Optimización de sensores de presión piezorresistivos de silicio para instrumentación biomédica y aplicaciones a alta temperatura

Abstract

Dentro del amplísimo campo de los sensores, están emergiendo con gran fuerza los dispositivos basados en tecnología de silicio. El uso de la tecnología microelectrónica para la producción de sensores permite obtener dispositivos de bajo coste, altas prestaciones y reducido tamaño.<br/><br/>Además, la utilización del silicio como material base para la realización de sensores permite, no sin dificultades, la integración de circuitos de tratamiento de señal en el mismo chip. El silicio, por otro lado, es un material de excelentes propiedades mecánicas exhibiendo una gran variedad de mecanismos de transducción que permiten desarrollar una gran variedad de sensores: mecánicos, térmicos, magnéticos, químicos, etc. En particular la medida de magnitudes mecánicas es posible debido a variación de la resistividad del silicio cuando se encuentra sometido a esfuerzos mecánicos. Esta variación se conoce como el efecto piezorresistivo y fue descubierto por Smith en 1954.<br/><br/>Las tecnologías para el micromecanizado de silicio monocristalino permiten la fabricación de microestructuras tales como ranuras, membranas, agujeros, barras de torsión o vigas. En concreto, los sensores de presión se basan en la fabricación de un diafragma delgado de silicio. En presencia de una presión diferencial, el diafragma deflecta dando lugar a la aparición de esfuerzos mecánicos en el material. Integrando un puente de Wheatstone en el diafragma y colocando las piezorresistencias de forma adecuada se obtiene un voltaje proporcional a la presión aplicada. Este diafragma se obtiene mediante el grabado anisótropo húmedo de silicio utilizando disoluciones de carácter básico.<br/><br/>Con el objetivo de fabricar sensores de presión piezorresistivos en tecnología de silicio, se procedió a un exhaustivo estudio experimental del grabado anisótropo húmedo mediante una disolución de KOH, 2-propanol y H2O. El análisis de los resultados ha permitido escoger aquellas condiciones de trabajo óptimas que aseguran unas rugosidades residuales inferiores a 0.1 milimicra y una aceptable velocidad de grabado. A continuación se han fabricado diafragmas delgados de silicio mediante el control cronométrico del ataque. Para una medida no destructiva del grosor de los diafragmas se ha utilizado las interferencias presentes en un espectro de absorción infrarroja. Se ha diseñado un proceso tecnológico utilizando la tecnología microelectrónica estándar y el ataque anisótropo previamente estudiado para la fabricación de sensores de presión.<br/><br/>El correcto funcionamiento de estos ha sido verificado y se han extraído los parámetros que definen su comportamiento.<br/><br/>Para un mejor control dimensional del grosor del diafragma hemos estudiado el paro electroquímico en una unión p-n. Se ha comparado los resultados obtenidos en configuraciones con 2, 3 y 4 electrodos, estudiando además la influencia de la luz. La puesta a punto de esta técnica ha permitido la fabricación de membranas mediante capas epitaxiales y difusiones con una gran uniformidad y repetitividad, así como la fabricación de puentes de silicio monocristalino.<br/><br/>Se ha hecho especial hincapié en la posibilidad de obtener membranas estructuradas verticalmente. Los mejores resultados se han obtenido en las configuraciones de 4 electrodos sin luz y en la de 3 electrodos bajo iluminación.<br/>La utilización de galgas de silicio implantado limita el rango de operación del sensor a temperaturas inferiores a 125°C. Temperaturas mayores pueden alcanzarse utilizando galgas de polisilicio aisladas del substrato por una capa de óxido de silicio. Sin embargo, la optimización de capas de polisilicio LPCVD en sensores lleva a la utilización de condiciones de depósito no estándar. Se ha procedido a una completa caracterización estructural y eléctrica de capas de polisilicio dopadas con boro obtenidas a diferentes temperaturas y presiones. Se ha observado como las muestras depositadas entre 580°C y 600°C, a bajas presiones de silano presentan una fuerte textura {110} y estructura columnar. Estas muestras presentan una resistividad más elevada que las depositadas en otras condiciones. En cambio, muestras depositadas en fase amorfa presentan tras un recocido posterior una estructura formada por granos equiaxiados y de mayor tamaño, que darán lugar a unos mayores coeficientes piezorresistivos. Por otro lado, el análisis eléctrico ha mostrado que es posible controlar el coeficiente térmico de las resistencias a través del nivel de dopaje. Utilizando las polisilicio optimizado tras el estudio estructural y eléctrico, se han fabricado sensores de presión con galgas de polisilicio que manteniendo niveles de sensibilidad altos han mostrado un correcto funcionamiento hasta temperaturas de 200°C con gran estabilidad de sus características.<br/><br/>En la fabricación de sensores de presión de alta sensibilidad la disminución progresiva del grosor del diafragma da lugar a niveles de no-linealidad inaceptables. Este problema se solventa mediante el diseño de diafragmas que introducen zonas rígidas en el interior del diafragma que habitualmente tienen el grosor total de la oblea. Sin embargo, si las dimensiones del sensor se reducen la inclusión de zonas rígidas con ese grosor queda prohibida por la dimensión lateral de los muros {111}. Se ha analizado el comportamiento mecánico de diafragmas que incluyen zonas rígidas de grosor reducido. Se ha observado que una relación de grosores 5/20 es suficiente para una eficaz reducción de la no-linealidad manteniendo niveles de sensibilidad altos. Mediante un método gráfico basado en un diagrama no-linealidad fondo de escala, las prestaciones de cada estructura han sido comparadas con el diseño estándar basado en una membrana cuadrada de grosor uniforme.<br/><br/>La medida invasiva de la presión sanguínea en el diagnóstico de enfermedades cardiovasculares impone severas restricciones en el diseño de sensores de presión. Su tamaño, sensibilidad y nolinealidad son parámetros críticos que deben ser optimizados en relación a un sensor convencional. Se ha desarrollado un sensor de presión de reducidas dimensiones para incorporarse en el extremo de un catéter 7F (diámetro exterior 2.3 mm.) Para obtener sensores de alta sensibilidad minimizando el error debido a la no-linealidad se han fabricado sensores de presión con diafragma no-uniforme utilizando la tecnología del paro electroquímico. La caracterización de los sensores fabricados ha demostrado que el diseño y la tecnología utilizada permite mejorar la respuesta de transductores caracterizados por diafragmas delgados y con área reducida, reduciendo la no-linealidad exhibida por los dispositivos.

<i>Silicon integrated circuit technology may be used in the fabrication of miniaturised, low-cost, high-performance mechanical sensors. Pressure sensors are based on a thin silicon diaphragm, fabricated using anisotropic etching, what deflects under a pressure between both sides. The integration of a Wheatstone bridge permits to obtain an analog output proportional to the pressure difference because of the piezoresistive effect.<br/>Implanted resistors limit the sensor operation range below 125°C, because of the leakage currents in the p-n junctions. Higher temperatures are allowed if polysilicon resistors, isolated from the substrate by a silicon dioxide layer, are used instead. However, the optimization of the LPCVD polysilicon layers for this particular application leads to non-standard deposition conditions and it is essential a previous structural and electrica1 characterization work. The fabricated sensors are very stable for temperatures up to 200°C.<br/><br/>The invasive blood pressure measurement for cardiovascular diagnostics imposes strong requirements in the sensor design. Sensibility, size and non-linearity are critical parameters that have to be optimized. For high sensitivity designs, very thin diaphragms are used because of the reduced diaphragm area. They require an accurate control of the diaphragm thickness in order to attain good uniformity in the sensor characteristics. This is achieved using the electrochemical etch-stop, which has been thoroughly studied. Especial attention has been devoted to the fabrication of non-uniform diaphragms. The manufacturing of high sensitive devices just reduces the utilization of the electrochemical etch-stop for the inclusion of rigid zones in the diaphragm.<br/><br/>In order to study whether this improves the sensor response an extensive analysis of different mechanical structures by the finite element method has been carried out. Finally, the devices have been fabricated and the improvement of the characteristics comparing with the standard flat diaphragm design has been demonstrated. An specially designed package has been designed and manufactured in order to mount the pressure sensor in the catheter tip.<br/></i>