Microsenzori Integrați

1. Introducere

Zona cercetării microsenzorilor acoperă discipline diverse ca studiul materialelor, microfabricarea, electronica şi mecanica.

Microsenzorii integraţi se referă la senzori sau sisteme senzoriale a căror dezvoltare s-a făcut utilizând tehnologia microfabricării. Lungimea caracteristică a unui microsenzor este cuprinsă între 1 şi 1 mm.

Nanosenzorii se referă, de asemenea, la senzori cu lungimi cuprinse între 1 nm şi 1 mm.

În continuare vor fi prezentaţi microsenzori pentru identificarea unor variabile fizice: forţa, presiunea, contactul tactil, acceleraţia, rotaţia, temperatura, undele acustice.

O altă categorie importantă de senzori sunt cei chimici, utilizaţi, de exemplu, pentru detecţia concentraţiei produselor chimice sau valorii pH-ului.

Microsenzorii sunt realizaţi cu ajutorul tehnologiei microfabricaţiei, dezvoltată la început pentru fabricarea circuitelor integrate.

Încă de la invenţia primului tranzistor în 1947 şi de la succesul circuitelor integrate în 1971, tehnologiile şi echipamentele pentru realizarea componentelor cu circuite integrate şi miniaturale pe substraturi semiconductoare (siliciu şi GaAs) s-au perfecţionat rapid.

Tehnologia circuitelor integrate a revoluţionat societatea modernă prin posibilitatea realizării unor procesoare cu semnal analogic la cost redus, unităţi logice digitale, memorii ale calculatoarelor şi camere CCD. Aceste realizări servesc ca evidenţă a puterii tehnologiei integrate şi miniaturizate.

Semnalele avansat ale procesoarelor cum ar fi cel analogic ASIC (aplicaţii specifice circuitelor integrate) şi CPU (unitatea centrală de procesare) sunt numai un aspect al sistemelor mecatronice inteligente. Senzorii au o mare importanţă pentru sistemele mecatronice la interacţiunea cu lumea fizică.

În 1970 câţiva cercetători au experimentat, folosind tehnologia realizării circuitelor integrate, realizarea unor elemente traductoare mecanice pe fragmente de siliciu. H. Nathansan a dezvoltat tranzistorii cu poartă mobilă. Poarta este construită dintr-o grindă în consolă, suspendată, iar distanţa acesteia la canalul conducător poate fi ajustată utilizând forţe electrostatice.

Munca câtorva cercetători a dus la apariţia primilor senzori de presiune, accelerometre, calorimetre integrate cu gaz.

Sunt câteva avantaje importante asociate microsenzorilor integraţi în comparaţie cu senzorii macroscopici integraţi. Miniaturizarea senzorilor înseamnă că aceştia oferă o mai bună rezoluţie spaţială. În multe cazuri, reducerea inerţiei şi maselor termale duce la o rezonanţă mecanică de frecvenţă ridicată şi timp scăzut al coeficientului termal.

Costul senzorilor a scăzut odată cu realizarea acestora prin metode fotolitografice (radiaţii optice). Multe unităţi asemănătoare pot fi relizate în paralel.

2. Procesul fabricării senzorilor integraţi

După cum am spus şi mai sus, tehnologia fabricaţiei microsenzorilor a fost dezvoltată pe baza platformelor compatibile ale circuitelor integrate, prin intermediul fotolitografiei.

Litografia reprezintă precesul de transferare a configuraţiilor geometrice de pe o mască pe un strat subţire de material sensibil la radiaţii care acoperă suprafaţa unei plachete.

Fig. 1. Principiul procesului litografic

Fotolitografia este procedeul litografic ce utilizează pentru expunere lumina ultravioletă cu lungimi de undă cuprinse între 0,2÷0,4 pentru expunere lumina ultravioletă

În trecut siliciul a fost materialul predominant folosit la realizarea microsenzorilor integraţi (majoritatea senzorilor au fost dezvoltaţi pe un substrat de siliciu). Recent, în procesul microfabricaţiei senzorilor se utilizează polimeri. Materialele polimerizate oferă costuri scăzute şi procesare simplă în comparaţie cu siliciul