ITMI20012128A1 - Elemento da costruzione micromeccanico e procedimento di fabbricazione - Google Patents
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Description
Descrizione
Stato dell'arte
La presente invenzione concerne un elemento da costruzione micromeccanico, comprendente un substrato ed una membrana, riportata sul substrato, ed un corrispondente procedimento di fabbricazione.
Sebbene applicabile ad arbitrari elementi da costruzione micromeccanici e ad arbitrarie strutture, in special modo sensori ed attuatori, la presente invenzione, nonché la problematica che sta alla base di questa, vengono illustrate in relazione ad un sensore micromeccanico di punto di rugiada, fabbricabile con la tecnologia della micromeccanica su superfici di silicio.
Già nel documento WO 96/05506 è stato reso di pubblico dominio il principio di rilevare il punto di rugiada raffreddando un elemento sensore micromeccanico tramite un elemento di Peltier fino a che sulla superficie condensa umidità. La temperatura dell'elemento sensore, alla quale subentra la condensazione, viene misurata per mezzo di una sonda termometrica e così viene determinato il punto di rugiada.
In special modo il documento WO 96/05506 porta a conoscenza di una disposizione costituita da elemento di Peltier, da sonda termometrica, da condensatore interdigitale e da microprocessore, che serve per l'analisi. L'inizio della formazione della rugiada può essere determinato attraverso la variazione della capacità del citato condensatore interdigitale .
Un'altra possibilità consiste nel fatto di determinare la formazione della rugiada attraverso una misurazione ottica (si veda anche D. Heinze, "Halbleitertechnologien zur Herstellung moderner Feuchtesensoren" , Sensor 91, Norimberga 1991, fascicolo congressuale IV, 112-121).
La fabbricazione di un elemento di Peltier per mezzo di semiconduttori drogati in n ed in p, che sono collegati tramite un ponte metallico, è già da lungo tempo conosciuta (per esempio M. von Ardenne ed altri (Hrsg.), "Effekte der Physik und ihre Anwendungen" , Harri Deutsch editore, Francoforte sul Meno 1990, pagina 339).
Il documento US-A-5,714,791 descrive un elemento di Peltier per mezzo di zone semiconduttrici drogate in n ed in p su una membrana, laddove la membrana viene isolata termicamente incidendo per via chimica una caverna a partire dal lato posteriore del substrato.
Il procedimento, consistente nell'incidere chimicamente il silicio in modo da renderlo poroso ("anodizzazione") fa parte dello stato dell'arte ed è descritto in numerose pubblicazioni. Il procedimento consistente nel produrre una cavità al di sotto di uno strato poroso di silicio è stato parimenti già reso di pubblico dominio (G. Lammel, P. Renaud, "Free-standing, mobile 3D microstructures of porous Silicon", Proceedings thè 13th European Conference on Solid-State Transducers, Eurosensors XIII, L'Aia, 1999, 535-536) .
Svantaggioso nel caso dei noti sensori di punto di rugiada si è dimostrato essere il fatto che la loro fabbricazione è difficoltosa e dispendiosa .
Vantaggi dell'invenzione
L'elemento da costruzione micromeccanico conforme all'invenzione, avente le caratteristiche di cui alla rivendicazione 1, rispettivamente il corrispondente procedimento di fabbricazione secondo la rivendicazione 10, presentano il vantaggio che è possibile una fabbricazione semplice ed economica di un elemento da costruzione con zona della membrana termicamente disaccoppiata.
Per esempio, per effetto dell'utilizzo di silicio poroso, in modo relativamente semplice può essere fabbricata una caverna profonda con una sovrastante membrana. Esiste oltre a ciò la possibilità di rendere porosa una definita zona su un Wafer, fino ad un definito spessore, e di ossidarla, a titolo opzionale, al fine di generare una struttura stabile con bassa conducibilità termica. Nella realizzazione di un sensore del punto di rugiada con questo procedimento si conseguono i seguenti, ulteriori, vantaggi:
• basso assorbimento di potenza a motivo del buon disaccoppiamento termico
• integrazione di un elemento sensore, per esempio di un elemento di Peltier, sul Chip
• possibile integrazione di un circuito sull'elemento sensore
• ingombro molto pìccolo
• basso tempo di reazione a motivo della piccola massa che deve essere portata a temperatura.
L'idea che sta alla base della presente invenzione consiste nel fatto che al di sotto della membrana è prevista una zona di materiale poroso, che sostiene meccanicamente la membrana e la isola termicamente .
Nelle rispettive rivendicazioni subordinate si trovano vantaggiosi sviluppi e perfezionamenti dell'elemento da costruzione micromeccanico indicato nella rivendicazione 1, rispettivamente del procedimento di fabbricazione indicato nella rivendicazione 11.
Conformemente ad un preferito sviluppo il materiale poroso è formato dal materiale del substrato. Ciò è facilmente possibile specialmente nel caso di un substrato di silicio.
Conformemente ad un ulteriore, preferito, sviluppo al di sotto della zona di materiale poroso è formata una cavità.
Conformemente ad un ulteriore, preferito, sviluppo lo strato della membrana viene formato per il fatto che la superficie del substrato e la superficie della zona porosa sono ossidate. Possibile è così risparmiare il deposito di un supplementare strato della membrana.
Conformemente ad un ulteriore, preferito sviluppo la zona consistente in materiale poroso è ossidata completamente. Un'ossidazione è possibile facilmente, a motivo della struttura porosa, ed aumenta il potere di isolamento termico.
Conformemente ad un ulteriore, preferito sviluppo, l'elemento da costruzione presenta un sensore di punto di rugiada, il quale inoltre contempla una termocoppia che è prevista al di sopra della zona consistente in materiale poroso e serve per rilevare la temperatura; un condensatore interdigitale previsto al di sopra della zona consistente in materiale poroso,- un dispositivo fungente da elemento di Peltier, comprendente uno o più elementi di Peltier per riscaldare e raffreddare le membrana,· ed un dispositivo di rilevazione del punto di rugiada, che serve per rilevare il punto di rugiada in base alla capacità del condensatore interdigitale ed in base alla temperatura rilevata dalla termocoppia.
Conformemente ad un ulteriore, preferito sviluppo, l'elemento da costruzione presenta un sensore di irraggiamento termico che inoltre contempla un dispositivo di assorbimento, che è previsto al di sopra della zona di materiale poroso e che serve per assorbire l'irraggiamento termico,-un dispositivo fungente da elemento di Peltier, comprendente uno o più elementi di Peltier atti a generare una tensione termica corrispondentemente ad una differenza di temperatura tra una zona della membrana, accanto alla zona consistente in materiale poroso, ed una zona della membrana sovrastante la zona consistente in materiale poroso; ed un dispositivo di rilevazione della temperatura che serve per rilevare la temperatura della zona della membrana sovrastante la zona consistente in materiale poroso.
Conformemente ad un ulteriore, preferito sviluppo, il dispositivo di rilevazione della temperatura rileva la temperatura sulla base della tensione termica.
Conformemente ad un ulteriore, preferito sviluppo è previsto un dispositivo di regolazione atto a regolare la temperatura nella zona della membrana sovrastante la zona consistente in materiale poroso, per mezzo del dispositivo fungente da elemento di Peltier, ed il dispositivo di rilevazione della temperatura rileva la temperatura sulla base della potenza di regolazione .
Disegni
Esempi di realizzazione dell'invenzione sono rappresentati nei disegni ed illustrati più in dettaglio nella descrizione che segue.
Nei disegni fanno vedere:
fig. 1 una vista in pianta di un sensore di punto di rugiada conforme ad una prima forma di realizzazione della presente invenzione;
figg. 2-4 fasi di fabbricazione per fabbricare il sensore di punto di riguarda di cui alla figura 1,
figg.5-6 fasi di fabbricazione per fabbricare il sensore di punto di rugiada conformemente ad una seconda forma di realizzazione della presente invenzione; e
fig. 7 una vista in pianta di un sensore di irraggiamento termico conformemente ad una terza forma di realizzazione della presente invenzione.
Descrizione degli esempi di realizzazione Contrassegni uguali identificano nelle figure componenti uguali o funzionalmente equivalenti.
La figura 1 è una vista in pianta di un sensore di punto di rugiada conforme ad una prima forma di realizzazione della presente invenzione.
Nella figura l il contrassegno 1 identifica una termocoppia, 2 un condensatore interdigitale, 3 un conduttore a traccia drogato in p, 4 un conduttore a traccia drogato in n, 5 una line metallica, 6 facce di contatto, rispettivamente Pad di contatto, 10 un substrato semiconduttore, 40 uno strato della membrana, che si trova sulla superficie del substrato semiconduttore, e 300 il confine di una zona, nella quale, al di sotto dello strato della membrana 40, è prevista una zona consistente in materiale poroso, che sostiene meccanicamente lo strato della membrana 40 e lo isola termicamente. Nel caso in questione, il materiale del substrato è silicio ed il materiale poroso è silicio anodizzato (inciso chimicamente rendendolo poroso).
Per il funzionamento della struttura del sensore fatta vedere nella figura 1 il dispositivo fungente da elemento di Peltier, formato da svariati elementi di Peltier 3, 4, 5 collegati in serie, viene regolato in modo che sulla superficie dello strato della membrana 40, all'interno della zona 300, tramite raffreddamento oppure riscaldamento, possa essere individuato il passaggio dallo stato rugiadoso allo stato non rugiadoso, rispettivamente viceversa, dato che questa zona è termicamente isolata rispetto all'ambiente circostante. In occasione di questo passaggio si modifica la capacità del condensatore interdigitale 2 sullo strato della membrana 40 a motivo dell'elevato indice di dielettricità dell'acqua (εr = 81). La corrispondente temperatura del punto di rugiada viene in proposito misurata per mezzo della termocoppia 1.
Le figure 2-4 sono fasi di fabbricazione per fabbricare il sensore di punto di rugiada secondo la figura 1.
Nella figura 2, in aggiunta a quelli già menzionati, il contrassegno 15 identifica una maschera, per esempio una maschera di vernice, e 100 componenti circuitali di un circuito di sensore non meglio illustrato. Riguardo al substrato 10 fatto vedere nella figura 2 trattasi di un substrato di silicio. Possono evidentemente essere utilizzati anche altri substrati, per esempio un substrato comprendente uno strato epitassiale. Per semplicità tuttavia viene in appresso ipotizzato un substrato del tipo Wafer.
Conformemente alla figura 3, con il noto procedimento dell'incisione chimica porosa, viene prodotta una struttura nella quale il materiale del substrato viene reso poroso in una determinata zona 30 e successivamente sotto la zona porosa 30 viene formata una cavità 20, quindi viene asportata una parte della zona porosa 30, ciò che porta alla struttura fatta vedere nella figura 3.
Nella figura 4 il contrassegno 40 identifica lo strato della membrana, 50 uno strato isolante, 60 una capacità di misurazione, 70 una conduttore a traccia metallico ed 80 conduttori a traccia di Peltier, corrispondenti ai conduttori a traccia 3, 4 nella figura 1.
Per fabbricare la struttura fatta vedere nella figura 4, dopo l'asportazione della maschera 15, la zona porosa 30 viene chiusa tramite il deposito dello strato della membrana 40, che per esempio consiste in nitruro, ossido oppure polisilicio. Un'altra possibilità per formare lo strato della membrana 40 consiste nell'ossidare la superficie del substrato e la superficie della zona porosa 30.
Questa chiusura a tenuta d'aria della cavità 20 non deve in proposito avere luogo obbligatoriamente dopo la realizzazione della cavità 20, bensì può anche essere eseguita come una delle ultime fasi del processo. Quest'ultimo aspetto ha il vantaggio che durante lo svolgimento del processo lo strato della membrana 40 non forma arcuature, portando così ad errori di riproduzione in un processo di strutturazione. La pressione interna che in ultima analisi si viene a creare nella cavità 20 dipende dalle condizioni di pressione che regnano all'atto del deposito, rispettivamente dell'ossidazione. Sullo strato della membrana 40 vengono prodotte la capacità di misurazione 60, corrispondente al condensatore intergiditale 2 nella figura 1, i conduttori a traccia metallici 70 ed i conduttori a traccia 80 di Peltier. Tra lo strato della membrana 40 ed i conduttori a traccia 70, rispettivamente al di sopra dei conduttori a traccia possono essere applicati e strutturati ulteriori strati funzionali .
La forma di realizzazione in questione presenta una cavità 20, con vuoto in essa racchiuso, sotto lo strato della membrana 40 al fine di garantire un buon isolamento termico relativamente al substrato 10. Lo strato isolante 50 protegge cosi la struttura formata contro l'influenza dell'ambiente.
Le figure 5-6 sono fasi di fabbricazione per fabbricare il sensore di punto di rugiada conforme ad una seconda forma di realizzazione della presente invenzione.
Nel caso della seconda forma di realizzazione, fatta vedere nelle figure 5 e 6, non viene formata alcuna cavità al di sotto della zona del substrato 30' resa porosa, bensì dopo l'asportazione della maschera 15 la zona porosa 30' viene chiusa direttamente tramite deposito dello strato della membrana 40, rispettivamente tramite l'ossidazione.
L'ossidazione (non mostrata) ha in proposito il vantaggio che l'ossido possiede una conducibilità termica minore rispetto al silicio, per cui può essere garantito un migliore disaccoppiamento relativamente al substrato 10. Sullo strato della membrana 40, come nel caso della prima forma di realizzazione, vengono prodotti i conduttori a traccia, ecc..
La figura 7 è una vista in pianta di un sensore di irraggiamento termico conforme ad una terza forma di realizzazione della presente invenzione .
Nella forma di realizzazione mostrata nella figura 7, al posto della termocoppia 1 e del condensatore interdigitale 2, sulla zona centrale della membrana è previsto un dispositivo sensore di irraggiamento termico 2', il quale assorbe l'irraggiamento all'infrarosso che lo colpisce e lo converte in calore. Così, in maniera semplice, può essere realizzato un sensore di irraggiamento termico. La differenza di calore tra la zona centrale della membrana 40 e la zona circostante porta ad una tensione termica in corrispondenza degli elementi di Peltier 3, 4 , 5 che ora fungono da termocoppia. La tensione termica è perciò una misura per 1'irraggiamento all'infrarosso assorbito.
Nel caso di un'altra forma di realizzazione (non mostrata) , è possibile regolare la zona centrale della membrana in modo che essa, con una termocoppia su di essa prevista, resti alla stessa temperatura in quanto il calore generato dall'irraggiamento all'infrarosso viene dissipato attraverso l'elemento di Peltier. La potenza refrigerante dell'elemento di Peltier è allora una misura per l'irraggiamento all'infrarosso assorbito .
Sebbene la presente invenzione sia stata descritta in quanto precede in relazione a preferiti esempi di realizzazione, essa non è a questi limitata, bensì è modificabile in maniera molteplice .
Negli esempi di cui sopra il sensore di punto di rugiada, rispettivamente il sensore di irraggiamento termico conforme all'invenzione sono stati spiegati in forme semplici al fine di illustrare i loro principi fondamentali. Concepibili sono evidentemente combinazioni degli esempi e configurazioni sostanzialmente più complesse, adottando gli stessi principi fondamentali .
Possibile è inoltre, dopo oppure tra le fasi di processo summenzionate, incidere chimicamente in modo selettivo la zona porosa 30, 30'. Allo scopo, nello strato della membrana 40 possono essere realizzate una o più aperture, attraverso le quali un fluido di incisione chimica ad azione selettiva, nello stato liquido oppure gassoso, può eliminare parzialmente oppure completamente, sciogliendola, la zona porosa. Le aperture possono successivamente essere di nuovo chiuse, laddove in proposito un vuoto viene preferibilmente racchiuso nella cavità 20 al fine di garantire un'ottimale disaccoppiamento termico tra membrana 40 e substrato 10. Le aperture possono anche volutamente non essere chiuse. In seguito a ciò, la zona centrale della membrana, recante elementi funzionali, può essere configurata in modo che essa sia unita, solo con ancora pochi listelli, con il substrato al di fuori della caverna (per esempio unione solo tramite due listelli sotto forma di un ponte). Ciò porta ad un disaccoppiamento termico laterale molto buono, che è importante per il funzionamento dell'elemento di Peltier.
Possibile è realizzare il condensatore di misurazione al di sopra dell'elemento di Peltier, laddove tra i due strati viene inserito uno strato isolante .
I conduttori a traccia di Peltier di polisilicio possono inoltre essere realizzati su uno strato di chiusura isolante.
Possibile è inoltre realizzare i conduttori a traccia di Peltier sotto forma di zone drogate in p ed in n in uno strato epitassiale, che funge da strato di chiusura.
Possibile è inoltre realizzare supplementari conduttori a traccia fungenti da resistenza sulla zona 40 della membrana, per riscaldare rapidamente la membrana. Il motivo di ciò sta in una regolazione più rapida.
Possibile è inoltre applicare sulla zona centrale della membrana uno strato a specchio al fine di individuare otticamente la formazione di rugiada .
Possono essere utilizzati anche arbitrari materiali micromeccanici di base e non solo il substrato di silicio menzionato a titolo esemplificativo .
Claims (1)
- Rivendicazioni 1.- Elemento da costruzione micromeccanico comprendente : un substrato (10;) e una membrana (40) applicata sul substrato (10); caratterizzato dal fatto che al di sotto della membrana (40) è prevista una zona (30; 30') consistente in materiale poroso, che sostiene meccanicamente la membrana (40) e la isola termicamente . 2.- Elemento da costruzione micromeccanico secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che materiale poroso è formato dal materiale del substrato. 3.- Elemento da costruzione micromeccanico secondo la rivendicazione 1 oppure 2, caratterizzato dal fatto che al di sotto della zona (30) di materiale poroso è formata un cavità (20). 4.- Elemento da costruzione micromeccanico secondo una delle rivendicazioni che precedono, caratterizzato dal fatto che lo strato della membrana (40) è formato per il fatto che la superficie del substrato e la superficie della zona porosa (30; 30') sono ossidate. 5.- Elemento da costruzione micromeccanico secondo una delle rivendicazioni che precedono, caratterizzato dal fatto che la zona (30; 30') consistente in materiale poroso è ossidata completamente . 6.- Elemento da costruzione micromeccanico secondo una delle rivendicazioni che precedono, caratterizzato dal fatto che l'elemento da costruzione presenta un sensore di punto di rugiada, il quale contempla inoltre: una termocoppia (1) che è prevista al di sopra della zona (30) consistente in materiale poroso e che serve per rilevare la temperatura; un condensatore interdigitale (2) previsto al di sopra della zona (30) consistente in materiale poroso; un dispositivo fungente da elemento di Peltier, comprendente uno o più elementi di Peltier (3, 4, 5) per riscaldare e raffreddare la membrana (40); e un dispositivo di rilevazione del punto di rugiada, atto a rilevare il punto di rugiada in base alla capacità del condensatore interdigitale (2) ed in base alla temperatura rilevata dalla termocoppia (1), oppure in base ad uno specchio che serve per la valutazione ottica. 7.- Elemento da costruzione micromeccanico secondo una delle rivendicazioni 1 fino a 5, caratterizzato dal fatto che l'elemento da costruzione presenta un sensore di irraggiamento termico, il quale contempla inoltre: un dispositivo di assorbimento che è previsto al di sopra della zona (30) consistente in materiale poroso e che serve per assorbire l'irraggiamento termico; un dispositivo fungente da elemento di Peltier comprendente uno o più elementi di Peltier (3, 4, 5), atto a generare una tensione termica corrispondente ad una differenza di temperatura tra una zona della membrana, accanto alla zona (30) consistente in materiale poroso, ed una zona della membrana sovrastante la zona (30) consistente in materiale poroso,· e un dispositivo di rilevazione della temperatura atto alla rilevazione della temperatura nella zona della membrana sovrastante la zona (30) di materiale poroso. 8.- Elemento da costruzione micromeccanico secondo la rivendicazione 7, caratterizzato dal fatto che il dispositivo di rilevazione della temperatura rileva la temperatura sulla base della tensione termica. 9.- Elemento da costruzione micromeccanico secondo la rivendicazione 7, caratterizzato dal fatto che è previsto un dispositivo di regolazione che serve per regolare la temperatura nella zona della membrana sovrastante la zona (30) di materiale poroso, per mezzo del dispositivo fungente da elemento di Peltier, ed il dispositivo di rilevazione della temperatura rileva la temperatura sulla base della potenza di regolazione . 10.- Procedimento atto alla fabbricazione di un elemento da costruzione micromeccanico comprendente un substrato (10) ed una membrana (40) applicata sul substrato (10), caratterizzato dal fatto che al di sotto della membrana (40) viene prevista, quantomeno temporaneamente, una zona (30; 30') consistente in materiale poroso, che sostiene meccanicamente la membrana (40) e la isola termicamente . 11.- Procedimento secondo rivendicazione di materiale poroso viene di nuovo asportata dopo la formazione della membrana (40).
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