Уже на "микроэлектронном" этапе развития на кристаллах кремния с помощью МДП технологии формировали не только логические схемы, процессоры, фоточувствительные матрицы и интегральные устройства памяти, но и разнообразные аналоговые схемы для организации каналов связи, высокоэффективные операционные и другие усилители, мультиплексоры, дискриминаторы, схемы деления, умножения и преобразования частоты, преобразователи формы информации, химически-чувствительные МДП транзисторы, разнообразные сенсоры и актуаторы, и т.д. На "наноэлектронном" этапе развития появились возможности дальнейшего совершенствования всей указанной элементной базы информатики и реализации новых принципов ее построения. В этой лекции мы расскажем вам об основных из этих новых возможностей.
Начнем с преобразователей формы информации – аналого-цифровых (АЦП) и цифро-аналоговых (ЦАП). Уменьшение размеров транзисторов до сотен, а потом и десятков нанометров позволило значительно ускорить работу таких устройств и реализовать на той же площади кремниевого чипа значительно более сложные варианты схем. Созданы, например, и запущены в серийное производство эффективные наноэлектронные
(рис 7.1) Блок-схема АЦП конвейерного типа: ЗАС1 і ЗАС2 – узлы запоминания аналогового сигнала; УВ – узел вычитания и усиления разностного сигнала; ПРг – промежуточный регистр
Входной аналоговый сигнал (Вх) в первом такте работы фиксируется в узле ЗАС1 и передается на вход первого параллельного аналого-цифрового преобразователя (АЦП1). В нем происходит первое, относительно грубое, но быстрое преобразование аналогового сигнала, подаваемого на вход (Вх), в 8-разрядный цифровой код, который определяет лишь старшие 8 разрядов конечного выходного кода. Этот код старших разрядов фиксируется в промежуточном регистре (ПРг) и одновременно подается на вход цифро-аналогового преобразователя (ЦАП). Аналоговый сигнал с выхода ЦАП подается на отрицательный вход узла вычитания и усиления разностного сигнала (УВ). На положительный вход этого узла подается входной аналоговый сигнал из узла ЗАС1. Сигнал разности усиливается точно в 256 раз, передается и фиксируется в узле ЗАС2, из которого во втором такте поступает на вход второго параллельного аналого-цифрового преобразователя (АЦП2). В нем происходит быстрое преобразование разности в 8-разрядный цифровой код, определяющий младшие 8 разрядов конечного выходного кода. На третьем такте 8 старших разрядов из промежуточного регистра (ПРг) и 8 младших разрядов из АЦП2 передаются и фиксируются в выходном регистре, откуда могут считываться внешними электронными узлами.
В АЦП такого типа удается сочетать высокую скорость аналого-цифровых преобразований с достаточной их точностью. Уже выпускаются серийно, например, 16-разрядные наноэлектронные КМДП
Потребность в таких быстрых АЦП возникла, например, при обработке видеосигналов. В 16-мегапиксельной фоточувствительной матрице, упомянутой в лекции 5 (п. 5.6.4), для преобразования в цифровые коды аналоговых сигналов, поступающих от нее с частотой 60 кадров/с, требуется скорость $$16*10^6 \times 60 \approx 10^9$$ преобразований/с. Применяют такие сверхбыстродействующие АЦП не только при обработке видеоизображений, но и в быстродействующих измерительных приборах (спектроанализаторах, цифровых осциллографах, исследовательских установках в ядерной физике и физике высоких энергий), в новейших медицинских приборах, таких, например, как компьютерные томографы, и т.д. Все шире начали их применять и в телекоммуникациях. Ведь появилась возможность непосредственно превращать в цифровые коды сигналы довольно высоких частот, например, промежуточных частот в телерадиоприемниках. При этом отпадает потребность в узлах супергетеродинов, поскольку намного лучшие результаты дает цифровая обработка таких сигналов в быстродействующих сигнальных процессорах. Это открыло путь к широкому применению быстрых наноэлектронных АЦП в цифровом телевидении и в сетях телевидения высокой четкости.
На "наноэлектронном" этапе развития появилась возможность формировать довольно точные АЦП и ЦАП на одном кристалле с КМДП микропроцессором. Предлагаются на рынке и стали широко применяться высокоэффективные микроконтроллеры и микроконверторы, которые наряду с цифровыми входами/выходами имеют и высокоточные аналоговые.
Уже на "микроэлектронном" этапе развития КМДП технологии получили признание и начали широко применяться "химически чувствительные полевые транзисторы". Структура таких транзисторов показана на рис 7.1. От обычных КМДП транзисторов они отличаются тем, что электрод затвора (З) здесь "плавающий", и на него нанесен химически чувствительный слой (ХЧС). Материал этого слоя должен избирательно взаимодействовать и присоединять к себе заданный химический "аналит" (химическое вещество: молекулы, ионы, комплексы), наличие которого надо выявить и определить его концентрацию.
(рис 7.2) Структура химически чувствительных полевых транзисторов с каналом n-типа (слева) и p-типа (справа): ЭИ – электрод истока; ХЧС – химически чувствительный слой; З – затвор; КР – контролируемый раствор; ЭС – электрод стока; ПД – подзатворный диэлектрик
Когда в углубление над ХЧС заливают контролируемый раствор (КР), то его компоненты вступают в контакт с ХЧС. Если среди них имеется аналит, он химически присоединяется к ХЧС, вследствие чего изменяется электрический потенциал затвора (З) и соответственно электрический ток, который течет сквозь транзистор.
Транзисторы с каналом $$n$$-типа более чувствительны к аналитам с положительным электрическим зарядом (катионам), а транзисторы с каналом $$p$$-типа – к аналитам с отрицательным электрическим зарядом (анионам).
Во многих случаях металлический "плавающий" затвор над каналом транзистора вообще может отсутствовать. Его роль исправно выполняют электрические заряды, возникающие при химическом присоединении аналита к химически чувствительному слою.
Если контролируемый раствор является электролитом, то, опуская в него электрод сравнения, можно проводить различные известные виды электрохимических анализов.
Чем меньше размер химически чувствительного полевого транзистора, тем меньший электрический заряд и, следовательно, меньшее количество молекул (атомов, ионов) аналита требуется для того, чтобы существенно изменить электрический ток сквозь транзистор. Таким образом, уменьшение размеров повышает чувствительность таких химических сенсоров.
Если на затвор (З) или непосредственно на подзатворный диэлектрик (ПД) транзистора методами биоинженерии высадить живую клетку, выборочно реагирующую на то или иное внешнее влияние, и если эта ее реакция заметно влияет на электрический ток сквозь транзистор, то получаем микроэлектронный или наноэлектронный биосенсор, чувствительный к соответствующему внешнему влиянию. Высаживая на затвор (З) или непосредственно на подзатворный диэлектрик (ПД) транзистора антитело к возбудителю определенной болезни, можно получить чувствительный иммуносенсор, позволяющий выявить наличие в контролируемом растворе инфекции соответствующего вида.
"Наноэлектронный" этап развития КМДП технологии позволил формировать на одном кристалле кремния сотни химически чувствительных полевых транзисторов, настроенных на десятки-сотни разных аналитов, вместе с соответствующими схемами усиления и электронной обработки полученных сигналов, узлами энергонезависимой памяти для накопления и хранения собранной информации. Если на том же кристалле сформирован еще и микропроцессор, то такой уже "интеллектуальный" сенсор может проводить самодиагностику, автоматическую самокалибровку, учитывать изменения окружающей температуры, "общаться" через тот или иной интерфейс с внешним компьютером или каналом связи. Это открыло путь к созданию функционально завершенных химических и биохимических "лабораторий на чипе".
Уже на "микроэлектронном" этапе развития полупроводниковой технологии были выявлены отличные механические и пьезоэлектрические свойства кремния. Одним из его многочисленных преимуществ являются и очень малые потери энергии при упругих деформациях, что позволяет создавать на основе кремния высокодобротные механические колебательные системы. Формировать такие конструкции можно с использованием тех же технологических процессов, которые обычно применяют в КМДП технологии. Поэтому уже в 90-х гг. ХХ в. нашли признание и применение в информатике не только микросхемы, но также электромеханические конструкции на кремнии. Сокращенно они были названы МЭМС – микроэлектромеханические системы (англ. MEMS – MicroElectroMechanical Systems).
На рис 7.3 показаны основные этапы формирования в кремнии таких микроколебательных систем, как перемычка и кантилевер. Исходная структура, состоящая из кремниевой подложки, относительно толстого слоя окисла кремния ($$SiО_2$$) и тонкого слоя эпитаксиально выращенного кремния, здесь отдельно не показана.
(рис 7.3) Основные этапы формирования микроколебательных систем на кремнии (перемычки – слева и кантилевера – справа): (а) после электронной литографии; (б) после анизотропного травления; (в) после селективного химического травления окисла и удаления резиста
На рис 7.3.а показана исходная структура уже после технологического цикла электронной литографии, в результате которого на поверхности структуры сформирована защитная маска из электронорезиста. Дальше с помощью анизотропного травления в химически активной плазме с не защищенных электронорезистом мест удаляют верхний слой кремния и окисел кремния (рис 7.3. б). Они остаются лишь под маской. На заключительном этапе проводят селективное химическое травление окисла кремния на глубину, несколько превышающую половину ширины узкой части структуры, и смывают маску из резиста. В результате (рис 7.3.в) образуется перемычка приблизительно прямоугольного поперечного сечения, закрепленная концами на двух опорах, и кантилевер – упругий брус прямоугольного сечения, закрепленный лишь с одного конца. Они могут свободно колебаться в плоскости минимального сечения. Обе структуры являются примерами высокодобротных упругих микроколебательных систем. Для перемычки и кантилевера прямоугольного сечения частоту собственных вертикальных колебаний можно рассчитать по формуле $$ \nu_n\approx\frac{\beta_n h}{24\pi l^2}\sqrt{\frac{Y}{\rho}}, $$ где $$l,h$$ – длина и толщина перекладины (кантилевера) соответственно; $$\rho, Y$$ – плотность и модуль Юнга материала, из которого они сделаны; $$\beta_n$$ – корень характеристического уравнения задачи Штурма-Лиувилля для упругих колебаний. Решение этой задачи дает для наименьшей (основной) частоты колебаний такие значения корня: $$\beta_n\approx 22,4$$ – для перемычки и $$\beta_n\approx 3,52$$ – для кантилевера.
Таким образом, основным фактором, определяющим частоту собственных колебаний микро- и нано- перемычек и кантилеверов, является соотношение их геометрических размеров $$h,l^2$$. Если на перемычку или на кантилевер наносится какая-то дополнительная масса, то частота собственных колебаний несколько изменяется, что позволяет строить на них чувствительные сенсоры, о которых речь пойдет ниже.
Кремниевая нанотехнология позволила формировать упругие кантилеверы и перемычки из кремния толщиной менее 30 нм и поднять частоту собственных колебаний до сотен мегагерц. А это важно потому, что от частоты колебаний зависят и чувствительность, и точность, и быстродействие работы приборов на таких элементах.
Поочередно комбинируя технологические процессы (і) нанесения новых слоев, (іі) литографии и (ііі) травления, удается создавать довольно сложные механические, электромеханические, оптико-механические и другие микро- и нано- конструкции на пластинах кремния.
В перечень этих конструкций кроме разнообразных чувствительных сенсоров, главные из которых мы рассмотрим ниже, входят также исполнительные микромеханические узлы ("актуаторы"): микро- и нано- двигатели, насосы, поршни, приводы, редукторы, реле, элементы гидравлики и пневматики, поворотные зеркала, сопла и т.п.
В сочетании с КМДП технологией они позволяют в едином групповом технологическом процессе формировать на пластинах кремния более или менее завершенные системы информатики и автоматики, в состав которых входят:
Один из простейших примеров микроэлектромеханического исполнительного узла показан на рис 7.4.
(рис 7.4) Микрофотография группы исполнительных реле одной из МЭМС на кремнии: 1 – спаренное термореле для стабилизации температуры; 2, 3 – отдельные релейные пары с электростатическим управлением
Изображенные здесь микрореле еще микронных размеров предназначены для включения/выключения относительно мощных электрических приборов. Подвижные контакты сформированы из высоколегированного поликристаллического кремния, их контактные концы и соответствующие контактные площадки позолочены. Подвижные контакты 1 спарены между собой (соединены золотой перемычкой), чтобы пропускать вдвое больший электрический ток. В них на поликремний гальванически осажден слой никеля, и поэтому они выполняют функции биметаллического термореле. Подвижные контакты 2 и 3 независимо друг от друга управляются электростатическими силами, возникающими между ними и расположенными ниже электродами в случае подачи на последние соответствующего электрического потенциала.
Автоматизированное проектирование и изготовление МЭМС рассматриваются сейчас как новое перспективное направление в машиностроении, которое будет опережающими темпами развиваться в ХХІ в. Главной особенностью этого направления машиностроения является то, что оно становится экономически выгодным лишь при изготовлении очень больших промышленных партий изделий (см. примеры упражнения 7.4). Ведь для изготовления МЭМС обязательными являются высокочистые условия производства, применение довольно сложного прецизионного автоматизированного производственного оборудования. Поэтому и фабрики для изготовления МЭМС стоят очень дорого. В процессе производства их стоимость и стоимость их обслуживания и эксплуатации переносятся на стоимость изделий. Изготовление партий в несколько сотен или тысяч схем оказывается очень дорогим. И лишь в том случае, когда в групповых технологических процессах изготовляют одновременно сотни тысяч – миллионы одинаковых МЭМС, удельная себестоимость каждой из них становится относительно низкой, экономически выгодной. Этому содействуют и относительно небольшие затраты на материалы и энергообеспечение, на восстановление окружающей среды и на ручную работу.
Использование МЭМС в экономике, в т.ч. в информатике и при изготовлении различного рода информационно-управляющих систем, принесет большие выгоды: уменьшение энергопотребления и расхода материальных ресурсов, намного меньшее влияние на окружающую среду, повышение эффективности всех производственных процессов и эффективности функционирования сферы обслуживания.
Использование наноразмерных элементов и нанотехнологий в производстве МЭМС повышает его экономичность, так как, во-первых, улучшает технические характеристики элементов и систем в целом и, во-вторых, на пластинах кремния становится возможным одновременно формировать в десятки–сотни–тысячи раз больше элементов и узлов. И, благодаря этому, удельная стоимость каждого из них дополнительно во много раз уменьшается.
В лекции 1 мы уже рассказывали о применении кремниевых нанокантилеверов в атомно-силовой микроскопии для визуализации мельчайших объектов, даже отдельных молекул. Тонкие и гибкие
Другое применение нанокантилеверов – это создание очень чувствительных вибрационных сенсоров. На рис 7.5 показана конструкция из трех нанокантилеверов 1, сформированных в пластине кремния 2. Справа один из кантилеверов показан в увеличенном виде. На верхней его поверхности сформирована чувствительная зона 3 и пьезорезистор 4, на нижнюю поверхность нанесен тонкопленочный металлический электрод 5. Для возбуждения и поддержания незатухающих упругих колебаний кантилеверов используют электростатические силы, возникающие при подаче переменного напряжения между заземленным электродом 6, сформированным на кремниевой подложке, и индивидуальным электродом 5 каждого кантилевера. Требуемую для этого обратную связь обеспечивают пьезорезисторы 4, сформированные возле закрепленного конца кантилевера в месте сосредоточения наибольших упругих деформаций. При колебаниях кантилевера через пьезорезистор 4 течет переменный ток с частотой колебаний кантилевера.
Электронные схемы обратной связи, сформированные в том же кристалле кремния, обеспечивают поддержание незатухающих собственных колебаний кантилевера и подачу переменного напряжения соответствующей частоты на узлы точного измерения частоты.
(рис 7.5) Конструкция из трех кремниевых нанокантилеверов, на которых формируются вибрационные наносенсоры: 1 – кантилеверы; 2 – основа из кремния; 3 – чувствительная зона; 4 – пьезорезистор; 5 – пленочный металлический электрод, 6 – электрод для возбуждения и поддержания упругих механических колебаний
Для нанокантилеверов собственные частоты, как мы уже писали, составляют от единиц до сотен мегагерц. Чувствительная зона 3 представляет собой пассивированную тонкую пленку золота, на которую осажден "рецепторный" слой – молекулы. Они избирательно и сильно связываются лишь с определенным "аналитом" (аминокислотой, белком, вирусом, молекулами токсина, которые надо выявить). Если этот аналит присутствует в среде, с которой контактирует кантилевер, то аналит химически связывается с рецепторным слоем. Обусловленное этим изменение массы кончика кантилевера вызывает соответствующее изменение частоты его упругих колебаний, которое легко фиксируют узлы точного измерения частоты.
Порог чувствительности сенсоров на нанокантилеверах позволил зафиксировать присоединение к чувствительной зоне даже одного вируса или молекулы аминокислоты и оценить массу присоединенного объекта – по величине изменения частоты колебаний.
В одной кремниевой микросхеме удается сформировать десятки–сотни сенсоров на нанокантилеверах вместе со всеми необходимыми электронными схемами. Автоматизированные установки микротитрования позволяют по заданной программе высадить на чувствительную зону каждого кантилевера свой "рецепторный слой", создавая настоящую биохимическую лабораторию на чипе.
На рис 7.6 показана конструкция чувствительного узла микромеханического акселерометра: вверху – в вертикальном сечении, внизу – вид в плане. В подложке из кремния 1 вытравлены участки 2 таким образом, что относительно значительная инертная масса 3 свободно висит лишь на тонких (~ 100 нм) упругих перемычках 4. На небольшом (~ 1 мкм) расстоянии сверху и снизу от инертной массы 3 расположены пленочные металлические электроды 5 и 6. Пространство между ними заполнено вязкой, неэлектропроводящей жидкостью, играющей роль демпфера. Все названные выше элементы закреплены в рамке акселерометра 7, жестко связанной с подвижным объектом.
Инертная масса 3 в такой конструкции может свободно колебаться и перемещаться вдоль оси акселерометра, перпендикулярной к плоскости инертной массы. При этом изменяется величина электрических емкостей между кремниевой инертной массой 3 и электродами 5 и 6, поскольку последние остаются неподвижными. Эти емкости включены в разные плечи электрической мостовой схемы переменного тока. Ее балансируют так, чтобы при отсутствии ускорения сигнал на выходе равнялся нулю.
(рис 7.6) Конструкция микромеханического кремниевого акселерометра
Когда объект, на котором установлен акселерометр, движется с ускорением вдоль оси акселерометра, инертная масса 3 смещается в противоположную сторону от направления ускорения. Вследствие этого одна из электрических емкостей уменьшается, а другая возрастает. Баланс мостовой схемы нарушается, и на ее выходе появляется электрическое напряжение соответствующего знака. Величина этого напряжения тем больше, чем больше ускорение.
Мостовую электрическую схему, генератор переменного тока, усилитель и преобразователь сигналов в цифровой код, элементы термокомпенсации, балансировки и калибровки, – все, что нужно для функционирования акселерометра, формируют на том же кристалле кремния.
Альтернативным описанному емкостному варианту акселерометра является "пьезорезистивный" вариант. В этом, альтернативном, варианте пленочные металлические электроды отсутствуют. Вместо этого на упругих перемычках 4 в местах максимальных упругих деформаций формируют кремниевые пьезорезисторы, изменение электрического сопротивления которых пропорционально упругой деформации, а следовательно и силе, действующей на инертную массу 3 во время ускорения. А в местах, где механическое напряжение не возникает, формируют референтные пьезорезисторы, используемые для автоматической термокомпенсации результатов измерений.
На одном и том же кристалле удается сформировать пьезорезистивные акселерометры, в которых оси перемещения инертных масс взаимно перпендикулярны. В таких двух- или трехосных акселерометрах одновременно измеряются 2 или 3 пространственные компоненты вектора ускорения.
Номенклатура МЭМС акселерометров, выпускаемых промышленно, охватывает диапазон от малых значений ускорения (1-10)g до больших (50–500)g с точностью от 3 до 20% и с частотой считывания до десятков килогерц.
Как известно из механики, свою ориентацию в пространстве стараются сохранять не только быстро вращающиеся тела, но и механические колебательные системы. Еще в школе нам рассказывали, например, о маятнике Фуко, который, сохраняя неизменной плоскость своих колебаний в пространстве, позволяет нам самим наблюдать за вращением нашей планеты вокруг своей оси.
Предложены и исследованы уже десятки разных конструкций микромеханических гироскопов-акселерометров. Наилучшие из них уже давно доведены до серийного производства. Мы объясним здесь лишь общие принципы их действия. Все они используют известное явление возникновения сил (ускорений) Кориолиса. Это явление заключается в том, что на тело, движущееся со скоростью $$\overrightarrow{v}$$ в системе координат, вращающейся с векторной угловой скоростью $$\overrightarrow{\Omega}$$, действует ускорение Кориолиса $$ \overrightarrow{a}=2\left\lfloor\overrightarrow{v}\times\overrightarrow{\Omega}\right\rfloor. $$ Оно направлено ортогонально к плоскости, построенной на векторах $$\overrightarrow{v}$$ и $$\overrightarrow{\Omega}$$. Напомним, что вектор угловой скорости по направлению совпадает с осью вращения, ориентирован в направлении перемещения острия правого буравчика и по длине равен модулю угловой скорости.
На рис 7.7 показана вытравленная в пластине кремния инерционная масса 1, соединенная тонкими упругими перемычками (подвесками) 2 с основной массой кристалла кремния 3. Показана также пространственная система координат OXYZ, относительно которой мы будем давать объяснения. С помощью дополнительного электрода и электростатических сил, возникающих между ним и инертной массой 1 при подаче переменного напряжения между ними, можно вынудить инертную массу 1 осуществлять колебания на упругих подвесках 2 в направлении оси ОХ. Ось OY, которая проходит через подвески, называют главной осью сенсора.
Если объект, на котором установлен сенсор, начнет вращаться вокруг этой главной оси, то инерционная масса получит ускорение Кориолиса, направленное вдоль оси OZ. Поскольку скорость движения инерционной массы 1 в процессе колебаний вдоль оси ОХ меняется по синусоидальному закону, то и ускорение Кориолиса вдоль оси OZ тоже будет изменяться по синусоидальному закону. Поэтому инерционная масса 1 начнет колебаться и в направлении оси OZ. Амплитуда этих колебаний пропорциональна угловой скорости вращения. Измеряя ее, можно вычислить скорость вращения объекта вокруг оси OY.
(рис 7.7)
Описанная структура, как и структура, показанная на рис 7.6, пригодна также для одновременного измерения линейного ускорения объекта, направленного вдоль оси OZ. Действительно, ускорение в этом направлении приводит к некоторому смещению положения инертной массы 1 в противоположном направлении. Измеряя это смещение, можно определить и величину линейного ускорения.
Инерционную массу 1 можно вынудить колебаться в направлении оси OZ. Тогда вращение объекта вокруг главной оси OY сенсора приведет к возникновению колебаний в направлении оси ОХ. Измеряя их амплитуду и фазу, можно определить направление и скорость вращения. Одновременно измеряя смещение центральной точки колебаний в направлении оси OZ, можно вычислить компоненту линейного ускорения, направленную вдоль этой оси.
Наноэлектромеханическая технология позволила формировать на одном кристалле кремния одновременно три таких колебательных системы с главными осями, ориентированными под прямыми углами одна к другой. Это позволяет одновременно измерять скорость вращения вокруг трех пространственных осей и все три пространственных компоненты ускорения.
Постоянно измеряя направление и скорость вращения, вычисляют суммарный угол поворота объекта относительно его первоначальной ориентации. И результаты измерения ускорений по известным формулам перехода от одной системы координат к другой пересчитывают в ускорение относительно исходной системы отсчета. Благодаря этому микросхема с такими сенсорами и полным набором электронных узлов, необходимых для получения, усиления, обработки сигналов и расчета пространственного положения объекта, трех компонент его линейного ускорения и трех компонент скорости вращения, одновременно выполняет функции и гироскопа, и акселерометра, и сенсора скорости вращения.
Такие микросхемы уже выпускают серийно и успешно используют на космических аппаратах, самолетах, кораблях, подводных лодках, в системах автоматического управления автомобилями и в системах их автоматической электронной стабилизации.
Значительным спросом пользуются также
(рис 7.8) Варианты механической структуры микросистемных сенсоров давления: 1 – кремниевая мембрана; 2 – подложка из кремния; 3 – толстый слой окисла; 4 и 5 – объемы с разным давлением с разных сторон мембраны
В вариантах, показанных на рис 7.8 вверху, упругая мембрана (1) сформирована из тонкого слоя поликристаллического кремния, нанесенного на относительно толстый слой окисла (3) на основе из монокристаллического кремния (2). Окисел под мембраной вытравлен, благодаря чему снизу под мембраной (1) образуется пустота (микрокамера) 5. В вариантах, показанных на рис 7.8 внизу, упругая мембрана (1) представляет собой тонкий слой монокристаллического кремния, сформированного в самой основе (2) по технологии двухстороннего анизотропного травления. Слева показаны варианты с однородной мембраной, справа – варианты, в которых мембрана имеет относительно жесткую, толстую середину и более тонкие перемычки на краях.
В плане мембрана из кремния чаще всего имеет форму квадрата, реже - правильного многоугольника или круга.
Для измерения разности давлений применяют пьезорезистивный, емкостной или оптический методы. В первом методе с помощью пьезорезисторов измеряют степень деформации мембраны, пропорциональную разности давлений. Пьезорезисторы формируют в местах наибольшего сосредоточения деформаций мембраны. Поэтому чаще всего используют конструктивные варианты, изображенные на рис 7.8 справа. Наибольшие деформации в них сосредоточены в тонких перемычках, там и формируют пьезорезисторы. Пример показан на рис 7.9.
(рис 7.9) Пример топологии пьезорезистивного сенсора давления: 1 – основа из кремния; 2 – тонкая перемычка из поликремния; 3 – измерительные пьезорезисторы; 4 – толстая часть поликремниевой мембраны; 5 – компенсационные пьезорезисторы; 6 – пленочные металлические межсоединения; 7 – подмембранная камера; 8 – слой окисла; 9 – контактные площадки мостовой схемы
Вверху сенсор давления показан в сечении, внизу – его вид в плане. Четыре пьезорезистора сформированы в "теле" тонкой перемычки из поликристаллического кремния (2). Два из них (3) ориентированы в направлении максимальных деформаций, другие два (5) – поперек направления максимальных деформаций. Все они с помощью пленочных металлических межсоединений (6) образуют мостовую схему, которая при отсутствии разности давлений с обеих сторон мембраны сбалансирована так, чтобы на выходе было нулевое напряжение.
Когда давления с разных сторон мембраны разнятся, мембрана прогибается в сторону меньшего давления. Измерительные пьезорезисторы 3 растягиваются или сжимаются, вследствие чего их электрическое сопротивление меняется. Компенсационные пьезорезисторы практически не ощущают деформации, их электрическое сопротивление остается неизменным. И поэтому равновесие мостовой схемы нарушается, и на ее выходе появляется напряжение, пропорциональное разности давлений.
Если камеру 7 под мембраной сделать герметичной с вакуумом внутри, то получим сенсор абсолютного давления.
Для реализации емкостного метода измерения давления используют структуру, изображенную на рис 7.8 вверху слева. В этом случае на поверхности монокристаллического кремния в камере под мембраной формируют пленочный металлический электрод и измеряют электрическую емкость между ним и мембраной. При деформациях мембраны эта емкость увеличивается или уменьшается.
Наноэлектронная кремниевая технология позволила, например, сформировать в одном кристалле, кроме мембранного датчика давления, также датчик температуры, все электронные узлы, требуемые для считывания и обработки сигналов, и микроминиатюрный радиопередатчик миллиметрового диапазона. В результате миллионными сериями промышленно выпускаются, например, миниатюрные сенсоры давления и температуры воздуха внутри автомобильных шин (рис 7.10 слева).
(рис 7.10) Система контроля давления и температуры внутри автомобильных шин. Слева – наноэлектронный сенсор, справа – центральный блок индикации и сигнализации
Их размещают внутри шины возле ее штуцера так, чтобы они не мешали эксплуатации шины, ее вращению, монтажу, демонтажу, балансировке. Основную массу сенсора составляет масса батарейки питания, энергоемкости которой хватает на 5 лет беспрерывной работы сенсора. Информация о давлении и температуре внутри шины передается бесконтактно, причем каждый сенсор передает также и свой индивидуальный код, который позволяет легко определить, от какой именно шины пришли переданные данные.
Центральный блок с микрокомпьютером (рис 7.10, справа) находится в кабине водителя. На его индикаторе условно изображен автомобиль со всеми шинами и показываются измеренные значения давления и температуры в каждой шине. Использование таких сенсоров оказалось настолько эффективным и важным для повышения безопасности движения грузовиков, что в США, например, все автомобили массой более 4,5 т теперь обязательно должны быть оснащены подобными системами мониторинга давления и температуры в шинах.
Один из вариантов реализации оптического метода измерения давления показан на рис 7.11. Над подложкой 1 из монокристаллического кремния сформирована мембрана 2, на которую снизу нанесено зеркальное покрытие 3. Сквозь отверстие в подложке проходит керн 4 оптического волокна 5. На торец волокна 4 нанесено полупрозрачное зеркальное покрытие. Между ним и покрытием 3 образуется оптический резонатор. Подмембранная камера 6 герметически закрыта. Сверху сенсор давления механически защищен коническим кожухом К, а снизу и сбоку – капелькой герметика 7.
(рис 7.11) Пример реализации микроминиатюрного сенсора давления на кремнии с оптическим методом измерения
Через оптическое волокно 5 в резонатор проходит монохроматический свет. Многократно отражаясь от зеркальных покрытий мембраны и волокна, световые волны интерферируют. Поэтому интенсивность отраженного обратно в волокно света существенно зависит от величины прогиба мембраны 2 и таким образом - от величины внешнего давления.
Используя микросистемную технологию, такой чувствительный к внешнему давлению элемент удалось сделать диаметром меньше 0,5 мм, включая защитный конический колпачок К и твердый герметик 7. Внешний вид чувствительного элемента показан на рис 7.11 справа вверху на фоне пальцев, которые его держат за оптическое волокно, и ушка иглы, сквозь которое волокно продето. С помощью иглы-катетера 8 внешним диаметром меньше 1 мм, которая показана справа внизу, чувствительный элемент 9 на тонком оптическом волокне 10 можно ввести в контролируемый объем для измерения давления. В медицине, например, такие сенсоры применяют для контроля внутричерепного давления, давления в легочной артерии, куда иначе никак нельзя добраться.
Возможность создания на основе химически чувствительных полевых транзисторов и на основе вибрационных сенсоров на кантилеверах функционально завершенной аналитической "лаборатории на чипе" побуждала ученых и инженеров к созданию микрофлюидных картриджей. Сначала картриджи задумывались как насадки на кристалл кремния, сделанные из стекла или из пластмассы, в которых формировались микропроточные канавки. По ним к химически чувствительным сенсорам доставляется контролируемое вещество (жидкость или газ – отсюда и обобщенное название "флюид"), а потом удаляются остатки, проводятся промывка и регенерация сенсоров (рис 7.12).
(рис 7.12) Слева – микрофотография участка микропроточного картриджа, прикрепленного к поверхности кристалла кремния с массивом химически чувствительных элементов: 1 – трубки для подвода и отвода жидкостей (газов); 2 – микропроточные канавки; 3 – химически чувствительные сенсоры на кристалле кремния; М – область кристалла, на которой сформированы микроузлы обработки сигналов и хранения результатов измерений. Справа – картридж для биохимического анализа на кристалле одновременно многих проб жидкостей (газов)
Однако в дальнейшем оказалось, что с помощью микросистемных технологий на кристалле кремния можно сформировать не только сеть микропроточных канавок, но и клапаны в канавках, закрыванием/открыванием которых могут управлять электронные узлы, размещенные на том же кристалле кремния.
Структуру и принцип действия одного из вариантов таких клапанов объясняет рис 7.13. В пластине кремния 1 вытравлена глубокая микропроточная канавка 2. В месте расположения клапана в ней сформированы выступ 3 и с противоположной стороны от канавки – глубокая ямка 4 таким образом, чтобы между ней и канавкой осталась тонкая упругая перепонка (мембрана) 5. Все стенки окислены ($$SiО_2$$). Поверх окисла на выступе 3 и на отдаленной стенке ямки 4 сформированы металлические электроды 6 и 7 с выводами к управляющим узлам.
(рис 7.13) Вид в плане участка микропроточной канавки с клапаном: слева – с максимально открытым, справа – с закрытым клапаном, в центре – в нейтральном положении. 1 – кремний; 2 – микропроточная канавка; 3 – выступ в стенке канавки; 4 – ямка напротив выступа 3; 5 – узкая упругая перегородка из кремния; 6, 7 – электроды
Когда на электроды 6 и 7 напряжение не подано, мембрана 5 находится в нейтральном положении (изображение в центре) и пропускная способность клапана – средняя. Если подать электрический потенциал на электрод 7, то мембрана 5 притягивается к нему, благодаря чему пропускная способность клапана возрастает (изображение слева). Если же подать электрический потенциал на электрод 6, то мембрана 5 притягивается к нему, перекрывая канал (изображение справа). Пропускная способность клапана уменьшается, и в конце концов канал полностью перекрывается.
Благодаря возможности точного автоматического управления пропускной способностью клапанов, кремниевые микрофлюидные чипы оказались намного более функциональными, чем стеклянные или пластмассовые. Они позволяют точно дозировать и точно доставлять в заданные места нужные жидкости или газы в точно определенные моменты времени. С их помощью можно дозировать мизерные объемы жидких и газовых смесей заведомо определенного состава.
Известно, что в живой природе в качестве информационных сигналов часто применяются те или другие химические посредники – ароматические вещества, гормоны, нейромедиаторы, феромоны, фитонциды и т.п. Микрофлюидные чипы способны выступать в роли своеобразных устройств кодирования информации в химические сигналы, т.е. в роли своеобразных "модуляторов", выделяющих в заданные моменты времени заведомо известные дозы тех или других веществ.
Совместно с "аналитическими" чипами микрофлюидные чипы позволили создать многофункциональные завершенные аналитические "лаборатории на чипе", работу которых можно программировать. Именно на основе такого объединения и разрабатываются, например, "искусственные поджелудочные железы", которые будут вживляться в организм людей, больных сахарным диабетом 1-го типа. Они будут автоматически измерять концентрацию глюкозы в крови человека и выделять нужные, точно отмеренные дозы инсулина, регулируя уровень глюкозы не хуже, чем это делает естественная здоровая поджелудочная железа.
Уже на "микроэлектронном этапе" развития в микрофлюидных чипах начали создавать также химические микрореакторы с контролируемыми температурой и скоростью подачи реагентов и отвода продуктов реакции, а также фильтры для отделения от жидкости или от газа отдельных компонентов. Используя микропроточные канавки разных размеров, удается, например, отделять от маленькой капли крови ее плазму и отдельные элементы - эритроциты, лейкоциты, моноциты и т.д.
На слева показано, например, изображение микропроточной канавки шириной 280 нм с входным и выходным отверстиями на концах.
(рис 7.14) Изображения в растровом электронном микроскопе отдельной микропроточной канавки с входным отверстием (слева) и системы ортогональных канавок для разделения пробы (справа)
Справа показана система ортогональных канавок: продольных шириной 200 нм и поперечных шириной 50 нм. Если сквозь крайние продольные канавки прокачивать контролируемую смесь, а из средних канавок выкачивать отфильтрованную часть этой смеси, то в последней не останется частиц размером свыше 50 нм, а смесь, прокачанная сквозь крайние канавки, будет обогащена такими частицами.
В диапазон размеров от одного до сотен нанометров попадает значительное число микробиологических объектов (вирусы, субклеточные структуры, ферменты, РНК, ДНК и т.д.), а также больших и средних молекул. Поэтому создание нанофлюидных чипов дало в руки микробиологов, молекулярных биологов, биохимиков и химиков принципиально новый инструмент для исследований и для манипулирования такими нанообъектами.
Микрофлюидные чипы с успехом применяются также в головках современных быстродействующих струйных принтеров. Достигнутую в них высокую точность регулирования потоков может иллюстрировать, например, тот факт, что элементарная порция чернил составляет в них уже всего несколько пиколитров (10-6 мм3).
Микрофлюидные чипы оказались эффективными также для охлаждения наноэлектронных микропроцессорных блоков со значительным выделением тепла с помощью быстро циркулирующей в чипе жидкости, прокачиваемой одновременно сквозь сотни тысяч канальцев.
Еще в 2001 г. был построен действующий
(рис 7.15) Микрофотография в РЭМ наноэлектромеханического транзистора Блайка (2001 г.). В левом верхнем углу – электрическая схема подключения транзистора: 1 – "маятник"; 2, 3 – управляющие электроды; И – исток; С – сток; U – напряжение питания; ~ – переменное напряжение на затворе
Подвижным элементом транзистора является механический "маятник" 1. Если между электродами управления 2 и 3 приложить переменное напряжение (аналог напряжения на затворе транзистора), то маятник начинает колебаться с частотой этого напряжения. В 2001 г., когда размеры транзистора были такими, как показано на микрофотографии, частота колебаний достигала 100 МГц. Ныне транзистор может быть сделан значительно меньше, и соответственно предельная частота колебаний возрастет до гигагерц. Кремниевый "челнок", расположенный на конце маятника, электрически изолирован от "тела" маятника окислом кремния ($$SiО_2$$). Когда "челнок" соприкасается с электродом истока (И), то благодаря туннельному эффекту на него переходит один электрон. А при следующем касании к электроду стока (С) этот электрон переносится на сток.
Средняя величина электрического тока сквозь транзистор, т.е. электрический заряд, переносимый в единицу времени, определяется частотой колебаний. Следовательно, этот транзистор преобразует частоту колебаний в пропорциональный ей электрический ток или в напряжение. Преимуществом является то, что электрический ток сквозь такой транзистор практически не имеет шумовой компоненты и может легко стыковаться с одноэлектронными схемами. Отметим, что при одинаковой проектно-технологической норме размеры наноэлектромеханического транзистора заметно превышают размеры полевых транзисторов. Поведение описанных транзисторов при размерах, когда длина волны де Бройля для электронов проводимости станет больше размера элементов транзистора, т.е. в "квантово-механическом диапазоне", еще не исследовано.
Уже на "микроэлектронном" этапе развития КМДП технологии с ее помощью на кристаллах кремния формировали не только логические схемы, процессоры, фоточувствительные матрицы и устройства памяти, но и разнообразные аналоговые схемы для реализации каналов связи, высококлассные операционные и другие усилители, мультиплексоры, дискриминаторы, схемы деления, умножения и преобразования частоты, преобразователи формы информации, химически-чувствительные МДП транзисторы, разнообразные сенсоры, актуаторы и т.д. Наноэлектронные размеры обеспечили возможность дальнейшего совершенствования всей указанной элементной базы информатики и реализации новых принципов ее построения.
Уменьшение размеров транзисторов до сотен, а потом и десятков нанометров позволило значительно ускорить работу преобразователей формы информации – АЦП и ЦАП, реализовать на той же площади кремниевого чипа значительно более сложные варианты схем. Созданы, например, и запущены в серийное производство эффективные наноэлектронные
Химически чувствительные полевые транзисторы отличаются тем, что в них на электрод затвора нанесен химически чувствительный слой, выборочно взаимодействующий только с определенным химическим "аналитом". Вследствие этого изменяется электрический потенциал затвора и электрический ток, текущий сквозь транзистор. Во многих случаях электрод затвора над каналом транзистора вообще может отсутствовать. Его роль выполняют электрические заряды, возникающие при химическом присоединении аналита к химически чувствительному слою. Если контролируемый раствор является электролитом, то, опуская в него электрод сравнения, можно проводить различные виды электрохимических анализов. Уменьшение размеров повышает чувствительность таких химических сенсоров. "Наноэлектронный" этап развития КМДП технологии позволил формировать на одном кристалле кремния сотни химически чувствительных полевых транзисторов, настроенных на десятки-сотни разных аналитов, вместе с соответствующими схемами усиления и электроникой обработки полученных сигналов, узлами энергонезависимой памяти для накопления и хранения собранной информации. Если на том же кристалле сформирован еще и микропроцессор, то такой уже "интеллектуальный" сенсор может проводить самодиагностику, автоматическую калибровку, учитывать изменения окружающей температуры, "общаться" через тот или иной интерфейс с внешним компьютером или каналом связи.
Уже на "микроэлектронном" этапе были выявлены отличные механические и пьезоэлектрические свойства кремния, в частности, очень малые потери энергии при упругих деформациях, что позволило создавать на основе кремния высокодобротные механические колебательные системы. В 90-х гг. ХХ в. нашли признание и применение в информатике многие микроэлектронные электромеханические системы (МЭМС) на кремнии. Сейчас автоматизированное проектирование и изготовление МЭМС рассматриваются как перспективное направление в машиностроении, которое будет опережающими темпами развиваться в ХХІ в. Это направление становится экономически выгодным лишь при изготовлении очень больших промышленных партий изделий. Использование нанотехнологий и наноэлементов в производстве МЭМС повышает его эффективность, поскольку на пластинах кремния становится возможным одновременно формировать в десятки-сотни-тысячи раз больше элементов и узлов.
Одним из примеров наноэлектромеханических элементов являются кремниевые
Упругие свойства наноразмерных перемычек из кремния и возможность формировать на этих перемычках чувствительные пьезорезисторы позволили создать в кремнии высокочувствительные микромеханические акселерометры, гироскопы, датчики скорости вращения. Нанотехнология позволила формировать на одном кристалле кремния одновременно три колебательных системы с главными осями, ориентированными под прямыми углами одна к другой. Благодаря этому можно одновременно измерять скорость вращения вокруг трех пространственных осей и все три пространственных компоненты вектора ускорения.
Существенно улучшились также технические параметры и экономичность микросистемных сенсоров давления на кремнии.
Значительный прогресс наблюдается в разработке и применении микрофлюидных кремниевых чипов, в составе которых формируют не только сеть микропроточных каналов, а и электрически управляемые клапаны, способные автоматически регулировать пропускную способность каналов, точно дозировать и доставлять в определенное место нужные жидкости (газы) в точно определенные моменты времени. Микропроточные канавки субмикронных размеров позволяют отфильтровать и рассортировать по размерам разнообразные микробиологические объекты (вирусы, субклеточные структуры, ферменты, РНК, ДНК, и т.д.), большие и даже средние по размерам молекулы. Микрофлюидные чипы с успехом применяют в головках современных быстродействующих струйных принтеров, для охлаждения наноэлектронных микропроцессорных блоков со значительным выделением тепла и т.д.
В сочетании с "аналитическими" чипами микрофлюидные чипы стали основой для создания многофункциональных завершенных аналитических "лабораторий на чипе", работу которых можно программировать.
В целом разнообразные кремниевые чувствительные элементы в сочетании с КМДП технологией позволяют в едином групповом технологическом процессе формировать на пластинах кремния интегрированные, завершенные системы информатики и автоматики, в состав которых входят сенсоры, как источники первичной информации об объекте изучения (наблюдения) или управления, узлы усиления и первичной обработки сигналов, аналого-цифровые преобразователи, цифровые процессоры, узлы памяти, коммутаторы, узлы внешнего интерфейса, цифро-аналоговые преобразователи, исполнительные микромеханические узлы для управления объектом или для осуществления активных обратных связей с объектом изучения.
Подводя итог лекциям 5-7, можно утверждать, что и на "наноэлектронном" этапе развития кремниевая электроника остается наиболее освоенной, экономически выгодной, основной частью НЭБИ. Такой она будет и в ближайшие годы.
Уже на "микроэлектронном" этапе развития на кристаллах кремния с помощью МДП технологии формировали не только логические схемы, процессоры, фоточувствительные матрицы и интегральные устройства памяти, но и разнообразные аналоговые схемы для организации каналов связи, высокоэффективные операционные и другие усилители, мультиплексоры, дискриминаторы, схемы деления, умножения и преобразования частоты, преобразователи формы информации, химически-чувствительные МДП транзисторы, разнообразные сенсоры и актуаторы, и т.д. На "наноэлектронном" этапе развития появились возможности дальнейшего совершенствования всей указанной элементной базы информатики и реализации новых принципов ее построения. В этой лекции мы расскажем вам об основных из этих новых возможностей.
Начнем с преобразователей формы информации – аналого-цифровых (АЦП) и цифро-аналоговых (ЦАП). Уменьшение размеров транзисторов до сотен, а потом и десятков нанометров позволило значительно ускорить работу таких устройств и реализовать на той же площади кремниевого чипа значительно более сложные варианты схем. Созданы, например, и запущены в серийное производство эффективные наноэлектронные
(рис 7.1) Блок-схема АЦП конвейерного типа: ЗАС1 і ЗАС2 – узлы запоминания аналогового сигнала; УВ – узел вычитания и усиления разностного сигнала; ПРг – промежуточный регистр
Входной аналоговый сигнал (Вх) в первом такте работы фиксируется в узле ЗАС1 и передается на вход первого параллельного аналого-цифрового преобразователя (АЦП1). В нем происходит первое, относительно грубое, но быстрое преобразование аналогового сигнала, подаваемого на вход (Вх), в 8-разрядный цифровой код, который определяет лишь старшие 8 разрядов конечного выходного кода. Этот код старших разрядов фиксируется в промежуточном регистре (ПРг) и одновременно подается на вход цифро-аналогового преобразователя (ЦАП). Аналоговый сигнал с выхода ЦАП подается на отрицательный вход узла вычитания и усиления разностного сигнала (УВ). На положительный вход этого узла подается входной аналоговый сигнал из узла ЗАС1. Сигнал разности усиливается точно в 256 раз, передается и фиксируется в узле ЗАС2, из которого во втором такте поступает на вход второго параллельного аналого-цифрового преобразователя (АЦП2). В нем происходит быстрое преобразование разности в 8-разрядный цифровой код, определяющий младшие 8 разрядов конечного выходного кода. На третьем такте 8 старших разрядов из промежуточного регистра (ПРг) и 8 младших разрядов из АЦП2 передаются и фиксируются в выходном регистре, откуда могут считываться внешними электронными узлами.
В АЦП такого типа удается сочетать высокую скорость аналого-цифровых преобразований с достаточной их точностью. Уже выпускаются серийно, например, 16-разрядные наноэлектронные КМДП
Потребность в таких быстрых АЦП возникла, например, при обработке видеосигналов. В 16-мегапиксельной фоточувствительной матрице, упомянутой в лекции 5 (п. 5.6.4), для преобразования в цифровые коды аналоговых сигналов, поступающих от нее с частотой 60 кадров/с, требуется скорость $$16*10^6 \times 60 \approx 10^9$$ преобразований/с. Применяют такие сверхбыстродействующие АЦП не только при обработке видеоизображений, но и в быстродействующих измерительных приборах (спектроанализаторах, цифровых осциллографах, исследовательских установках в ядерной физике и физике высоких энергий), в новейших медицинских приборах, таких, например, как компьютерные томографы, и т.д. Все шире начали их применять и в телекоммуникациях. Ведь появилась возможность непосредственно превращать в цифровые коды сигналы довольно высоких частот, например, промежуточных частот в телерадиоприемниках. При этом отпадает потребность в узлах супергетеродинов, поскольку намного лучшие результаты дает цифровая обработка таких сигналов в быстродействующих сигнальных процессорах. Это открыло путь к широкому применению быстрых наноэлектронных АЦП в цифровом телевидении и в сетях телевидения высокой четкости.
На "наноэлектронном" этапе развития появилась возможность формировать довольно точные АЦП и ЦАП на одном кристалле с КМДП микропроцессором. Предлагаются на рынке и стали широко применяться высокоэффективные микроконтроллеры и микроконверторы, которые наряду с цифровыми входами/выходами имеют и высокоточные аналоговые.
Уже на "микроэлектронном" этапе развития КМДП технологии получили признание и начали широко применяться "химически чувствительные полевые транзисторы". Структура таких транзисторов показана на рис 7.1. От обычных КМДП транзисторов они отличаются тем, что электрод затвора (З) здесь "плавающий", и на него нанесен химически чувствительный слой (ХЧС). Материал этого слоя должен избирательно взаимодействовать и присоединять к себе заданный химический "аналит" (химическое вещество: молекулы, ионы, комплексы), наличие которого надо выявить и определить его концентрацию.
(рис 7.2) Структура химически чувствительных полевых транзисторов с каналом n-типа (слева) и p-типа (справа): ЭИ – электрод истока; ХЧС – химически чувствительный слой; З – затвор; КР – контролируемый раствор; ЭС – электрод стока; ПД – подзатворный диэлектрик
Когда в углубление над ХЧС заливают контролируемый раствор (КР), то его компоненты вступают в контакт с ХЧС. Если среди них имеется аналит, он химически присоединяется к ХЧС, вследствие чего изменяется электрический потенциал затвора (З) и соответственно электрический ток, который течет сквозь транзистор.
Транзисторы с каналом $$n$$-типа более чувствительны к аналитам с положительным электрическим зарядом (катионам), а транзисторы с каналом $$p$$-типа – к аналитам с отрицательным электрическим зарядом (анионам).
Во многих случаях металлический "плавающий" затвор над каналом транзистора вообще может отсутствовать. Его роль исправно выполняют электрические заряды, возникающие при химическом присоединении аналита к химически чувствительному слою.
Если контролируемый раствор является электролитом, то, опуская в него электрод сравнения, можно проводить различные известные виды электрохимических анализов.
Чем меньше размер химически чувствительного полевого транзистора, тем меньший электрический заряд и, следовательно, меньшее количество молекул (атомов, ионов) аналита требуется для того, чтобы существенно изменить электрический ток сквозь транзистор. Таким образом, уменьшение размеров повышает чувствительность таких химических сенсоров.
Если на затвор (З) или непосредственно на подзатворный диэлектрик (ПД) транзистора методами биоинженерии высадить живую клетку, выборочно реагирующую на то или иное внешнее влияние, и если эта ее реакция заметно влияет на электрический ток сквозь транзистор, то получаем микроэлектронный или наноэлектронный биосенсор, чувствительный к соответствующему внешнему влиянию. Высаживая на затвор (З) или непосредственно на подзатворный диэлектрик (ПД) транзистора антитело к возбудителю определенной болезни, можно получить чувствительный иммуносенсор, позволяющий выявить наличие в контролируемом растворе инфекции соответствующего вида.
"Наноэлектронный" этап развития КМДП технологии позволил формировать на одном кристалле кремния сотни химически чувствительных полевых транзисторов, настроенных на десятки-сотни разных аналитов, вместе с соответствующими схемами усиления и электронной обработки полученных сигналов, узлами энергонезависимой памяти для накопления и хранения собранной информации. Если на том же кристалле сформирован еще и микропроцессор, то такой уже "интеллектуальный" сенсор может проводить самодиагностику, автоматическую самокалибровку, учитывать изменения окружающей температуры, "общаться" через тот или иной интерфейс с внешним компьютером или каналом связи. Это открыло путь к созданию функционально завершенных химических и биохимических "лабораторий на чипе".
Уже на "микроэлектронном" этапе развития полупроводниковой технологии были выявлены отличные механические и пьезоэлектрические свойства кремния. Одним из его многочисленных преимуществ являются и очень малые потери энергии при упругих деформациях, что позволяет создавать на основе кремния высокодобротные механические колебательные системы. Формировать такие конструкции можно с использованием тех же технологических процессов, которые обычно применяют в КМДП технологии. Поэтому уже в 90-х гг. ХХ в. нашли признание и применение в информатике не только микросхемы, но также электромеханические конструкции на кремнии. Сокращенно они были названы МЭМС – микроэлектромеханические системы (англ. MEMS – MicroElectroMechanical Systems).
На рис 7.3 показаны основные этапы формирования в кремнии таких микроколебательных систем, как перемычка и кантилевер. Исходная структура, состоящая из кремниевой подложки, относительно толстого слоя окисла кремния ($$SiО_2$$) и тонкого слоя эпитаксиально выращенного кремния, здесь отдельно не показана.
(рис 7.3) Основные этапы формирования микроколебательных систем на кремнии (перемычки – слева и кантилевера – справа): (а) после электронной литографии; (б) после анизотропного травления; (в) после селективного химического травления окисла и удаления резиста
На рис 7.3.а показана исходная структура уже после технологического цикла электронной литографии, в результате которого на поверхности структуры сформирована защитная маска из электронорезиста. Дальше с помощью анизотропного травления в химически активной плазме с не защищенных электронорезистом мест удаляют верхний слой кремния и окисел кремния (рис 7.3. б). Они остаются лишь под маской. На заключительном этапе проводят селективное химическое травление окисла кремния на глубину, несколько превышающую половину ширины узкой части структуры, и смывают маску из резиста. В результате (рис 7.3.в) образуется перемычка приблизительно прямоугольного поперечного сечения, закрепленная концами на двух опорах, и кантилевер – упругий брус прямоугольного сечения, закрепленный лишь с одного конца. Они могут свободно колебаться в плоскости минимального сечения. Обе структуры являются примерами высокодобротных упругих микроколебательных систем. Для перемычки и кантилевера прямоугольного сечения частоту собственных вертикальных колебаний можно рассчитать по формуле $$ \nu_n\approx\frac{\beta_n h}{24\pi l^2}\sqrt{\frac{Y}{\rho}}, $$ где $$l,h$$ – длина и толщина перекладины (кантилевера) соответственно; $$\rho, Y$$ – плотность и модуль Юнга материала, из которого они сделаны; $$\beta_n$$ – корень характеристического уравнения задачи Штурма-Лиувилля для упругих колебаний. Решение этой задачи дает для наименьшей (основной) частоты колебаний такие значения корня: $$\beta_n\approx 22,4$$ – для перемычки и $$\beta_n\approx 3,52$$ – для кантилевера.
Таким образом, основным фактором, определяющим частоту собственных колебаний микро- и нано- перемычек и кантилеверов, является соотношение их геометрических размеров $$h,l^2$$. Если на перемычку или на кантилевер наносится какая-то дополнительная масса, то частота собственных колебаний несколько изменяется, что позволяет строить на них чувствительные сенсоры, о которых речь пойдет ниже.
Кремниевая нанотехнология позволила формировать упругие кантилеверы и перемычки из кремния толщиной менее 30 нм и поднять частоту собственных колебаний до сотен мегагерц. А это важно потому, что от частоты колебаний зависят и чувствительность, и точность, и быстродействие работы приборов на таких элементах.
Поочередно комбинируя технологические процессы (і) нанесения новых слоев, (іі) литографии и (ііі) травления, удается создавать довольно сложные механические, электромеханические, оптико-механические и другие микро- и нано- конструкции на пластинах кремния.
В перечень этих конструкций кроме разнообразных чувствительных сенсоров, главные из которых мы рассмотрим ниже, входят также исполнительные микромеханические узлы ("актуаторы"): микро- и нано- двигатели, насосы, поршни, приводы, редукторы, реле, элементы гидравлики и пневматики, поворотные зеркала, сопла и т.п.
В сочетании с КМДП технологией они позволяют в едином групповом технологическом процессе формировать на пластинах кремния более или менее завершенные системы информатики и автоматики, в состав которых входят:
Один из простейших примеров микроэлектромеханического исполнительного узла показан на рис 7.4.
(рис 7.4) Микрофотография группы исполнительных реле одной из МЭМС на кремнии: 1 – спаренное термореле для стабилизации температуры; 2, 3 – отдельные релейные пары с электростатическим управлением
Изображенные здесь микрореле еще микронных размеров предназначены для включения/выключения относительно мощных электрических приборов. Подвижные контакты сформированы из высоколегированного поликристаллического кремния, их контактные концы и соответствующие контактные площадки позолочены. Подвижные контакты 1 спарены между собой (соединены золотой перемычкой), чтобы пропускать вдвое больший электрический ток. В них на поликремний гальванически осажден слой никеля, и поэтому они выполняют функции биметаллического термореле. Подвижные контакты 2 и 3 независимо друг от друга управляются электростатическими силами, возникающими между ними и расположенными ниже электродами в случае подачи на последние соответствующего электрического потенциала.
Автоматизированное проектирование и изготовление МЭМС рассматриваются сейчас как новое перспективное направление в машиностроении, которое будет опережающими темпами развиваться в ХХІ в. Главной особенностью этого направления машиностроения является то, что оно становится экономически выгодным лишь при изготовлении очень больших промышленных партий изделий (см. примеры упражнения 7.4). Ведь для изготовления МЭМС обязательными являются высокочистые условия производства, применение довольно сложного прецизионного автоматизированного производственного оборудования. Поэтому и фабрики для изготовления МЭМС стоят очень дорого. В процессе производства их стоимость и стоимость их обслуживания и эксплуатации переносятся на стоимость изделий. Изготовление партий в несколько сотен или тысяч схем оказывается очень дорогим. И лишь в том случае, когда в групповых технологических процессах изготовляют одновременно сотни тысяч – миллионы одинаковых МЭМС, удельная себестоимость каждой из них становится относительно низкой, экономически выгодной. Этому содействуют и относительно небольшие затраты на материалы и энергообеспечение, на восстановление окружающей среды и на ручную работу.
Использование МЭМС в экономике, в т.ч. в информатике и при изготовлении различного рода информационно-управляющих систем, принесет большие выгоды: уменьшение энергопотребления и расхода материальных ресурсов, намного меньшее влияние на окружающую среду, повышение эффективности всех производственных процессов и эффективности функционирования сферы обслуживания.
Использование наноразмерных элементов и нанотехнологий в производстве МЭМС повышает его экономичность, так как, во-первых, улучшает технические характеристики элементов и систем в целом и, во-вторых, на пластинах кремния становится возможным одновременно формировать в десятки–сотни–тысячи раз больше элементов и узлов. И, благодаря этому, удельная стоимость каждого из них дополнительно во много раз уменьшается.
В лекции 1 мы уже рассказывали о применении кремниевых нанокантилеверов в атомно-силовой микроскопии для визуализации мельчайших объектов, даже отдельных молекул. Тонкие и гибкие
Другое применение нанокантилеверов – это создание очень чувствительных вибрационных сенсоров. На рис 7.5 показана конструкция из трех нанокантилеверов 1, сформированных в пластине кремния 2. Справа один из кантилеверов показан в увеличенном виде. На верхней его поверхности сформирована чувствительная зона 3 и пьезорезистор 4, на нижнюю поверхность нанесен тонкопленочный металлический электрод 5. Для возбуждения и поддержания незатухающих упругих колебаний кантилеверов используют электростатические силы, возникающие при подаче переменного напряжения между заземленным электродом 6, сформированным на кремниевой подложке, и индивидуальным электродом 5 каждого кантилевера. Требуемую для этого обратную связь обеспечивают пьезорезисторы 4, сформированные возле закрепленного конца кантилевера в месте сосредоточения наибольших упругих деформаций. При колебаниях кантилевера через пьезорезистор 4 течет переменный ток с частотой колебаний кантилевера.
Электронные схемы обратной связи, сформированные в том же кристалле кремния, обеспечивают поддержание незатухающих собственных колебаний кантилевера и подачу переменного напряжения соответствующей частоты на узлы точного измерения частоты.
(рис 7.5) Конструкция из трех кремниевых нанокантилеверов, на которых формируются вибрационные наносенсоры: 1 – кантилеверы; 2 – основа из кремния; 3 – чувствительная зона; 4 – пьезорезистор; 5 – пленочный металлический электрод, 6 – электрод для возбуждения и поддержания упругих механических колебаний
Для нанокантилеверов собственные частоты, как мы уже писали, составляют от единиц до сотен мегагерц. Чувствительная зона 3 представляет собой пассивированную тонкую пленку золота, на которую осажден "рецепторный" слой – молекулы. Они избирательно и сильно связываются лишь с определенным "аналитом" (аминокислотой, белком, вирусом, молекулами токсина, которые надо выявить). Если этот аналит присутствует в среде, с которой контактирует кантилевер, то аналит химически связывается с рецепторным слоем. Обусловленное этим изменение массы кончика кантилевера вызывает соответствующее изменение частоты его упругих колебаний, которое легко фиксируют узлы точного измерения частоты.
Порог чувствительности сенсоров на нанокантилеверах позволил зафиксировать присоединение к чувствительной зоне даже одного вируса или молекулы аминокислоты и оценить массу присоединенного объекта – по величине изменения частоты колебаний.
В одной кремниевой микросхеме удается сформировать десятки–сотни сенсоров на нанокантилеверах вместе со всеми необходимыми электронными схемами. Автоматизированные установки микротитрования позволяют по заданной программе высадить на чувствительную зону каждого кантилевера свой "рецепторный слой", создавая настоящую биохимическую лабораторию на чипе.
На рис 7.6 показана конструкция чувствительного узла микромеханического акселерометра: вверху – в вертикальном сечении, внизу – вид в плане. В подложке из кремния 1 вытравлены участки 2 таким образом, что относительно значительная инертная масса 3 свободно висит лишь на тонких (~ 100 нм) упругих перемычках 4. На небольшом (~ 1 мкм) расстоянии сверху и снизу от инертной массы 3 расположены пленочные металлические электроды 5 и 6. Пространство между ними заполнено вязкой, неэлектропроводящей жидкостью, играющей роль демпфера. Все названные выше элементы закреплены в рамке акселерометра 7, жестко связанной с подвижным объектом.
Инертная масса 3 в такой конструкции может свободно колебаться и перемещаться вдоль оси акселерометра, перпендикулярной к плоскости инертной массы. При этом изменяется величина электрических емкостей между кремниевой инертной массой 3 и электродами 5 и 6, поскольку последние остаются неподвижными. Эти емкости включены в разные плечи электрической мостовой схемы переменного тока. Ее балансируют так, чтобы при отсутствии ускорения сигнал на выходе равнялся нулю.
(рис 7.6) Конструкция микромеханического кремниевого акселерометра
Когда объект, на котором установлен акселерометр, движется с ускорением вдоль оси акселерометра, инертная масса 3 смещается в противоположную сторону от направления ускорения. Вследствие этого одна из электрических емкостей уменьшается, а другая возрастает. Баланс мостовой схемы нарушается, и на ее выходе появляется электрическое напряжение соответствующего знака. Величина этого напряжения тем больше, чем больше ускорение.
Мостовую электрическую схему, генератор переменного тока, усилитель и преобразователь сигналов в цифровой код, элементы термокомпенсации, балансировки и калибровки, – все, что нужно для функционирования акселерометра, формируют на том же кристалле кремния.
Альтернативным описанному емкостному варианту акселерометра является "пьезорезистивный" вариант. В этом, альтернативном, варианте пленочные металлические электроды отсутствуют. Вместо этого на упругих перемычках 4 в местах максимальных упругих деформаций формируют кремниевые пьезорезисторы, изменение электрического сопротивления которых пропорционально упругой деформации, а следовательно и силе, действующей на инертную массу 3 во время ускорения. А в местах, где механическое напряжение не возникает, формируют референтные пьезорезисторы, используемые для автоматической термокомпенсации результатов измерений.
На одном и том же кристалле удается сформировать пьезорезистивные акселерометры, в которых оси перемещения инертных масс взаимно перпендикулярны. В таких двух- или трехосных акселерометрах одновременно измеряются 2 или 3 пространственные компоненты вектора ускорения.
Номенклатура МЭМС акселерометров, выпускаемых промышленно, охватывает диапазон от малых значений ускорения (1-10)g до больших (50–500)g с точностью от 3 до 20% и с частотой считывания до десятков килогерц.
Как известно из механики, свою ориентацию в пространстве стараются сохранять не только быстро вращающиеся тела, но и механические колебательные системы. Еще в школе нам рассказывали, например, о маятнике Фуко, который, сохраняя неизменной плоскость своих колебаний в пространстве, позволяет нам самим наблюдать за вращением нашей планеты вокруг своей оси.
Предложены и исследованы уже десятки разных конструкций микромеханических гироскопов-акселерометров. Наилучшие из них уже давно доведены до серийного производства. Мы объясним здесь лишь общие принципы их действия. Все они используют известное явление возникновения сил (ускорений) Кориолиса. Это явление заключается в том, что на тело, движущееся со скоростью $$\overrightarrow{v}$$ в системе координат, вращающейся с векторной угловой скоростью $$\overrightarrow{\Omega}$$, действует ускорение Кориолиса $$ \overrightarrow{a}=2\left\lfloor\overrightarrow{v}\times\overrightarrow{\Omega}\right\rfloor. $$ Оно направлено ортогонально к плоскости, построенной на векторах $$\overrightarrow{v}$$ и $$\overrightarrow{\Omega}$$. Напомним, что вектор угловой скорости по направлению совпадает с осью вращения, ориентирован в направлении перемещения острия правого буравчика и по длине равен модулю угловой скорости.
На рис 7.7 показана вытравленная в пластине кремния инерционная масса 1, соединенная тонкими упругими перемычками (подвесками) 2 с основной массой кристалла кремния 3. Показана также пространственная система координат OXYZ, относительно которой мы будем давать объяснения. С помощью дополнительного электрода и электростатических сил, возникающих между ним и инертной массой 1 при подаче переменного напряжения между ними, можно вынудить инертную массу 1 осуществлять колебания на упругих подвесках 2 в направлении оси ОХ. Ось OY, которая проходит через подвески, называют главной осью сенсора.
Если объект, на котором установлен сенсор, начнет вращаться вокруг этой главной оси, то инерционная масса получит ускорение Кориолиса, направленное вдоль оси OZ. Поскольку скорость движения инерционной массы 1 в процессе колебаний вдоль оси ОХ меняется по синусоидальному закону, то и ускорение Кориолиса вдоль оси OZ тоже будет изменяться по синусоидальному закону. Поэтому инерционная масса 1 начнет колебаться и в направлении оси OZ. Амплитуда этих колебаний пропорциональна угловой скорости вращения. Измеряя ее, можно вычислить скорость вращения объекта вокруг оси OY.
(рис 7.7)
Описанная структура, как и структура, показанная на рис 7.6, пригодна также для одновременного измерения линейного ускорения объекта, направленного вдоль оси OZ. Действительно, ускорение в этом направлении приводит к некоторому смещению положения инертной массы 1 в противоположном направлении. Измеряя это смещение, можно определить и величину линейного ускорения.
Инерционную массу 1 можно вынудить колебаться в направлении оси OZ. Тогда вращение объекта вокруг главной оси OY сенсора приведет к возникновению колебаний в направлении оси ОХ. Измеряя их амплитуду и фазу, можно определить направление и скорость вращения. Одновременно измеряя смещение центральной точки колебаний в направлении оси OZ, можно вычислить компоненту линейного ускорения, направленную вдоль этой оси.
Наноэлектромеханическая технология позволила формировать на одном кристалле кремния одновременно три таких колебательных системы с главными осями, ориентированными под прямыми углами одна к другой. Это позволяет одновременно измерять скорость вращения вокруг трех пространственных осей и все три пространственных компоненты ускорения.
Постоянно измеряя направление и скорость вращения, вычисляют суммарный угол поворота объекта относительно его первоначальной ориентации. И результаты измерения ускорений по известным формулам перехода от одной системы координат к другой пересчитывают в ускорение относительно исходной системы отсчета. Благодаря этому микросхема с такими сенсорами и полным набором электронных узлов, необходимых для получения, усиления, обработки сигналов и расчета пространственного положения объекта, трех компонент его линейного ускорения и трех компонент скорости вращения, одновременно выполняет функции и гироскопа, и акселерометра, и сенсора скорости вращения.
Такие микросхемы уже выпускают серийно и успешно используют на космических аппаратах, самолетах, кораблях, подводных лодках, в системах автоматического управления автомобилями и в системах их автоматической электронной стабилизации.
Значительным спросом пользуются также
(рис 7.8) Варианты механической структуры микросистемных сенсоров давления: 1 – кремниевая мембрана; 2 – подложка из кремния; 3 – толстый слой окисла; 4 и 5 – объемы с разным давлением с разных сторон мембраны
В вариантах, показанных на рис 7.8 вверху, упругая мембрана (1) сформирована из тонкого слоя поликристаллического кремния, нанесенного на относительно толстый слой окисла (3) на основе из монокристаллического кремния (2). Окисел под мембраной вытравлен, благодаря чему снизу под мембраной (1) образуется пустота (микрокамера) 5. В вариантах, показанных на рис 7.8 внизу, упругая мембрана (1) представляет собой тонкий слой монокристаллического кремния, сформированного в самой основе (2) по технологии двухстороннего анизотропного травления. Слева показаны варианты с однородной мембраной, справа – варианты, в которых мембрана имеет относительно жесткую, толстую середину и более тонкие перемычки на краях.
В плане мембрана из кремния чаще всего имеет форму квадрата, реже - правильного многоугольника или круга.
Для измерения разности давлений применяют пьезорезистивный, емкостной или оптический методы. В первом методе с помощью пьезорезисторов измеряют степень деформации мембраны, пропорциональную разности давлений. Пьезорезисторы формируют в местах наибольшего сосредоточения деформаций мембраны. Поэтому чаще всего используют конструктивные варианты, изображенные на рис 7.8 справа. Наибольшие деформации в них сосредоточены в тонких перемычках, там и формируют пьезорезисторы. Пример показан на рис 7.9.
(рис 7.9) Пример топологии пьезорезистивного сенсора давления: 1 – основа из кремния; 2 – тонкая перемычка из поликремния; 3 – измерительные пьезорезисторы; 4 – толстая часть поликремниевой мембраны; 5 – компенсационные пьезорезисторы; 6 – пленочные металлические межсоединения; 7 – подмембранная камера; 8 – слой окисла; 9 – контактные площадки мостовой схемы
Вверху сенсор давления показан в сечении, внизу – его вид в плане. Четыре пьезорезистора сформированы в "теле" тонкой перемычки из поликристаллического кремния (2). Два из них (3) ориентированы в направлении максимальных деформаций, другие два (5) – поперек направления максимальных деформаций. Все они с помощью пленочных металлических межсоединений (6) образуют мостовую схему, которая при отсутствии разности давлений с обеих сторон мембраны сбалансирована так, чтобы на выходе было нулевое напряжение.
Когда давления с разных сторон мембраны разнятся, мембрана прогибается в сторону меньшего давления. Измерительные пьезорезисторы 3 растягиваются или сжимаются, вследствие чего их электрическое сопротивление меняется. Компенсационные пьезорезисторы практически не ощущают деформации, их электрическое сопротивление остается неизменным. И поэтому равновесие мостовой схемы нарушается, и на ее выходе появляется напряжение, пропорциональное разности давлений.
Если камеру 7 под мембраной сделать герметичной с вакуумом внутри, то получим сенсор абсолютного давления.
Для реализации емкостного метода измерения давления используют структуру, изображенную на рис 7.8 вверху слева. В этом случае на поверхности монокристаллического кремния в камере под мембраной формируют пленочный металлический электрод и измеряют электрическую емкость между ним и мембраной. При деформациях мембраны эта емкость увеличивается или уменьшается.
Наноэлектронная кремниевая технология позволила, например, сформировать в одном кристалле, кроме мембранного датчика давления, также датчик температуры, все электронные узлы, требуемые для считывания и обработки сигналов, и микроминиатюрный радиопередатчик миллиметрового диапазона. В результате миллионными сериями промышленно выпускаются, например, миниатюрные сенсоры давления и температуры воздуха внутри автомобильных шин (рис 7.10 слева).
(рис 7.10) Система контроля давления и температуры внутри автомобильных шин. Слева – наноэлектронный сенсор, справа – центральный блок индикации и сигнализации
Их размещают внутри шины возле ее штуцера так, чтобы они не мешали эксплуатации шины, ее вращению, монтажу, демонтажу, балансировке. Основную массу сенсора составляет масса батарейки питания, энергоемкости которой хватает на 5 лет беспрерывной работы сенсора. Информация о давлении и температуре внутри шины передается бесконтактно, причем каждый сенсор передает также и свой индивидуальный код, который позволяет легко определить, от какой именно шины пришли переданные данные.
Центральный блок с микрокомпьютером (рис 7.10, справа) находится в кабине водителя. На его индикаторе условно изображен автомобиль со всеми шинами и показываются измеренные значения давления и температуры в каждой шине. Использование таких сенсоров оказалось настолько эффективным и важным для повышения безопасности движения грузовиков, что в США, например, все автомобили массой более 4,5 т теперь обязательно должны быть оснащены подобными системами мониторинга давления и температуры в шинах.
Один из вариантов реализации оптического метода измерения давления показан на рис 7.11. Над подложкой 1 из монокристаллического кремния сформирована мембрана 2, на которую снизу нанесено зеркальное покрытие 3. Сквозь отверстие в подложке проходит керн 4 оптического волокна 5. На торец волокна 4 нанесено полупрозрачное зеркальное покрытие. Между ним и покрытием 3 образуется оптический резонатор. Подмембранная камера 6 герметически закрыта. Сверху сенсор давления механически защищен коническим кожухом К, а снизу и сбоку – капелькой герметика 7.
(рис 7.11) Пример реализации микроминиатюрного сенсора давления на кремнии с оптическим методом измерения
Через оптическое волокно 5 в резонатор проходит монохроматический свет. Многократно отражаясь от зеркальных покрытий мембраны и волокна, световые волны интерферируют. Поэтому интенсивность отраженного обратно в волокно света существенно зависит от величины прогиба мембраны 2 и таким образом - от величины внешнего давления.
Используя микросистемную технологию, такой чувствительный к внешнему давлению элемент удалось сделать диаметром меньше 0,5 мм, включая защитный конический колпачок К и твердый герметик 7. Внешний вид чувствительного элемента показан на рис 7.11 справа вверху на фоне пальцев, которые его держат за оптическое волокно, и ушка иглы, сквозь которое волокно продето. С помощью иглы-катетера 8 внешним диаметром меньше 1 мм, которая показана справа внизу, чувствительный элемент 9 на тонком оптическом волокне 10 можно ввести в контролируемый объем для измерения давления. В медицине, например, такие сенсоры применяют для контроля внутричерепного давления, давления в легочной артерии, куда иначе никак нельзя добраться.
Возможность создания на основе химически чувствительных полевых транзисторов и на основе вибрационных сенсоров на кантилеверах функционально завершенной аналитической "лаборатории на чипе" побуждала ученых и инженеров к созданию микрофлюидных картриджей. Сначала картриджи задумывались как насадки на кристалл кремния, сделанные из стекла или из пластмассы, в которых формировались микропроточные канавки. По ним к химически чувствительным сенсорам доставляется контролируемое вещество (жидкость или газ – отсюда и обобщенное название "флюид"), а потом удаляются остатки, проводятся промывка и регенерация сенсоров (рис 7.12).
(рис 7.12) Слева – микрофотография участка микропроточного картриджа, прикрепленного к поверхности кристалла кремния с массивом химически чувствительных элементов: 1 – трубки для подвода и отвода жидкостей (газов); 2 – микропроточные канавки; 3 – химически чувствительные сенсоры на кристалле кремния; М – область кристалла, на которой сформированы микроузлы обработки сигналов и хранения результатов измерений. Справа – картридж для биохимического анализа на кристалле одновременно многих проб жидкостей (газов)
Однако в дальнейшем оказалось, что с помощью микросистемных технологий на кристалле кремния можно сформировать не только сеть микропроточных канавок, но и клапаны в канавках, закрыванием/открыванием которых могут управлять электронные узлы, размещенные на том же кристалле кремния.
Структуру и принцип действия одного из вариантов таких клапанов объясняет рис 7.13. В пластине кремния 1 вытравлена глубокая микропроточная канавка 2. В месте расположения клапана в ней сформированы выступ 3 и с противоположной стороны от канавки – глубокая ямка 4 таким образом, чтобы между ней и канавкой осталась тонкая упругая перепонка (мембрана) 5. Все стенки окислены ($$SiО_2$$). Поверх окисла на выступе 3 и на отдаленной стенке ямки 4 сформированы металлические электроды 6 и 7 с выводами к управляющим узлам.
(рис 7.13) Вид в плане участка микропроточной канавки с клапаном: слева – с максимально открытым, справа – с закрытым клапаном, в центре – в нейтральном положении. 1 – кремний; 2 – микропроточная канавка; 3 – выступ в стенке канавки; 4 – ямка напротив выступа 3; 5 – узкая упругая перегородка из кремния; 6, 7 – электроды
Когда на электроды 6 и 7 напряжение не подано, мембрана 5 находится в нейтральном положении (изображение в центре) и пропускная способность клапана – средняя. Если подать электрический потенциал на электрод 7, то мембрана 5 притягивается к нему, благодаря чему пропускная способность клапана возрастает (изображение слева). Если же подать электрический потенциал на электрод 6, то мембрана 5 притягивается к нему, перекрывая канал (изображение справа). Пропускная способность клапана уменьшается, и в конце концов канал полностью перекрывается.
Благодаря возможности точного автоматического управления пропускной способностью клапанов, кремниевые микрофлюидные чипы оказались намного более функциональными, чем стеклянные или пластмассовые. Они позволяют точно дозировать и точно доставлять в заданные места нужные жидкости или газы в точно определенные моменты времени. С их помощью можно дозировать мизерные объемы жидких и газовых смесей заведомо определенного состава.
Известно, что в живой природе в качестве информационных сигналов часто применяются те или другие химические посредники – ароматические вещества, гормоны, нейромедиаторы, феромоны, фитонциды и т.п. Микрофлюидные чипы способны выступать в роли своеобразных устройств кодирования информации в химические сигналы, т.е. в роли своеобразных "модуляторов", выделяющих в заданные моменты времени заведомо известные дозы тех или других веществ.
Совместно с "аналитическими" чипами микрофлюидные чипы позволили создать многофункциональные завершенные аналитические "лаборатории на чипе", работу которых можно программировать. Именно на основе такого объединения и разрабатываются, например, "искусственные поджелудочные железы", которые будут вживляться в организм людей, больных сахарным диабетом 1-го типа. Они будут автоматически измерять концентрацию глюкозы в крови человека и выделять нужные, точно отмеренные дозы инсулина, регулируя уровень глюкозы не хуже, чем это делает естественная здоровая поджелудочная железа.
Уже на "микроэлектронном этапе" развития в микрофлюидных чипах начали создавать также химические микрореакторы с контролируемыми температурой и скоростью подачи реагентов и отвода продуктов реакции, а также фильтры для отделения от жидкости или от газа отдельных компонентов. Используя микропроточные канавки разных размеров, удается, например, отделять от маленькой капли крови ее плазму и отдельные элементы - эритроциты, лейкоциты, моноциты и т.д.
На слева показано, например, изображение микропроточной канавки шириной 280 нм с входным и выходным отверстиями на концах.
(рис 7.14) Изображения в растровом электронном микроскопе отдельной микропроточной канавки с входным отверстием (слева) и системы ортогональных канавок для разделения пробы (справа)
Справа показана система ортогональных канавок: продольных шириной 200 нм и поперечных шириной 50 нм. Если сквозь крайние продольные канавки прокачивать контролируемую смесь, а из средних канавок выкачивать отфильтрованную часть этой смеси, то в последней не останется частиц размером свыше 50 нм, а смесь, прокачанная сквозь крайние канавки, будет обогащена такими частицами.
В диапазон размеров от одного до сотен нанометров попадает значительное число микробиологических объектов (вирусы, субклеточные структуры, ферменты, РНК, ДНК и т.д.), а также больших и средних молекул. Поэтому создание нанофлюидных чипов дало в руки микробиологов, молекулярных биологов, биохимиков и химиков принципиально новый инструмент для исследований и для манипулирования такими нанообъектами.
Микрофлюидные чипы с успехом применяются также в головках современных быстродействующих струйных принтеров. Достигнутую в них высокую точность регулирования потоков может иллюстрировать, например, тот факт, что элементарная порция чернил составляет в них уже всего несколько пиколитров (10-6 мм3).
Микрофлюидные чипы оказались эффективными также для охлаждения наноэлектронных микропроцессорных блоков со значительным выделением тепла с помощью быстро циркулирующей в чипе жидкости, прокачиваемой одновременно сквозь сотни тысяч канальцев.
Еще в 2001 г. был построен действующий
(рис 7.15) Микрофотография в РЭМ наноэлектромеханического транзистора Блайка (2001 г.). В левом верхнем углу – электрическая схема подключения транзистора: 1 – "маятник"; 2, 3 – управляющие электроды; И – исток; С – сток; U – напряжение питания; ~ – переменное напряжение на затворе
Подвижным элементом транзистора является механический "маятник" 1. Если между электродами управления 2 и 3 приложить переменное напряжение (аналог напряжения на затворе транзистора), то маятник начинает колебаться с частотой этого напряжения. В 2001 г., когда размеры транзистора были такими, как показано на микрофотографии, частота колебаний достигала 100 МГц. Ныне транзистор может быть сделан значительно меньше, и соответственно предельная частота колебаний возрастет до гигагерц. Кремниевый "челнок", расположенный на конце маятника, электрически изолирован от "тела" маятника окислом кремния ($$SiО_2$$). Когда "челнок" соприкасается с электродом истока (И), то благодаря туннельному эффекту на него переходит один электрон. А при следующем касании к электроду стока (С) этот электрон переносится на сток.
Средняя величина электрического тока сквозь транзистор, т.е. электрический заряд, переносимый в единицу времени, определяется частотой колебаний. Следовательно, этот транзистор преобразует частоту колебаний в пропорциональный ей электрический ток или в напряжение. Преимуществом является то, что электрический ток сквозь такой транзистор практически не имеет шумовой компоненты и может легко стыковаться с одноэлектронными схемами. Отметим, что при одинаковой проектно-технологической норме размеры наноэлектромеханического транзистора заметно превышают размеры полевых транзисторов. Поведение описанных транзисторов при размерах, когда длина волны де Бройля для электронов проводимости станет больше размера элементов транзистора, т.е. в "квантово-механическом диапазоне", еще не исследовано.
Уже на "микроэлектронном" этапе развития КМДП технологии с ее помощью на кристаллах кремния формировали не только логические схемы, процессоры, фоточувствительные матрицы и устройства памяти, но и разнообразные аналоговые схемы для реализации каналов связи, высококлассные операционные и другие усилители, мультиплексоры, дискриминаторы, схемы деления, умножения и преобразования частоты, преобразователи формы информации, химически-чувствительные МДП транзисторы, разнообразные сенсоры, актуаторы и т.д. Наноэлектронные размеры обеспечили возможность дальнейшего совершенствования всей указанной элементной базы информатики и реализации новых принципов ее построения.
Уменьшение размеров транзисторов до сотен, а потом и десятков нанометров позволило значительно ускорить работу преобразователей формы информации – АЦП и ЦАП, реализовать на той же площади кремниевого чипа значительно более сложные варианты схем. Созданы, например, и запущены в серийное производство эффективные наноэлектронные
Химически чувствительные полевые транзисторы отличаются тем, что в них на электрод затвора нанесен химически чувствительный слой, выборочно взаимодействующий только с определенным химическим "аналитом". Вследствие этого изменяется электрический потенциал затвора и электрический ток, текущий сквозь транзистор. Во многих случаях электрод затвора над каналом транзистора вообще может отсутствовать. Его роль выполняют электрические заряды, возникающие при химическом присоединении аналита к химически чувствительному слою. Если контролируемый раствор является электролитом, то, опуская в него электрод сравнения, можно проводить различные виды электрохимических анализов. Уменьшение размеров повышает чувствительность таких химических сенсоров. "Наноэлектронный" этап развития КМДП технологии позволил формировать на одном кристалле кремния сотни химически чувствительных полевых транзисторов, настроенных на десятки-сотни разных аналитов, вместе с соответствующими схемами усиления и электроникой обработки полученных сигналов, узлами энергонезависимой памяти для накопления и хранения собранной информации. Если на том же кристалле сформирован еще и микропроцессор, то такой уже "интеллектуальный" сенсор может проводить самодиагностику, автоматическую калибровку, учитывать изменения окружающей температуры, "общаться" через тот или иной интерфейс с внешним компьютером или каналом связи.
Уже на "микроэлектронном" этапе были выявлены отличные механические и пьезоэлектрические свойства кремния, в частности, очень малые потери энергии при упругих деформациях, что позволило создавать на основе кремния высокодобротные механические колебательные системы. В 90-х гг. ХХ в. нашли признание и применение в информатике многие микроэлектронные электромеханические системы (МЭМС) на кремнии. Сейчас автоматизированное проектирование и изготовление МЭМС рассматриваются как перспективное направление в машиностроении, которое будет опережающими темпами развиваться в ХХІ в. Это направление становится экономически выгодным лишь при изготовлении очень больших промышленных партий изделий. Использование нанотехнологий и наноэлементов в производстве МЭМС повышает его эффективность, поскольку на пластинах кремния становится возможным одновременно формировать в десятки-сотни-тысячи раз больше элементов и узлов.
Одним из примеров наноэлектромеханических элементов являются кремниевые
Упругие свойства наноразмерных перемычек из кремния и возможность формировать на этих перемычках чувствительные пьезорезисторы позволили создать в кремнии высокочувствительные микромеханические акселерометры, гироскопы, датчики скорости вращения. Нанотехнология позволила формировать на одном кристалле кремния одновременно три колебательных системы с главными осями, ориентированными под прямыми углами одна к другой. Благодаря этому можно одновременно измерять скорость вращения вокруг трех пространственных осей и все три пространственных компоненты вектора ускорения.
Существенно улучшились также технические параметры и экономичность микросистемных сенсоров давления на кремнии.
Значительный прогресс наблюдается в разработке и применении микрофлюидных кремниевых чипов, в составе которых формируют не только сеть микропроточных каналов, а и электрически управляемые клапаны, способные автоматически регулировать пропускную способность каналов, точно дозировать и доставлять в определенное место нужные жидкости (газы) в точно определенные моменты времени. Микропроточные канавки субмикронных размеров позволяют отфильтровать и рассортировать по размерам разнообразные микробиологические объекты (вирусы, субклеточные структуры, ферменты, РНК, ДНК, и т.д.), большие и даже средние по размерам молекулы. Микрофлюидные чипы с успехом применяют в головках современных быстродействующих струйных принтеров, для охлаждения наноэлектронных микропроцессорных блоков со значительным выделением тепла и т.д.
В сочетании с "аналитическими" чипами микрофлюидные чипы стали основой для создания многофункциональных завершенных аналитических "лабораторий на чипе", работу которых можно программировать.
В целом разнообразные кремниевые чувствительные элементы в сочетании с КМДП технологией позволяют в едином групповом технологическом процессе формировать на пластинах кремния интегрированные, завершенные системы информатики и автоматики, в состав которых входят сенсоры, как источники первичной информации об объекте изучения (наблюдения) или управления, узлы усиления и первичной обработки сигналов, аналого-цифровые преобразователи, цифровые процессоры, узлы памяти, коммутаторы, узлы внешнего интерфейса, цифро-аналоговые преобразователи, исполнительные микромеханические узлы для управления объектом или для осуществления активных обратных связей с объектом изучения.
Подводя итог лекциям 5-7, можно утверждать, что и на "наноэлектронном" этапе развития кремниевая электроника остается наиболее освоенной, экономически выгодной, основной частью НЭБИ. Такой она будет и в ближайшие годы.
Для получения официальных документов о завершении программы дополнительного профессионального образования (удостоверения о повышении квалификации, дипломов о профессиональной переподготовке и MBA) необходимо предоставить:
Внимание! Вы можете не заказывать доставку бумажной версии официального документы, а скачать его в электронном виде и распечатать самостоятельно. Информация о выданном документе в течение 1 месяца загружается в Федеральную информационную систему «Федеральный реестр сведений о документах об образовании и (или) о квалификации, документах об обучении» - ФИС ФРДО.
Доступ на новый сайт осуществляется с использованием адреса электронной почты, который был указан вами при регистрации на "старом". Мы постарались перенести все ваши данные с прежнего ресурса, однако не исключена вероятность потери части информации.
При возникновении проблемы со входом, воспользуйтесь функцией сброса пароля
Если вы обнаружите несоответствия, пожалуйста, сообщите нам.