Kopioi artikkelin PDF-versio
Mikrosysteemiteknologian osa-alueita ovat mikromekaniikka, -elektroniikka, -optiikka ja -pakkaustekniikat. Näiden yhdistelminä syntyy miniatyrisoituja instrumentteja, kuten pieniä spektrianalysaattoreita, "laboratory on chip".
Mikromekaniikka syntyi 60-luvulla. Ensimmäinen kaupallinen sovellus oli pietsoresistiivinen piipaineanturi. Sovellusten määrä kasvoi hitaasti, kunnes autoteollisuus kiinnostui turvallisuudesta myös pienten ja keskikokoisten autojen osalta. Tällöin tärkeimmäksi mikromekaaniseksi anturiksi nousi kiihtyvyysanturi. Pian myös mikromekaaniset gyrot kuuluvat auton vakiovarusteisiin. Näitä voidaan käyttää auton luiston hallintaan ja navigointiin.
Mikromekaniikassa alustana on lähes aina pii. Perinteisessä mikromekaniikassa piikiekosta valmistetaan mekaanisia osia syövyttämällä piitä kemiallisesti ennalta määrätyistä paikoista, koska mekaanista työstöä ei voi käyttää. Perinteinen pietsoresistiivinen paineanturi on tehty tällä menetelmällä. Tätä tekniikkaa kutsutaan bulkmikromekaniikaksi.
Mikromekaaninen komponentti voidaan valmistaa myös kasvattamalla sopivan alustan päälle ensin eristekerros ja sen päälle liikkuvan osan muodostama, usein johtava pintakerros, joka vapautetaan eristekerroksesta syövyttämällä osa siitä pois. Kerrosten paksuus on tyypillisesti mikrometri. Lisäksi tarvitaan ohuita metallikalvoja sähköjohteita varten. Alustamateriaalina voi olla piin ohella lasi, kvartsi tai safiiri.
Tällainen pintamikromekaaninen komponentti muodostuu yksikiteisen piin päälle kasvatetusta piidioksidista ja sen päälle kasvatetusta monikiteisestä piistä. Piitä ei käytetä mikromekaniikassa pelkästään nykyisestä puolijohdeteollisuudesta johtuen, vaan siksi, että piillä on erittäin hyvät mekaaniset, termiset ja infrapuna-alueen optiset ominaisuudet. Optisissa sovellutuksissa joudutaan turvautumaan myös muihin materiaaleihin. Myöskään piin "sähköiset" ominaisuudet eivät aina riitä takaamaan hyvää komponenttia. Kuitenkin lähes aina sovellutus voidaan toteuttaa käyttämällä perusmateriaalina piitä ja lisäämällä rakenteeseen muita kerroksia sovelluksesta riippuen.
Mikromekaniikan menetelmillä voidaan piihin valmistaa kalvoja, siltoja, palkkeja sekä erilaisia uria, reikiä ja kuoppia. Liikesuunnat ovat yleensä vaaka- tai pystysuuntaisia. Näitä rakenteita yhdistämällä voidaan valmistaa hyvinkin monimutkaisia mekaanisia rakenteita. Mikromekaniikasta puhuttaessa mieleen tulee usein pienet moottorit ja rattaat. Käytännössä mikromekaniikan merkittävimmät sovellutukset ovat kuitenkin komponentit, jotka muodostuvat yksinkertaisista rakenteista, kuten palkeista ja kalvoista.
Massavalmistuksessa yhden mikromekaanisen komponentin hinta on noin kymmenen markkaa. Lisäksi tulevat pakkaus- ja elektroniikan kustannukset. Hinta riippuu tietenkin voimakkaasti itse tuotteesta ja valmistusmääristä. Valmistusmäärien kasvaessa peruskomponenttien hinnat (paineanturit, kiihtyvyysanturit jne.) laskevat, koska kannattaa ottaa käyttöön tuotteen valmistukseen optimoitu tuotantolinja.
Piille valmistettuun mikromekaaniseen anturiin tai aktuaattoriin voitaisiin tehdä myös elektroniikka eli mikropiiri. Näin ei kuitenkaan usein tehdä. Tietääksemme vain yhdessä kaupallisessa anturissa on elektroniikka samalla piipalalla anturin kanssa. Yhdistäminen ei useinkaan johda onnistuneeseen lopputulokseen, koska joudutaan tekemään kompromisseja anturiprosessin ja mikropiiriprosessin välillä. Yhdistetyssä prosessissa on helposti parikymmentä maskivaihetta, josta usein seuraa alhainen saanto. Maskivaihe tarkoittaa geometrisen kuvion tekemistä piin pinnalle.
Esimerkiksi: Oletetaan, että anturin pinta-ala on 3 mm2 ja mikropiirin 1 mm2. Prosessoidaan 12 kiekkoa. Jos anturi ja elektroniikka integroidaan samaan piipalaan, saadaan tusinasta halkaisijaltaan sadan millimetrin kiekosta noin 19000 anturia (kukin 4 mm2). Kiekot pitää ajaa prosessin läpi kahteen kertaan, koska ensin valmistetaan mikropiirit ja sitten anturit. Valmistuserää kohti tarvitaan siten kaksi prosessointia ja tuloksena on 19000 anturin ja elektroniikan yhdistelmää. Tekemällä anturit ja elektroniikat erillisille piipaloille, riittää valmistaa kolme kiekollista mikropiirejä ja yhdeksän kiekollista antureita. Lopputuloksena saadaan 19000 kumpaakin. Jälkimmäisellä tavalla elektroniikan hinta on neljäsosa (3/12) ja anturin 3/4 edelliseen verrattuna. Lisäksi saanto on parempi.
Toki pitää huomioida elektroniikan ja antureiden liittämisestä aiheutuvat kustannukset. On myös huomattava, että mikropiiri on helpompi suojata ympäristöltä, jos se ei ole samassa piipalassa kuin anturi. Ajan myötä tilanne voi muuttua. Jos pakkaustekniikka kehittyy edelleen, voi olla, että myös pitkälle tulevaisuuteen elektroniikka ja anturi valmistetaan erikseen. Tietenkin on, ja tulee olemaan yksittäisiä massasovellutuksia, missä integroinnista saadaan niin suuri hyöty, että se kannattaa tehdä.
Mikromekaniikkaa on pidetty lupaavana tekniikkana lähinnä sen takia, että se mahdollistaa massavalmistuksen ja sitä kautta edullisen hinnan antureille. Mikromekaniikka tarjoaa kuitenkin useita muita etuja, jotka tekevät siitä ainutlaatuisen. Pienestä koosta ja painosta johtuen se antaa mahdollisuuksia uusiin anturisovelluksiin.
Merkittävin etu on se, että mikromekaanisessa komponentissa sähköisen ja mekaanisen maailman kytkentä voidaan saada riittävän suureksi mittauksen optimointia ajatellen. Lisäksi komponentti voidaan suunnitella siten, että joko sähköinen tai mekaaninen kytkentä on viritetty. On myös mahdollista, että molemmat järjestelmät on viritetty erikseen joko samalle taajuudelle tai ne ovat harmonisessa suhteessa toisiinsa. Hyvä kytkentä sähköisen ja mekaanisen maailman välillä yhdessä virityksen kanssa mahdollistaa mikromekaanisille antureille äärimmäisen hyvän resoluution eli erotuskyvyn. Tästä huolimatta tehonkulutus jää pieneksi.
Sähköisestä virityksestä esimerkkinä voidaan mainita paineanturi, missä mikromekaanisen kalvon muodostamaa kapasitanssia mitataan virittämällä kapasitanssi kelalla. Mittaamalla näin muodostuneen resonanssitaajuuden muutos, voidaan helposti mitata kapasitanssin suhteellista muutosta jopa 10-6 10-8 sekunnin mittausajalla. Jos kalvojen välissä oleva tila on yksi mikrometri, on erotuskyky paikan suhteen 10-14 10-16 m/Hz. Tämä tarkoittaa, että voidaan mitata kalvon paikan muutos, joka vastaa miljoonasosaa atomin läpimitasta. Jos esimerkiksi mikrofonin elektroniikka toimisi edellä kuvatulla tavalla, sen äänen paineen erotuskyky määräytyisi pelkästään mekaanisen järjestelmän termisistä värähtelyistä eli fluktuaatioista, eikä elektroniikka aiheuttaisi lainkaan lisäkohinaa.
Useissa mittausmenetelmissä (esimerkiksi äänenpaine) anturin koko on tärkeä erotuskyvyn kannalta, koska se on kääntäen verrannollinen anturin pinta-alaan. Tämä johtaa siihen, että mikromekaanisen anturin pieni koko vaatii hyvää erottelua, jotta sitä voitaisiin käyttää kaikissa niissä sovellutuksissa, missä aikaisemmin on käytetty alaltaan 10100 kertaa suurempia antureita. Jotta uusi tekniikka voisi syrjäyttää vanhan, sen tulee olla hinnaltaan edullisempi, mutta samalla suorituskyvyltään vähintään aikaisempien antureiden veroinen.
Jos kondensaattori ei ole viritetty, mutta mittaus tehdään palkin mekaanisella resonanssitaajuudella, voidaan vastaavasti päästä tilanteeseen, missä elektroniikka havaitsee mekaanisen lämpövärähtelyn. Mekaaninen kohina syntyy toisaalta rakenteissa olevien fononien, eli lämpötilan aiheuttamien akustisten värähtelyjen satunnaisuudesta sekä toisaalta väliaineena olevien kaasuhiukkasten törmäämisestä kalvon pintaan. Yleinen fluktuaatio-dissipaatio-teoreema sanoo, että riippumatta kohinan lähteestä, kohinan arvo voidaan määrittää kokonaiskitkasta ja siitä lämpötilasta, missä kitkateho syntyy.
Kun kytkentä mekaanisen maailman ja sähköisen maailman välillä on niin suuri, että tehoa vahvistava elementti (transistori) näkee pääosin anturin mekaanisesta järjestelmästä syntyneen häviön, määräytyy vahvistimen vaikutus erotuskykyyn sen minimi kohinalämpötilasta.
Toisin sanoen, jos kytkentä on hyvä, vahvistin heikentää anturin erotuskykyä vain niin paljon kuin mitä on vahvistimen kohinalämpötilan suhde mekaanisen järjestelmän lämpötilaan (T = 300 K). Koska esimerkiksi JFET-vahvistimen kohinalämpötila matalilla taajuuksilla (100 Hz 1 MHz) on tyypillisesti 0,1 10 Kelvin-astetta, on kohinan lisäys mitätön (0,03 3 %).
Vaikka kytkentä olisi "huono", päästään usein tilanteeseen, missä elektroniikan kohinalla ei ole suurtakaan merkitystä. Tietenkin tuotteen hinta voi estää joskus optimaalisen elektroniikan käytön ja tällöin elektroniikan kohina voi olla hallitseva.
Hyvää erotuskykyä anturissa ei välttämättä tarvita sen itsensä vuoksi. Se on usein eduksi, koska se kasvattaa komponentin dynaamista aluetta (dynaaminen alue = maksimi muutos mitattavassa suureessa/erotuskyky). Voimme esimerkiksi jäykistää kiihtyvyysanturin tuentaa, jolloin kiihtyvyysalueen yläraja nousee. Jos erotuskyky on hyvä, anturin resoluutiosta ei välttämättä tarvitse tinkiä. Näin sama anturi voi toimia useassa sovelluksessa tai se kattaa suuremman alueen. Tällainen piirre on erittäin hyödyllinen esimerkiksi paineantureissa.
Jos erotuskyky joustaa, voidaan sähkömekaanisen kytkennän antaa tietoisesti heikentyä. Voidaan valmistaa antureita, missä elektroniikalla ei ole galvaanista yhteyttä anturiin lainkaan. Mikromekaaniseen anturiin voidaan liittää antennina toimiva kela, jolloin muodostuu sähköinen resonanssipiiri. Tämän piirin resonanssitaajuus tai hyvyysluku voidaan lukea antennilla ilman galvaanista kontaktia jopa metrien päästä. Eräissä tapauksissa myös mekaaninen järjestelmä voi olla viritettynä mittaustaajuudelle. Järjestely mahdollistaa mikromekaanisen anturin käytön passiivisesti.
Mikromekaanisen palkin tai kalvon liike voidaan mitata usealla eri tavalla. Voisi kuvitella, että optinen mittaus olisi herkin johtuen valon lyhyestä aallonpituudesta. Näin ei kuitenkaan ole. Jos mittaus tehdään sähkömagneettisella kentällä, on periaatteessa sama, käytetäänkö valoa vai pienempitaajuista sähkömagneettista kenttää. Molemmissa tapauksissa kohinarajan määrää anturin mekaaninen fluktuaatio. Koska pienitaajuisella sähkökentällä toimiminen johtaa hinnaltaan edullisempaan ratkaisuun, se on ehdottomasti suositeltavin lukumenetelmä.
Lisäämällä mekaaniseen rakenteeseen pietsoresistiivinen tai pietsosähköinen kalvo, voidaan liike tai jännitys lukea joko resistanssin tai jännitteen muutoksina. Menetelmä edellyttää kuitenkin lisämateriaalia ja lisäksi anturin resoluutio määräytyy usein pietsoresistanssin sähköisestä kohinasta tai sen 1/f-kohinasta.
Optiikkaa kannattaa käyttää palkin paikan lukemiseen, jos tarvitaan hyvä galvaaninen eristys tai sovellutus on muuten optinen.
Sähköinen luku on edullinen, koska sähkökenttää voidaan käyttää lukemisen lisäksi komponentin parametrien muuttamiseen. Palkkia voidaan liikuttaa sähkökentällä tai heilurin mekaanista resonanssitaajuutta voidaan säätää joko tasa- tai vaihtokentällä. Esimerkiksi mikromekaanisessa gyrossa niin sanottu frame-heiluri saatetaan liikkeelle sähköstaattista voimaa käyttäen.
Yksinkertaisessa sähköisessä lukuelektroniikassa liikkuvan palkin (tai kalvon) ja paikallaan olevan elektrodin välille asetetaan sähkökenttä. Kentän vaikutuksesta palkkiin kohdistuu voima ja palkki liikkuu jousivakion määräämän matkan. Jos kenttä on liian suuri, palkki taipuu koskettaen lopulta kiinteää elektrodia. Maksimijännite kalvon yli määräytyy täten rakenteen ominaisuuksista. Jännite asetetaan yleensä hieman tätä kynnysjännitettä pienemmäksi. Kun palkki liikkuu joko mekaanisesta tai sähköisestä voimasta johtuen, kapasitanssin muutos synnyttää virran, joka luetaan vahvistimella.
Mikromekaniikasta puhuttaessa ajatellaan usein, että anturissa on liikkuvia osia. Näin ei käytännössä tarvitse kuitenkaan olla. Jos elektroniikkaan lisätään takaisinkytkentä, voidaan esimerkiksi mekaanisen voiman aiheuttama liike estää muuttamalla sähköistä voimaa. Jos voimat ovat yhtä suuret, liikettä ei synny. Menetelmää kutsutaan voimatakaisinkytkennäksi.
Toisin sanoen mikromekaanisissa antureissa ei välttämättä ole ulospäin havaittavaa liikettä lainkaan. Useissa sovelluksissa voimatakaisinkytkennästä on todellista mittausteknistä hyötyä. Erotuskykyyn sillä ei ole vaikutusta, mutta eräissä tapauksissa se eliminoi mekaanisessa maailmassa tapahtuvien muutosten vaikutuksen mittausepätarkkuuteen. Esimerkiksi paineanturissa voimatakaisinkytkentä eliminoi jousivakion mahdollisen muutoksen esimerkiksi lämpötilan funktiona.
Mikromekaanisen anturin resoluutio määräytyy usein mekaanisen maailman ominaisuuksista. Samoin on tilanne puhuttaessa anturin stabiilisuudesta. Jos anturin liikkuvat osat on valmistettu yksikiteisestä piistä, voi anturin stabiilisuus olla erittäin hyvä. Tietenkin tämä edellyttää hyvää pakkaustekniikkaa.
SOI (Silicon On Insulator) on tekniikka, missä yksikiteisen piin päälle rakennetaan ohut eristekerros ja sen päälle "hitsataan" toinen yksikiteinen piikiekko. Ylempi kiekko hiotaan siten, että se on lopulta paksuudeltaan vain 515 mm. Yhdistämällä SOI tekniikkaan kapasitiivinen lukuelektroniikka, voidaan periaatteessa tuottaa antureita, joilla on sekä hyvä erotuskyky että hyvä stabiilisuus. Jos vielä muistetaan, että mikromekaniikka tarjoaa pienen virrankulutuksen, pienen koon, edullisen hinnan, voi sanoa että anturilta ei voi enempää odottaa. SOI-tekniikka on kuitenkin vielä niin uusi, että kestää vielä jonkun aikaa (5 10 vuotta) ennen kuin kauppoihin ilmestyy näitä "ihmeantureita" massatuotannosta.
Mikromekaniikan selkeimmät anturisovellutukset ovat paineanturi (esimerkiksi autojen imusarjat), kiihtyvyysanturit (autojen ilmatyynyjen laukaisuelektroniikka) ja mikrofonit. Jatkossa sitä tullaan käyttämään esimerkiksi gyroissa, paikannusjärjestelmissä yleensä ja ultraääniantureissa. Lisäksi mikromekaniikka on jo nyt käytetty mikrofluidistiikassa sekä lääketieteessä että muualla. Koska mikromekaniikassa voidaan yhdistää hyvät mittaustekniset ominaisuudet massatuotantoon, ei vaadi suuria ennustajan lahjoja todeta, että mikromekaanisten antureiden vuosituotanto nousee satoihin miljooniin tai jopa miljardeihin 10 vuoden kuluessa.
Suomessa mikromekaanisia antureita valmistaa VTI Hamlin Oy, joka tuottaa kiihtyvyysantureita ja paineantureita, Vaisala Oy valmistaa mikromekaniikkaan perustuvia hiilidioksidimittareita ja tarkkuuspainemittareita. Okmetic Oy valmistaa piikiekkoja. Alan tutkimusta ja kehitystä tehdään sekä VTT Elektroniikassa että VTT Automaatiossa, joiden kanssa useat suomalaiset elektroniikka-alan yritykset ovat kehittämässä mikromekaniikkaan perustuvia anturi- ja mittalaitekonstruktioita.
Eräänä uutena suomalaisena tuotteena voidaan mainita VTT Automaation kehittämä paperirullien "tärinäanalysaattori", joka perustuu VTI Hamlinin kiihtyvyysantureihin. Paristot poislukien tuote on ajokortin kokoinen (hiukan paksumpi) ja kulkee paperirullan mukana kuukausia ja rekisteröi siihen kohdistuvia "iskuja". Tuotteen prototyyppi on valmis ja testattu ja kuluvan vuoden aikana Airamo Oy tuotteistaa sen myytäväksi paperin tuottajille.
Hyvänä esimerkkinä mikromekaanisesta anturista voidaan käyttää mikrofonia. Se muodostuu kahdesta rei'itetystä kalvosta ja niiden välissä olevasta kahden mikrometrin raosta. Paineanturista poiketen mikrofonissa voidaan käyttää reikiä, koska kiinnostava taajuus alkaa vasta 10 hertsin yläpuolelta. Kalvojen väliin tuodaan noin 3 V:n jännite, jolloin kalvo taipuu noin 0,2 mm.
Paineaallon ansiosta toinen kalvo liikkuu, jolloin niiden välisen kapasitanssin muutos synnyttää virtageneraattorin. Jos elektroniikassa käytetään negatiivista takaisinkytkentää, jännite anturin yli pysyy muuttumattomana, mutta vahvistimen annossa näkyy muuttuva jännite, joka on verrannollinen takaisinkytkentävastuksen ja virran tuloon.
Mikrofonin "optimointi" perustuu sekä sen mekaanisten että sähköisten ominaisuuksien optimointiin. Lisäksi elektroniikka otetaan huomioon jo anturin suunnitteluvaiheessa. Mikromekaaninen mikrofoni muodostaa mekaanis-sähköisen järjestelmän, missä oleellista on koko järjestelmän paine-erottelukyky.
VTT:llä kehitetty mikrofonin kalvo on kooltaan noin 0,5 x 0,5 milliä ja sen erotuskyky yhdessä VTT:llä kehitetyn elektroniikan kanssa on noin 30 dBA. Erotuskyky vastaa hiljaisen tilan äänikohinaa. Hyvänä saavutuksena yleensä on pidetty kymmenen desibeliä heikompaa resoluutiota.
Vaikka elektroniikka on erittäin yksinkertainen, sen resoluutiota huonontava vaikutus on vain muutamia desibelejä. Toisin sanoen kalvon "spontaani" mekaaninen lämpövärähtely on hieman alle 30 dBA. Tämä todettiin myös mittaamalla mikrofonin kalvon liike paineantureille kehitetyllä sähköiseen viritykseen perustuvalla elektroniikalla.
Mikrosysteemitekniikan menetelmillä voidaan valmistaa myös mikrosysteemeitä, joissa on yhdistetty useita toiminnallisesti erilaisia mikrokomponentteja. Oheisessa kuvassa on esitetty VTT Elektroniikassa kehitetty miniatyrisoitu infrapuna-alueen analysaattori, jossa on sähköisesti moduloitava laajakaistainen säteilylähde, mikropiiri, Fabry-Perot-tyyppinen sähköisesti säädettävä optinen suodin ja sen alla infrapunailmaisin. Koteloimattoman analysaattorin koko on 5x15 mm2.
Analysaattorin valmistamisessa on käytetty erilaisia pakkaus- ja liittämistekniikoita. Fabry-Perot-suodin on kiinnitetty piialustaan ilmaisimen päälle niin kutsutulla flip-chip- eli kääntöpalatekniikalla, jolloin se on paikallaan ylösalaisin. Kiinnittäminen tapahtuu pienillä johdepalloilla. Mikropiiri on liimattu piialustaan ja langoitettu halkaisijaltaan 25 mikrometrin kultalangoilla. Kotelona on käytetty keraamista DIL-koteloa, johon analysaattori on liimattu ja langoitettu.
Vastaavia tekniikoita käytetään yksittäisten anturikomponenttien koteloinnissa.
Mikromekaaniikan tärkeimmän edun voi havainnollistaa kuvaamalla komponentti sähköisellä sijaiskytkennällä. Kuvassa siniset komponentit kuvaavat sähköistä resonanssia ja punaiset mekaanista. Kuvan kytkentä voidaan virittää halutulla tavalla.
Vasemmanpuoleinen kela on sähköinen kela, keskellä oleva vastus ja kondensaattori kuvaavat mikromekaanisen komponenttin sähköisiä ominaisuuksia ja oikealla olevat kela, vastus ja kondensaattori ovat verrannollisia kondensaattorin sähköstaattiseen energiaan kuvaavat mekaanista maailmaa. Jännitegeneraattori kuvaa tilannetta, missä jännitteistä kalvoa liikutetaan.
Mikromekaanisessa kytkennässä mekaaninen maailma näkyy sähköisenä resonanssipiirinä. Komponentin impedanssi riippuu sekä sähköisestä että mekaanisesta maailmasta. Optimoinnissa pyritään saamaan aikaan tilanne, missä mekaaninen vastus Rm "kuvautuu" antoon reaalisena. Mekaaninen vastus riippuu sekä komponentista itsestään että myös ympäröivästä "maailmasta".
2.http://www.vdivde-it.de/IT/mst/mst.html
3. Sensors, A Comprehensive Study, W. Göpel, J. Hesse, and J.N. Zemel (eds.),Volume 7 and Volume 8, VCH Verlagsgesellshaft mbH, 1995
4. S. Middelhoek and S.A. Audet, "Silicon Sensors", Technical University of Delft, 1994