Microsenzori integrati - procesul fabricarii senzorilor integrati

1. Introducere

Zona cercetarii microsenzorilor acopera discipline diverse ca studiul materialelor, microfabricarea, electronica si mecanica.

Microsenzorii integrati se refera la senzori sau sisteme senzoriale a caror dezvoltare s-a facut utilizand tehnologia microfabricarii. Lungimea caracteristica a unui microsenzor este cuprinsa intre 1 si 1 mm.

Nanosenzorii se refera, de asemenea, la senzori cu lungimi cuprinse intre 1 nm si 1 mm.

In continuare vor fi prezentati microsenzori pentru identificarea unor variabile fizice: forta, presiunea, contactul tactil, acceleratia, rotatia, temperatura, undele acustice.

O alta categorie importanta de senzori sunt cei chimici, utilizati, de exemplu, pentru detectia concentratiei produselor chimice sau valorii pH-ului.

Microsenzorii sunt realizati cu ajutorul tehnologiei microfabricatiei, dezvoltata la inceput pentru fabricarea circuitelor integrate.

Inca de la inventia primului tranzistor in 1947 si de la succesul circuitelor integrate in 1971, tehnologiile si echipamentele pentru realizarea componentelor cu circuite integrate si miniaturale pe substraturi semiconductoare (siliciu si GaAs) s-au perfectionat rapid.

Tehnologia circuitelor integrate a revolutionat societatea moderna prin posibilitatea realizarii unor procesoare cu semnal analogic la cost redus, unitati logice digitale, memorii ale calculatoarelor si camere CCD. Aceste realizari servesc ca evidenta a puterii tehnologiei integrate si miniaturizate.

Semnalele avansat ale procesoarelor cum ar fi cel analogic ASIC (aplicatii specifice circuitelor integrate) si CPU (unitatea centrala de procesare) sunt numai un aspect al sistemelor mecatronice inteligente. Senzorii au o mare importanta pentru sistemele mecatronice la interactiunea cu lumea fizica.

In 1970 cativa cercetatori au experimentat, folosind tehnologia realizarii circuitelor integrate, realizarea unor elemente traductoare mecanice  pe fragmente de siliciu. H. Nathansan a dezvoltat tranzistorii cu poarta mobila. Poarta este construita dintr-o grinda in consola, suspendata, iar distanta acesteia la canalul conducator poate fi ajustata utilizand forte electrostatice.

Munca catorva cercetatori a dus la aparitia primilor senzori de presiune, accelerometre, calorimetre integrate cu gaz.

Sunt cateva avantaje importante asociate microsenzorilor integrati in comparatie cu senzorii macroscopici integrati. Miniaturizarea senzorilor inseamna ca acestia ofera o mai buna rezolutie spatiala. In multe cazuri, reducerea inertiei si maselor termale duce la o rezonanta mecanica de frecventa ridicata si timp scazut al coeficientului termal.

Costul senzorilor a scazut odata cu realizarea acestora prin metode fotolitografice (radiatii optice). Multe unitati asemanatoare pot fi relizate in paralel.

2. Procesul fabricarii senzorilor integrati

Dupa cum am spus si mai sus, tehnologia fabricatiei microsenzorilor a fost dezvoltata pe baza platformelor compatibile ale circuitelor integrate, prin intermediul fotolitografiei.

Litografia reprezinta precesul de transferare a configuratiilor geometrice de pe o masca pe un strat subtire de material sensibil la radiatii care acopera suprafata unei plachete.

Fotolitografia este procedeul litografic ce utilizeaza pentru expunere lumina ultravioleta cu lungimi de unda cuprinse intre 0,2÷0,4 pentru expunere lumina ultravioleta

In trecut siliciul a fost materialul predominant folosit la realizarea microsenzorilor integrati (majoritatea senzorilor au fost dezvoltati pe un substrat de siliciu). Recent, in procesul microfabricatiei senzorilor se utilizeaza polimeri. Materialele polimerizate ofera costuri scazute si procesare simpla in comparatie cu siliciul.

Microsenzorii si elementele mecanice (consolele si diafragmele) pot fi realizate din substraturi de siliciu pe diferite cai.

Primele doua categorii principale de fabricare se numesc microprelucrarea in volum si microprelucrarea pe suprafata. La prelucrarea in volum, o portiune a substratului de siliciu este indepartata utilizand corodarea umeda chimica sau corodarea uscata cu plasma.

Pentru substraturile din siliciu sunt utilizate frecvent urmatoarele corodari umede chimice: hidroxid de potasiu (KOH), etilen-diamina pirocatechina (EDP) sau hidroxid tetrametil de amoniu (TMAH). Metodele corodarii uscate utilizeaza ca sursa energica pentru indepartarea selectiva si anizotropica  a substratului materialelor plasma AC stimulata.

La metodele microprelucrarii pe suprafata o structura permanenta rezulta intr-o regiune subtire aproape de suprafata substratului. Procesul fabricarii implica doar straturi din suprafata substratului, de aici rezultand si numele microprelucrarii. Acest proces se refera la metoda corodarii sacrificiale.

Pentru inceput, un strat subtire solid numit strat de sacrificiu este plasat pe suprafata plachetei. Este urmat de depunerea unui strat structural care constituie structura mecanica(consola sau diafragma). Corodantul ataca stratul de sacrificiu cu un ritm mult mai mare decat stratul structural.

In cele ce urmeaza, procesul fabricatiei se raporteaza la exemple specifice de senzori, care vor ilustra utilizarea specifica a metodelor de microfabricare in volum si pe suprafata. Ambele metode ofera avantaje si dezavantaje.

Prelucrarea in volum implica, de asemenea, un substrat indepartat ceva mai lung. Acest procedeu este capabil sa realizeze o singura structura de siliciu cu o incarcare si deformare mecanica intrinseca scazuta.

Pentru dezvoltarea diferitilor senzori, selectia procesului de fabricatie trebuie facuta atent pentru a obtine caracteristicile si realizarea dispozitivului dorit, precum si reducerea costurilor.

3. Exemple de micro si nanosenzori

Principii de baza ale senzorilor

Microsenzorii au la baza un numar de principii apartinand traductoarelor, incluzand senzori electrostatici, piezorezistivi, piezoelectrici, electromagnetici si optici.

Traductori electrostatici

La acest tip de senzori o variabila fizica, cum ar fi forta sau vibratia, este transformata intr-o deplasare mecanica a grinzii in consola sau membranei.

O diagrama schematica a unei structuri tipice de transfer este prezentata in figura 2.

Miscarea grinzii sau membranei formeaza un condensator cu referinta imobila, electrod. Pentru structura prezentata in figura de mai sus deplasarea placii superioare induce schimbari ale capacitantei. Senzorul electrostatic este referit de obicei la senzorul capacitiv.

Schimbarile din capacitanta sunt utilizate pentru formarea informatiilor despreparametrii necesari. Principiul senzorilor electrostatici poate fi utilizat la accelerometre, senzori acustici, de rotatie, de presiune, senzori tactili si senzori infrarosii. In aceste exemple, stimularea externa responsabila pentru miscarea membranei este forta de inertie, vibratia masei de aer, forta Coriolis, presiunea, forta de contact si indoirea bimetalica termica datorita absorbtiei energiei si cresterii temperaturii.

Modelul mecanic al unui senzor capacitiv simplu prezentat in fig. 2 a) este ilustrat in fig. 2 b).

Electrodul este sustinut de doua grinzi de suspensie cu o constanta echivalenta (constanta resortului) k.

Valoarea capacitantei placutei condensatorului paralel este data de relatia:

unde A este suprafata electrodului, d este distanta dintre doi electrozi, si reprezinta permitivitatea relativa si, respectiv, permitivitatea in vid. Cand distanta dintre doi electrozi devine , capacitanta va avea relatia:

Cand asupra placutei este aplicata forta F , valoarea capacitantei va fi:

Traductori piezorezistivi

Intr-un senzor piezorezistiv, marimea deplasarii mecanice este masurata de marimea forteiindusa in componenta mecanica. Un piezorezistor situat strategic pe componenta mecanica trece prin schimbari ale rezistentei ca rezultat a fortei aplicate. Multe materiale, incluzand metal, aliaje si siliciu dopat prezinta caracteristici piezorezistive.

Forta aplicata determina deformarea retelei cristaline a materialului, inducand astfel schimbari ale rezistivitatii precum si ale dimensiunii rezistorului. Schimbarea rezistentei ca functie a efortului aplicat este:

unde este valoarea rezistorului in stare nedeformata, iar G este factorul de masura piezorezistiv.

Document online: CERTIFICAT de atestare a edificarii/extinderii constructiei - model Eseu: Denumirile specifice podetelor si podurilor masive - podete si poduri

Utilizand siliciu dopat ca senzor piezorezistiv, amprenta totala a senzorului poate fi destul de mica, avand o valoare de .

Elementul piezorezistiv este potrivit la utilizarea senzorilor cu carateristici ale lungimii sub . Oricum, metoda masurarii capacitive este cea mai aplicata avand in vedere ca senzorii optimi piezorezistivi implica siliciu cu o concentratie a dopantului potrivita.

Traductori piezoelectrici

Un material piezoelectric este acela care produce polarizare electrica (camp electric intern) cand o tensiune mecanica externa este aplicata. Un material piezoelectric expune piezorezistivitate inversa. Adica va rezulta o tensiune mecanica cand un camp electric va fi aplicat de material insusi. Piezorezistivitatea inversa este utilizata de obicei ca principiu de actionare pentru producerea miscarii mecanice sau fortei.

Un avantaj al senzorilor piezoelectrici (fata de cei piezorezistivi) este acela ca o diferenta de potential va fi creata fara furnizarea unei puteri externe. Oricum, particulele piezoelectrice de calitate ridicata, cu performante caracteristice consistente si uniforme, necesita instalatii  dedicate si operatii tehnologice calibrate. Ca o bariera tehnica impiedica peliculele subtiri ale materialelor piezoelectrice sa fie utilizate in mare masura ca elemente piezorezistive. Oricum, calitatea peliculelor piezoelectrice creste devenind disponibile prin intermediul serviciilor comerciale.

Cele mai utilizate materiale pentru microfabricarea senzorilor sunt oxidul de zinc (improscat) si titanat de plumb zirconat PZT (Pb[Zr_xTi_1-x]O₃ 0<x<1).

Traductori de temperatura

Senzorii de temperatura pot fi utilizati nu numai pentru masurarea temperaturii ambientale ci si pentru facilitarea transferului de caldura.

Senzorii de temperatura pot fi fabricati din rezistori sau cuplii termali. Un rezistor termal este element rezistiv cu pelicula subtire a carui rezistenta se schimba in functie temperatura. Aceasta explica schimbarile dimensiunilor si schimbarile din rezistivitate. Materialele dopate semiconductoare (cristalul simplu de siliciu sau siliciul policristalin) expun coeficienti de temperatura ai rezistorilor (TCR, notat cu ) in intervalul la . Pentru un rezistor termal schimbarile normale din rezistenta R se afla in raport cu schimbarile in temperatura T prin:

Termocuplii sunt realizati din doua materiale diferite cu coeficienti Seebeck diferiti. Tensiunea indusa de o jonctiune a unui termocuplu este proportionala cu diferenta de temperatura dintre jonctiune si mediul ambiental.

Senzorii de temperatura sunt frecvent realizati utilizand o grinda termica bimetalica. O grinda compozita realizata din doua materiale cu diferiti coeficienti termici de dilatare se va indoi in ambele parti cu viteze diferite. Valoarea indoirii mecanice, perceputa electrostatic sau utilizand piezorezistori, corespunde cu temperatura aplicata. Astfel de principiu senzorial a fost utilizat pentru realizarea senzorilor infrarosii.

3.1. Senzori de presiune

Senzorii de presiune sunt importanti pentru controlul si monitorizarea industriala si a automobilelor.

Microsenzorii de presiune existenti se compun din diafragme care se deformeaza ca reactie la diferentele de presiune. Prin utilizarea tehnologiei microprelucrarii sunt realizate diafragme foarte subtiri, sporind astfel senzitivitatea microsenzorilor (sunt superiori senzorilor de presiune conventionali cu diafragma mai groasa). Aceasta tehnologie permite senzorilor sa fie realizati in legatura cu circuitele de prelucrare a semnalelor. Datorita distantei apropiate dintre diafragmele senzorilor si semnalele procesoarelor, zgomotul este in general mult mai scazut in comparatie cu senzorii conventionali.

Diafragme este elementul decisiv intr-un senzor de presiune. Poate fi realizata cu ajutorul microprelucrarii in volum sau pe suprafata.

In cele ce urmeaza, microsenzorii de presiune vor fi clasificati in functie de metodele de formare a diafragmelor. In fiecare categorie, deplasarea diafragmelor oate fi determinata prin utilizarea unor senzori piezorezistivi sau capacitivi.

Inca de acum doua decenii au fost dezvoltati microsenzori de presiune si comercializati cu succes in aplicatii industriale (automobile si utilaje industriale).

Microprelucrarea senzorilor de presiune in volum

Diagrama schematica a microprelucrarii senzorilor in volum este prezentata in figura de mai jos. Diafragma se va indoi cand o diferenta de presiune va fi aplicata pe aceasta. O tehnica pentru detectia deplasarii diafragmei este reprezentata de utilizarea piezorezistorilor inclusi in diafragme.

In diagrama, patru piezorezistori sunt pozitionati aproape de marginea diafragmei.

Fig. 3. Diagrama schematica a microprelucrarii in volum a unui senzor de presiune Locatiile senzorilor sunt selectate cu atentie astfel incat sub o anumita deplasare la centrul diafragmei, marimea deformatiei este mai mare la locatia senzorilor. Exista un numar de optiuni pentru diafragme si piezorezistori. In tabelul urmator sunt prezentate materialele posibile pentru confectionarea diafragmelor si senzorilor de presiune: Materialul diafragmei Materialul piezorezistorului Valori relative Siliciu mono-cristal Siliciu mono-cristal dopat Dificultate relativa la controlul grosimii diafragmei Pelicula subtire de nitrura de siliciu Siliciu ploicristalin Formeaza usor diafragme subtiri; implica polisiliciu LPCVD

Procesul fabricarii senzorilor de presiune utilizand o placheta plana de siliciu ca substrat este prezentata in figura 4.

Fig. 4. Diagrama schematica ilustreaza trepte majore in procesul

microfabricatiei in volum a senzorilor de presiune

In prima etapa, placuta este dopata selectiv cu atomi de borsau fosfor pentru a crea piezorezistori in partea din fata (a). Placuta este apoi decapata prin cresterea temperaturii peliculei subtiri de dioxid de siliciu (b). In urmatoarea etapa , pelicula de dioxid de siliciu din partea din spate este tiparita si corodata selectiv pentru a expune siliciul (c). Materialul expus de siliciu va fi corodat cand placuta va fi scufundata intr-o solutie anizotropica coroziva (d). Pentru formarea diafragmei de siliciu cu grosimea dorita, muncitorii calibreaza cu precizie placuta si intervalele corodarii. Oricum, acest pas trebuie facut cu atentie fiindca aceste intervale pot varia (functie de timp si locatie). Rezultatul obtinut indica o grosime destul de mare (). In ultimul rand, oxidul din partea din fata a placutei este multiplicat pentru a furniza contactul cu aliajul de metal prin intermediul unor conductori.

Pentru a impiedica problemele neprevazute aparute in timpul procesului poate fi utilizata o placheta cu straturi de baraj (Fig. 5). De exemplu, este posibil sa utilizam o placheta siliciu-pe-dielectric cu o pelicula subtire de siliciu in partea superioara a stratului de dioxid de siliciu.

Siliciul si straturile oxidate se afla deasupra stratului de siliciu in volum (a). Parcurgand aceiasi pasi ca in exemplul anterior se pot forma piezorezistori (b) si se pot deschide ferestre in oxidul de siliciu pe partea din spate a plachetei (d). Corodantul anizotropic are intervale minime de corodare pe oxidul de siliciu; prin urmare, coroziunea prin toata placheta se va opri automat cand stratul de oxid cufundat va fi expus.

Fig. 5. Diagrama schematica a procesului alternativ de realizare a

microprelucrarii in volum a senzorilor de presiune

Aceasta permite inginerilor sa execute atacuri cu substante corozive pentru a se asigura ca toate diafragmele de pe dispozitive au aceeasi grosime (e). Stratul de oxid este indepartat selectiv utilizand acid hidrofluoric, acesta necorodand siliciul. Prin intermediul unor orificii deschise pe partea din fata aliajele de metal sunt depozitate si multiplicate (g).

Cu toate ca acest proces este mai avantajos fata de cel prezentat anterior, are totusi cateva deficiente. De exemplu, plachetele de siliciu-pe-dielectric utilizate sunt mult mai scumpe decat plachetele obisnuite din siliciu.

Grosimea diafragmei de siliciu este de .

O structura alternativa de senzor utilizeaza ca diafragma o pelicula subtire de nitrit de siliciu si siliciu ploicristalin dopat ca senzor pizorezistiv. Procesul este descris cu ajutorul diagramei din figura 6. Incepand cu o placheta de siliciu neizolata (a), un strat dintr-o pelicula de nitrit de siliciu este depozitat utilizand metoda LPCVD (b). Placheta este acoperita cu un strat de polisiliciu cu concentratie potrivita de dopant (c).

Fig. 6. Schema realizarii microsenzorilor de presiune in volum

cu diafragma de nitrit de siliciu

Polisiliciul este multiplicat si definit. Urmeaza apoi depunerea unei alte pelicule subtiri de nitrit de siliciu pentru protejarea peliculei de polisiliciu in timpul coroziunii siliciului (d). Grosimea a doua straturi de nitrit de siliciu LPCVD reprezinta grosimea diafragmei finale. O fereastra este deschisa pe partea din spate a plachetei pentru expunerea materialului de siliciu. Siliciul este corodat cu un corodant anizotropic care nu va ataca pelicula de nitrit de siliciu. Cu alte cuvinte, selectivitatea dintre siliciu si nitritul de siliciu este ridicata. Urmarind forma diafragmei, nitritul de siliciu de deasupra rezistorilor din polisiliciu este multiplicat selectiv, fiind formate aliaje de metal (g).

Senzori de presiune microprelucrati pe suprafata

Procesul microprelucrarii pe suprafata nu necesita indepartarea substratului de siliciu, acesta necesitand timp indelungat.

Pentru producerea senzorilor integrati la un pret cat mai mic, microprelucrarea pe suprafata ofera avantaje importante. Un exemplu de microprelucrare pe suprafata este descrisa in urmatorul paragraf.

Procesul microprelucrarii pe suprafata este prezentat in figura 7.

Fig. 7. Procesul microprelucrarii pe suprafata a senzorilor de presiune

cu diafragma de nitrit de siliciu

procesul incepe cu un substrat de siliciu (a) care are partea frontala neteda. Un proces local de oxidare termica este efectuat la inceput pentru formarea oxidului de siliciu cu grosimea de . Oxidul termic este parte a stratului de sacrificiu care va fi indepartat la urmatoarea operatie. Utilizand procesul numit “depunerea chimica a vaporilor la presiune scazuta” (LPCVD), un strat subtire de oxid este depus peste suprafata plachetei. Acest strat de oxid este multiplicat utilizand metoda fotolitografiei (c). Intreaga placheta este acoperita cu o pelicula subtire de nitrit de siliciu depus prin tehnica LPCVD.

Pelicula de siliciu este multiplicata si corodata pentru producerea unui orificiu pe suprafata superioara a stratului de oxid (e). Prin acesta, acidul hidrofluoric indeparteaza materialele oxidate din interiorul cavitatiei. Cantitatea de corodant folosita la operatie este neglijabila (f). Dupa ce cavitatea este curatata si uscata, un alt strat de nitrit de siliciu este depus pentru etansarea deschiderii in stratul initial de nitrit de siliciu (g). Dupa acest pas, siliciul policristalin dopat cu o concentratie potrivita este depus deasupra capsulei si modelat pentru formarea piezorezistorilor (h).

Senzori de presiune realizati din materiale care nu sunt pe baza de siliciu

Pentru anumite aplicatii ca de exemplu monitorizarea motorului cu combustie interna sunt necesari senzori de presiune pentru sustinerea unei temperaturii ridicate asupra procesului. In cateva cazuri siliciul nu este materialul optim pentru ca temperatura ridicata determina esecul jonctiunilor siliciului dopat. Au fost implementate astfel materiale polimerizate pentru senzorii de presiune.

3.2. Accelerometrii

Accelerometrii microfabricati in volum

Senzorii de acceleratie (asa numitele unitati inertiale de masurare) sunt importanti pentru monitorizarea acceleratiei si vibratiilor. Sunt folositi la automobile, masini si cladiri.

Accelerometrele cu pret scazut utilizate la airbag-urile automobilelor desfasoara sisteme care reduc costurile si sporesc securitatea pasagerilor. Microprelucrarea senzorilor se poate face usor si la un pret destul de scazut. Pot fi utilizati si la proiectile inteligente.

Cu dimensiuni reduse, accelerometrele multi-axiale pot fi aplicate la instrumentele de scris (stilouri inteligente) pentru recunoasterea scrierii de mana.

Un accelerometru in volum reprezentativ este ilustrat in figura 8. Un material de proba din siliciu este atasat la sfarsitul unei grinzi in consola. La baza grinzii se afla un element piezorezistiv.

Presupunand ca masa materialului de proba este m si marimea acceleratiei este a, putem estima marimea de iesire a senzorului urmarind o analiza simpla. Pentru inceput, o forta concentrata cu marimea este aplicata in centrul masei materialului de proba in conformitate cu prima lege a lui newton. In al II-lea rand, forta se traduce intr-un cuplu solicitat la baza grinzii, avand relatia:

Marimea solicitarii experimentate pe suprafata grinzii in consola, unde sunt situati piezorezistorii, este:

Fig. 8. Diagrama schematica a unui accelerometru microfabricat in volum

Termenul t reprezinta grosimea grinzii, E este modulul de elasticitate a materialului grinzii in consola, iar I este momentul de inertie asociat cu sectiunea transversala a grinzii. Presupunand ca sectiunea transversala a grinzii in consola este un dreptunghi cu latimea w si grosimea t, momentul de inertie este dat de:

Se observa ca momentul de inertie este in stransa legatura cu grosimea grinzii. Daca grosimea acesteia este redusa la jumatate, marimea lui I este redusa de 8 ori si sensibilitatea senzorilor va creste de 8 ori.

Micrografia SEM (scanning electron microscopy) a unui senzor prototip este prezentata in figura urmatoare:

Fig. 9. Micrografia SEM a unui senzor de presiune microprelucrat in volum

Accelerometrii microprelucrati pe suprafata

Acesti accelerometrii ofera un potential avantaj la pregatirea integrarii cu circuite de procesare a semnalelor. Un produs comercial de succes a fost fabricat cu dispozitive analogice si folosit la declansarea airbag-urilor la autovehicule. Structura, principiul de functionare si procesul fabricarii sunt prezentate in cele ce urmeaza.

Senzorul este compus din doua seturi de electrozi interdigitizati de forma unor degete dispuse sub forma unui pieptene (Fig. 10).

Fig. 10. Principiul de functionare al accelerometrilor microprelucrati pe suprafata

Un set de “degete” este stationar si fixat pe substrat. Celalalt set este suspendat de substrat prin intermediul unor arcuri. Intre fiecare pereche de degete sunt organizati capacitori. Cand o acceleratie externa este aplicata de-a lungul unei axe orizontale, o forta de inertie este aplicata pentru miscarea setului de degete, determinand transformarea miscarii in deplasare. Valoarea deplasarii este legata de marimea acceleratiei si fortei constante ale arcurilor de pe suport. Miscarea relativa a doua seturi de degete rezulta in schimbari ale valorii totale a capacitantei intre aceste doua seturi. Schimbarea capacitantei este perceputa si procesata de circuitul de procesare a semnalelor, constand din conversia etapei .

Procesul prelucrarii unui senzor conform cu sectiunea transversala A-A este ilustrat in figura 11. Pentru inceput, tranzistorii circuitelor de prelucrare a semnalului sunt realizati pe un substrat de siliciu (a). In strat de sacrificiu din dioxid de siliciu este depozitat pe suprafata capsulei (b), urmat de depunerea siliciului policristalin pe strat (c). Siliciul policristalin este multiplicat si corodat, formandu-se „degetele” in forma de pieptene (e). Ulterior, stratul de oxid este indepartat prin utilizarea acidului hidrofluoric. In zona in care polisiliciul este ancorat de substrat, prin intermediul unei gauri este multiplicat si corodat pe stratul superficial inainte de pasul (c).

Fig. 11. Procesul de realizare a unui accelerometru microprelucrat pe suprafata

3.3. Senzori tactili

Senzorii tactili sunt utilizati la aplicatii mecatronice (roboti), furnizand senzatii tactile la manevrarea obiectelor. Densitate senzorului pe varful degetului uman este de ordinea . O asemena densitate poate fi obtinuta utilizand tehnologia microfabricarii.

O matrice de senzori tactili este ilustrata in figura 12 a). Matricea 2D a elementelor senzoriale individuale formeaza cartografierea 2D a fottei de contact si fortei de forfecare. Diagrama transversala schematica a matricei in contact cu un obiect arbitrar este prezentata in figura 12 b). Valoarea deplasarii corespunde cu forta de contact.

Fig. 12. Diagrama schematica a matricii unui senzor tactil.

a) vedere perspectiva; b) vedere transversala

Procesul fabricarii senzorilor tactili este prezentata in figura 13. Incepand cu o placheta de siliciu (a), implantarea locala a unui ion conduce pentru inceput la procesarea piezorezistorilor (b). O pelicula termica de oxid este dezvoltata pentru a oferi pasivare pe intreaga placheta. Stratul de oxid de pe suprafata inferioara a plachetei este multiplicata si corodata pentru expunerea substratului de siliciu (c). Corodarea anizotropica a siliciului este realizata pentru indepartarea siliciului din partea din spate a plachetei (d). Pelicula de oxid din fata plachetei este apoi multiplicata si corodata utilizand corodant anizotropic cu plasma pentru crearea unor grinzi permanente (e si f). Pelicula subtire de metal este depusa si multiplicata pentru furnizarea conductorilor (g).

Fig. 13. Microfabricarea unui senzor tactil

3.4. Senzori de debit

Senzorii pentru masurarea debitului de fluid si pentru masurarea fortei de rezistenta exercitata de un obiect care se deplaseaza in lichid are aplicatii importante in robotica. Senzorii de debit existenti se bazeaza pe un numar de principii, notabile fiind cele termice si momentul de transfer.

Senzori de debit pe baza principiului transferului de caldura

Pentru acesti senzori este utilizat un element termic cu temperatura putin mai ridicata decat temperatura mediului ambiant (Fig. 14).

Fig. 14. Diagrama transferului termic pe baza unui senzor de debit (anemometru)

Caldura este creata prin trecerea unui curent prin elementul rezistiv. Un element ideal care serveste ca termostat este dopat cu siliciu. Rezistivitatea este in general mai mica decat cea care poate fi obtinuta utilizand rezistori metalici de aceeasi dimensiune, valoarea rezistentei fiind mai mare, iar termostatul poate fi mai mic. Deplasarea fluidului creaza viteza dependenta de convectia fortata de caldura, in acest fel reducandu-se temperatura elementului incalzit.

Senzori de debit pe baza principiului transferului de moment

Pentru acesti senzori, un element mecanic este indoit de momentul dat de deplasarea fluidului. Diagrama schematica a unui astfel de senzor este prezentata in figura urmatoare:

Fig. 15. Diagrama ilustreaza principiul transferului de moment pe baza unui senzor de debit

Se compune dintr-un ax vertical atasat le sfarsitul unei grinzi in consola (a). Cand un debit extern este exercitat, se va aplica o forta distribuita pe axul vertical, rezultand indoirea grinzii. Gradul de indoire este proportional cu valoarea debitului. Procesul fabricarii este similar cu cel al senzorilor tactili, exceptie facand axul vertical. In trecut au fost dezvoltate o serie de tehnici pentru asamblarea microstructurilor 3D utilizand procese eficiente integrate. De exemplu, structurile 3D pot fi realizate utilizand microstructuri articulate, imbinari sudate sau imbinari polimerizate.

Recent a fost dezvoltat procesul numit “deformarea plastica a ansamblelor magnetice” (PDMA). Tehnologia PDMA este exemplificata utilizand o grinda cu o suprafata simpla microprelucrata. Dupa cum se vede in urmatoarele figuri, o grinda fixa, fixata, realizata dintr-un metal ductil (aur sau aluminiu) este suspendata de un substrat.

O piesa din permaloi (aliaj cu 40-80% Ni si 20% fier), aliaj feromagnetic realizat prin electrodepunere, este atasat grinzii. Cand un camp magnetic este aplicat sub placheta, piesa magnetica il va magnetiza si va apare un cuplu magnetic M. Cuplul va ridica de pe substrat grinda. Daca gradul deformarii este semnificativ, metalul ductil va fi deplasat permanent datorita deplasarii plastice a regiunii articulate.

Fig. 16. Diagrama deformarii plastice a procesului montajului magnetic

Fig. 17. Micrografi SEM din grinzi in consola: a) an plan; b) dupa montajul PDMA

Tendinte de dezvoltare in viitor

Miniaturizarea si integrarea circuitelor au redus drastic costurile si au crescut performantele circuitelor. Senzorii pot fi utilizati in robotica, cladiri inteligente, jucarii inteligente, siguranta si controlul autovehiculelor, controlul industrial.

O piedica importanta  a senzorilor integrati o repzezinta costurile ridicate ale cercetarii si dezvoltarii.

Accelerometrii dezvoltati cu ajutorul microprelucrarii pe suprafata cu dispozitive analogice au costat zeci de milioane de dolari si au fost necesari 5 ani pentru producerea lor. Costurile dezvoltarii senzorilor includ expertize pentru selectia materialului, modelul, dezvoltarea prototipurilor si caracterizarea.

Senzorii viitorului vor contine materiale care nu sunt pe baza de siliciu. De exemplu materialele polimerizate pot fi utilizate pentru reducerea costurilor, in timp ce materialele care rezista la o temperatura ridicata pot fi utilizate in aplicatii in care temperatura de lucru este mare (monitorizarea starii motoarelor).