Micro e nanotecnologia/Microtecnologia/Esempi/MEMS

I MEMS (Micro Elettro Mechanical System), sono dispositivi microscopici progettati, assemblati ed utilizzati per interagire e produrre modificazioni in un particolare ambiente di ridotte dimensioni. In um MEMS uno stimolo di tipo meccanico, elettrico e chimico può essere utilizzato per generare una risposta meccanica, elettrica o chimica.

Il funzionamento di un MEMS si può descrivere considerando il circuito integrato come il "cervello" del sistema, che rende possibile il monitoraggio dell'ambiente circostante tramite altri dispositivi integrati, in forma altamente miniaturizzata su uno stesso substrato di silicio. In questo modo il sistema raccoglie le informazioni misurando fenomeni meccanici, termici, biologici, ottici e magnetici; l'elettronica elabora le informazioni derivate dai sensori e reagisce abilitando gli attuatori a rispondere tramite movimenti, posizionamenti, filtrazioni, pompaggi o anche verificando, tramite gli stessi sensori, le variazioni avvenute nell'ambiente circostante.

Tecniche di fabbricazione

La tecnologia MEMS nasce come fusione della tecnologia dei circuiti integrati (CI) con la più avanzata tecnologia micromeccanica. Utilizzando le consolidate tecniche di fabbricazione dei CI insieme con opportuni processi meccanici e chimici, è possibile ottenere dispositivi MEMS perfettamente integrabili con gli stessi CI. Le tecniche di fabbricazione attualmente in uso, tra cui le principali sono la microlavorazione (surface micromachining), la microlavorazione di volume (bulk micromachining), le tecniche LIGA (roentgen LIthography Galvanic Abformung).

• Il bulk micromachining prevede la realizzazione di strutture 3-D direttamente in substrati di silicio o quarzo utilizzando tecniche di attacco cristallografico per la rimozione selettiva del substrato. Tale tecnica sfrutta la caratteristica anisotropica della velocità di attacco (etch rates) dei diversi piani cristallografici del wafer, dovuta al loro diverso orientamento. L'attacco cristallografico può avvenire sia usando soluzioni isotrope che anisotrope. Combinando queste due tecniche si ottiene una tecnica ibrida recentemente sviluppata e perfezionata: essa consiste nell'effettuare un primo attacco isotropo e successivamente modellare/perfezionare le pareti della cavità ottenute, tramite l'utilizzo di soluzioni anisotropiche.
• Il surface micromachining è probabilmente la tecnica più diffusa per la realizzazione di dispositivi MEMS. Essa consiste nella deposizione di strati dielettrici e metallici sulla superficie di un substrato e la successiva definizione delle strutture tramite tecniche fotolitografiche. La realizzazione di strutture sospese, quali membrane e ponticelli (air-bridges), avviene tramite l'utilizzo di materiali sacrificali. Essi vengono deposti sotto le strutture da rendere sospese e successivamente rimossi tramite tecniche di attacco selettivo, quali il "wet" (in umido) o "dry" (a secco) reactive-ion etching (RIE) che permettono una rimozione veloce e altamente selettiva degli strati sacrificiali.
• La tecnica LIGA, è una tecnica avanzata, ideata appositamente per strutture ad alto fattore di forma e largamente usata per strutture MEMS come rotori, molle e perni piuttosto che per MEMS RF. Essa consiste in un processo costituito da 3 passi: litografia, elettrodeposizione e stampo. Un blocco di photo-resist ad elevato spessore, viene esposto a raggi X per la creazione di strutture 3-D ad alto rapporto di forma. Dopo la rimozione del resist resta la strutture sospesa.

Surface Micromachining

• Tecnica caratterizzata da strutture a basso spessore e costruite strato su strato
• Dry etching negli assi x e y, wet etching nell'asse z per rilasciare la struttura dal piano
• Materiali usati:

1. poly-Si (Si amorfo, depositato per CVD e ricristallizzato con trattamenti termici o laser), drogato e non
2. polyimide (tipo di resist)
3. vetro fosfosilicato (PSG) depositato per CVD e ricotto per la vetrificazione
4. nitruri e ossidi di Si

Un tipico esempio di surface micromachining si compone delle seguenti fasi:

• Si interpongono strati di passivazione e/o di stop-etch
• Si eseguono trattamenti termici ripetuti per rilasciare lo stress delle strutture
• Si possono verificare problemi di stiction, in cui la struttura rilasciata si deflette, va a toccare il substrato e vi si attacca

Utilizzo: Sensore chimico e biochimico

• Una struttura del genere vibra a una sua frequenza di risonanza
• Se vi si deposita sopra del materiale, la massa cambia e quindi anche la risonanza
• Si può specializzare la superficie in modo che vi si adsorbano solo gli elementi di interesse