in mediul de masurat, acesta masoara caldura disipata in timpul reactiei intre proba si stratul senzitiv. Cresterea de temperatura ca rezultat al reactiei chimice este proportionala cu schimbarea incrementala in entalpia dH:

dT = - dH/Cp, Cp – capacitatea calorica Senzori electrochimici Sunt cei mai versatili si cei mai dezvoltati dintre toti senzorii chimici. Se impart

in: - senzori potentiometrici – masoara tensiunea - senzori ampermetrici – masoara curentul - senzori conductometrici – masoara conductivitatea sau rezistivitatea.

Toate aceste metode utilizeaza electrozi speciali. Regula: necesita intotdeauna un circuit inchis astfel incat un curent electric

(continuu sau alternativ) sa fie posibil a fi masurat. Daca circuitul electric necesita o bucla inchisa, senzorul necesita cel putin 2 electrozi, unul numit de obicei electrod de referinta.

Pag. VI. 1


Senzori potentiometrici Utilizeaza efectul concentratiei la echilibru a unei reactii redox care are loc la

interfata electrod-electrolit intr-o celula electrochimica. Un potential electric poate aparea la interfata datorita reactiilor redox.

dReeZOx =⋅+ Ec. Nernst:

*R

*0

0 CC

lnnFRTEE += , unde

n = nr. Electronilor transferati, F = constanta lui Faraday, R = constanta gazelor, E0 = potentialul electrodului in cazul standard. O membrana ion selectiva esre componenta cheie a tuturor senzorilor

potentiometrici. Se stabileste referinta fata de care senzorul raspunde la ioni de interes in prezenta

variatelor componente din proba. O membrana ion selectiva formeaza o interfata nepolarizata cu solutia.

Senzori CHEMFET Senzorii chimici potentiometrici utilizand tranzistoarele FET se numesc

CHEMFET. Au dimensiuni mici si putere scazuta. Se utilizeaza in biologie, medicina, etc.

Efectul de camp este un mecanism dorit pentru generarea potentialului care ofera o mare selectivitate si sensibilitate chimica.

CHEMFET este un tranzistor cu efect de camp, cu poarta largita, cu potential electrochimic inserat intre suprafata portii tranzistorului (nemetalica) si electrodul de referinta.

~n general sunt 4 tipuri de CHEMFET: - ion selectiv, - gaz selectiv, - enzima selectiv, - imuno-selectiv.

Pag. VI. 2

Fig. 1


Daca concentratia ionica variaza, densitatea de sarcina pe poarta CHEMFET se

schimba de asemenea. Selectivitatea ionica este determinata de complexarea suprafetei pe poarta izolatorului. Selectivitatea senzorului poate fi obtinuta prin varierea compozitiei portii materialului.

~n plus, membranele ion selective pot fi depuse deasupra portii pentru a oferi o larga selectie a diferitilor senzori chimici.

O schimbare in densitatea de sarcina la suprafata afecteaza conductanta in canalul CHEMFET care poate fi masurata ca o variatie in curentul de drena. Astfel, daca o tensiune de intrare E este aplicata intre sursa si drena CHEMFET-ului, curentul rezultat, controlat prin potentialul electrochimic, este de fapt o functie de concentratia a diferiti electroliti in solutie.

Variatia curentilor de drena ca raspuns la concentratia electrolitilor poate fi tratata ca o tensiune de iesire conventionala VOUT, deci CHEMFET-ul devine un device cu 3 terminale: S, D si electrodul de referinta.

Senzori de concentratie Senzori gravimetriciMasurarea unei cantitati microscopice a masei poate fi realizata cu senzori

gravimetrici. Ex: Un oscilator piezoelectric de cuart cu o frecventa de rezonanta proprie, functie

de masa si forma cristalului.

mSff

m0

∆=∆

, unde

∆m – masa adaugata, Sm – sensibilitatea.

Pag. VI. 3

Lithographic Process

I. INTRODUCTION Speaking about “Silicon Technology” we think at two important fields:

A. – silicon, the most important semiconductor for the electronics industry; B. – silicon, the most important material for sensors and actuators.

A. At the present, silicon-based devices constitute over 95% of all semiconductor devices

sold worldwide. Silicon (Si) has been well studied and many of its physical properties have been measured.

Another semiconductor proved insuitable in certain applications because of its propensity to exhibit high junction leakage currents, is germanium (Ge). These currents result from germanium’s relatively narrow bandgap (0.66eV). For this reason, silicon (1.1eV) became a practical substitute and has almost fully supplanted germanium as a material for solid-state device fabrication.

Silicon devices can operate up to 150ºC versus 100ºC germanium. Other reasons for silicon utilization:

− planar processing technology; − thermally grown silicon dioxide; − success properties of economic consideration (cheaper compared to Ge or GaAs).

Advances in VLSI will have a profound effect on the world economy because VLSI is the key technologies for the Information Age (now, in Europe, Japan and USA, information workers constitute 50% of the work force. VLSI technology is synonymous with silicon VLSI technology and from this results the importance of silicon technology.

B. Sensors are devices that provide an interface between electronic equipment and the

physical world. They help electronics to “see”, to “hear”, to “smell”, to “taste” and to “touch”. In their interface with the real world, sensors typically convert nonelectrical, physical or chemical quantities into electric signals.

Microsensors have become an essential element of process, control and analytical measurement systems, finding countless applications in: industrial monitoring, factory automation, automotive industry, transportation, telecommunications, computers and robotics, environmental monitoring, health care and agriculture.

A simple block diagram of a sensing system is shown in the following figure:

INPUT TRANSDUCER

OUTPUT TRANSDUCER

SIGNAL PROCESSING

Fig.1 – Simple block diagram of the sensing system The term transducer is used for both the input and the output blocks of the sensing

system. The role of the input transducer is to get information from the real world about a physical or chemical quantity, “to sense” the world. For this reason the input transducers are commonly called sensors.

Often the electrical signals generated by sensors are weak and have to be amplified or processed in the same way. The signal-processing block of the sensing system does this.

The role of the output transducer is to convert an electrical signal into a form acceptable for our sensor or to initiate some “action” (for example, opening or closing a valve). For this reason the output transducers are often called actuators.


II. MOS ICs FABRICATION The scheme of the metal-oxide-semiconductor (MOS) integrated circuits (ICs) fabrication

steps is presented in fig.1. MOS-ICs are complex devices (with millions of individual components) that are

manufactured on a single silicon crystal and interconnected (routed) by thin wires that are microns wide. The process of forming these devices out of a single piece of silicon crystal will be described summary.

Integrated circuits consist of layers (substrates) of insulated semiconducting and conducting regions. These layers are assembled in such a way as to form transistors that are interconnected to produce a certain desired electrical function. The individual transistor comes in a variety of types and each type of transistor will also have different needs when it comes to processing.

The major ICs technologies that are used today are: − n-channel metal-oxide-semiconductor (NMOS); − complementary metal-oxide-semiconductor (CMOS); − bipolar; − integrated-injection-logic bipolar (I2L).

Table-1 shows the relative attributes of each of the ICs technologies from the point of view of the circuit characteristics.

An IC is realized by a lot of deposited or growth layers (oxides, metals, Si3N4,

polysilicon), the configuration of these layers and the controlled impurification. The technological processes, which make possible the ICs fabrication, are:

− epitaxy; − oxidation; − lithography; − reactive plasma etching; − dielectric and polysilicon film deposition; − diffusion; − ion implementation; − metallization.

The designer task is to create (design) the geometrical configuration for every layer. The assembly of geometrical configuration of a circuit is called layout. Every layer configuration is realized with a physical support of glass covered with chrome (Cr), emulsion or Fe2O3, called mask, which transfers layout to the silicon wafers. 5, 7, 8, 12 or more masks form the assembly of masks used to define an IC.

Many iteration of logical, functional and topological design are necessary to obtain the final lay-out which is transferred in specific file types (CIF, TDB, GDSII, PS) for pattern generator (PG) or photoplotter => post-processing step (which also must consider the type of resist covering the mask – positive or negative). The final masks obtained are used in wafer fabrication in the technological laboratories or silicon foundries. To protect the master (original) masks, some copies are realized.

The designer must also realize the test chip on the mask, containing the test structures and the assembly plan necessary for ICs encapsulation.

Mask fabrication. On a mask there are circuit chip and test chip. The circuit chip contain the alignment and control geometry, the test geometry (n-channel and p-channel test transistor),


The final dimensions of the layout (compensations included) must be transferred exactly on the mask and this depends on the PG resolution and the mask fabrication process parameters: exposure energy, developer, etching (time, temperature). The best PG from Romania has 1 µm resolution and the transfer of data is accepted with dimensional and alignment errors of + 0.1 µm.

Wafer fabrication. A 3" wafer contains about 100 : 1000 circuits. 8" wafers are used. Usually, in an oxidation process, about 100 : 150 wafers are processed. Advantages: this simultaneously processing goes to a lower price of the circuits and reproducibility of the parameters. Disadvantages: if the process parameters are not correct, then all the wafers can be damaged; a small yield goes to a higher price; the processes must be very well controlled.

Very important are the alignment geometries, the photolithographic control geometries and the test transistors with independent pads that can be electrical tested on every chip.

Lithographic process. The steps of this process are presented in fig. Resist

Film

Substrate

Resist Film

Substrate

Film

Substrate

Mask

Exposure + Developer

Etching + Stripper

y

x

Fig.6 – The transfer of geometries from the mask into the resist is called lithography. The

transfer from resist in the film is called etching (engraving). Relations between the circuit design and the technology of fabrication: the transfer of

geometries from layout in the film is not very precisely because process errors occur; these errors must be minimized and controlled. The designers of the circuits must know the technological steps and adjust the layout with the predictable errors. Ex.: A lithographic predictable error is the dimensional variations of the geometries due to the underetching. How can we correct this?

A film can be isotropic or anisotropic etched. The etching from the fig.6 is perfectly anisotropic; that means the etching rate on y-direction (ry) is great and on x-direction (rx) is "0". It is the ideal case. But in reality, rx / 0 and can be equal with ry. This is the isotropic case.


Fig.7 –

Resist Film

Substrate

Substrate

Film l y

l xL

Resist l x = l y ( isotropic case ) l x is the underetching l y is the thickness of the film

The wet etching of oxides and metals is isotropic. Practical, the underetching is

determined by precise measurements of the dimensions. Ex.: We measure the channel of the test transistor on the same 9 chips of every wafer from 25 wafers after developer and etching. Statistically we can determine the underetching of a thermal oxide of 6000 Å, etched in BHF 10:1 at 35ºC.

If A is the anisotropic degree, then:

A def 1 - y

x

rr

, where rx is the horizontal etching rate and ry is the vertical etching rate.

r x = r y => A = 0 => isotropic process r x = 0 => A = 1 => ideal anisotropy

A high degree of anisotropy can be obtained by dry etching (plasma etching). The degree

of anisotropy depends on the plasma machine and of the process parameters. The underetching must be considered from the layout design step. Dimensional

compensations are introduced in every mask layout considering the underetching of the specific layers.

l

d xOx = 6000 Å tc = 6'30" => d = 0.6 µ lf = 7 µ ld = 8.2 µ = lf + 2d ld = dimension on the layout lf = the final line need

l = line d = underetching

Ex.:

The layout dimensions = the real need dimension + the dimension due to the underetching + the tolerance of mask realization.


The compensations affect the density of integration. For the small dimensions these are very critical, so the configuration of small geometries need a high degree of anisotropy.

Selectivity. We supposed, in the discussion before, that the substrate and the resist mask are not etched. Practical, the resist and the substrate have a finite etch rate.

The selectivity of the etching process = filmanother ofrateetch the

film theof rateetch the

To consider the etching of a "h" thickness film:

δh = difference % ( 0 < δh < 1 )

- the maximum thickness: h(1+δh)

- the minimum thickness: h(1-δh) We assume the etch rate U has the variations:

U(1-δµ) , U(1+δµ) , ( 0 < δµ < 1 )

The etching time: ( )( )µ

hc δ1U

δ1ht−+

=

( )( ) ( cD1

δ1Uδ1ht

µ

hCtotal +

−+

= ) (*) to be sure the film is etched

D c = a fraction of the etching time resulting an overetch. During the film etching, the resist mask is etched too:

After etching

Layer

Before etching

θ

yx

If the maximum etch rates of the resist layer on y and x are and , the resist mask

is narrower (smaller) at every edge by the value: yrU

xrU

( ) ctrr tUUxy

r ctgθ2

∆W+=

θ = angle which specifies the profile of the resist edge. Considering the following expression results:

( ) ⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛++

−+

=y

x

µ

hyr

r

rr

UUU

ctgθD1δ1δ1h

U2∆W c (**)

If = UyrU r(1+δr) , where: is the vertical etch rate of the resist, U

yrU r is the average

etch rate of the resist and δ r is an uniformity factor, then the selectivity of the film etching compared with the resist mask is:


yr

r UUS = and r

r

r A1UU

y

x −= (***) ,

where Ar is the anisotropy of the resist etching.

From (**) – (***) => ([ ]rrr

r A1ctgθF∆W2hS −+= ) , where

( )( rµ

hr δ1D1

δ1δ1F c ++

−+

= ) is the uniformity factor that describes the most defavorable

case of coincidence of different non-uniformities.

0

10

20

30

40

50

0 2 4 6 8

h/DWr

SrS r

r∆W

h10

If the thickness of the layer would be perfectly uniform and the etching rate also,

(δh = δµ = 0), and no etching over time (Dc = 0), then the selectivity compared with the substrate is not important. But this case is not possible.

Substrate

H h

Material left on the step edge

Substrate

Before etching After etching

For a step of H height and a perfectly anisotropic etching (A=1), the etching must be increased with a fraction Dc=H/h after the removing of the layer from the plane (flat) regions. This H/h ratio must constitute de minimum value of the uniformity factor Fr.

Silicon Technology CMOS Technology

III. CMOS TECHNOLOGY CMOS technology employs both NMOS and PMOS transistors to form the logic

elements. The advantage of this technology is that the particular logic elements only draw significant current during the transition from one state to another, but draw very little current between transitions, allowing power consumption to be minimized.

The circuit diagram of a CMOS inverter is illustrated in fig.a. The cross section of the inverter structure fig.b shown the n-channel transistor formed in a p-region called “tub” or “well”. The p-channel transistor is formed in the n-substrate.

n

Vi

p+ n+

p-well

n+ p+ n+p+

n-channel p-channel

G GS S D D

VO VDD

VSS

The gates of the transistors are connected to form the input. Fabrication process sequence. For ex. The CMOS-Al gate technology is chosen. The

overview and the cross-section of the CMOS standard Al-gate device are presented in fig.(8.25).

Summary of the process:

1. – wafers: n-type , 5÷7 Ωcm , 8·1014 cm-2 (impurity concentration) – threshold voltages: –1.5 V for p-channel transistors

+1.5 V for n-channel transistors 1000 Å MOS oxide 8·1014 cm-2 (impurity concentration for p) 5·1015 cm-2 (impurity concentration for n)

2. Oxidation (8000 Å) 3. p-well configuration (mask M1) 4. Implantation (B+) and Diffusion (8÷10 µ junction): 2.3·1013 cm-2 at 100 KeV 5. Source-Drain n-transistor configuration (mask M2) 6. Implantation (P-) and Diffusion 7. Source-Drain p-transistor configuration (mask M3) and protection rings 8. Boron deposition and Diffusion 9. Photolithography (mask M4) – depth junction of n-transistors

and protection rings for p-transistors 10. Phosphorus deposition

Silicon Technology CMOS Technology

11. CVD oxide deposition 12. CVD oxide configuration (mask M5) 13. MOS oxide growth 14. Photolithography (mask M6) – contacts 15. Aluminum deposition 16. Aluminum configuration (mask M7) 17. PSG deposition and pads configuration (mask M8)

The protection rings are necessary to capture the minor carriers and to reduce the sensibility at the thyristor parasitic effect.

The disadvantage of the stop diffusion is the increase of the area and the decrease of the integration density.

The design rules consider all these protection geometries.

curs microsenzori

Documents