De spanningsfenomenen in dunne films hebben aanzienlijke invloed op de algehele prestaties en betrouwbaarheid van MEMS-sensoren die werken op basis van capacitatieve en resistieve sensormechanismen. Dunne films moeten mechanisch stabiel zijn om optimale functionaliteit te garanderen. Het is van essentieel belang om de spanningsstaat van de dunne films te karakteriseren, aangezien dit invloed heeft op de robuustheid van micro-apparaten, waaronder sensoren. De spanningsprofielen van de gedeponeerde films worden sterk beïnvloed door de procesparameters zoals temperatuur, druk, gaschemie, vermogensdichtheid en de frequentie van de RF-excitatie.

Verschillende materialen, zoals SiO2 of SixNy, worden in MEMS gebruikt als structureel materiaal, vooral bij de fabricage van hangende membranen voor druk- of microverwarmingssensoren. Residuele spanning kan compressief zijn, wat betekent dat de film zich parallel aan het oppervlak uitzet, of trekspannend, waardoor de film inkrimpt. Deze residuele spanning heeft een directe invloed op de eigenschappen van dunne dielectrische membranen. Een compressief membraan kan bijvoorbeeld in de war raken, wat het ongeschikt maakt om sensoren te ondersteunen. Aan de andere kant kan een te trekspannend membraan breken bij blootstelling aan druk of hoge temperatuurgradiënten. Daarom is het cruciaal om de spanning in elke laag afzonderlijk te kunnen meten en te controleren om betrouwbare multilagen te ontwerpen.

Er wordt vaak gebruik gemaakt van technieken waarbij de kromming of de buiging van de wafers wordt gemeten om de spanning in gedeponeerde films te bepalen. Dit wordt bijvoorbeeld bereikt door het meten van de vervorming van de wafer, wat kan helpen bij het identificeren van interne spanningen die schadelijk kunnen zijn voor de werking van het apparaat. Residuele spanning ontstaat door de verschillen in de thermische uitzettingscoëfficiënten van de dunne films en het substraatmateriaal waaruit het apparaat is opgebouwd. De groei van de dunne film zelf voorkomt dat de atomen zich in de laagste energietoestand bevinden, waardoor spanningen ontstaan die zich later kunnen manifesteren in de vorm van mechanische vervorming.

Door het gebruik van technieken zoals PECVD (Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition) kunnen verschillende dunne films, waaronder SiO2 en SiNx, worden afgezet, waarbij het stressprofiel wordt gemeten door de kromming van het substraat te monitoren. De procesomstandigheden zijn daarbij van groot belang, zoals de gebruikte temperatuur, druk en RF-vermogen. Dergelijke processen zorgen voor films met gecontroleerde spanningen, maar de mate van spanning kan variëren afhankelijk van de dikte van de film en de gebruikte chemie voor de afzetting.

De invloed van temperatuurbehandelingen, zoals annealing, speelt een cruciale rol in het verminderen van residuele spanningen. Annealing houdt in dat de wafers op hoge temperatuur worden behandeld om extra energie die in de film is opgeslagen tijdens het afzettingsproces vrij te geven. Door een langzame koeling kunnen de atomen zich in een stabielere toestand ordenen, waardoor de spanning afneemt. Experimenteel is aangetoond dat hogere temperaturen en langzame opwarm- en afkoelsnelheden helpen om de spanningen in de films te verminderen en daarmee de algehele stabiliteit van de MEMS-sensoren te verbeteren.

Het gebruik van zinkoxide (ZnO) in dunne films is eveneens van groot belang vanwege zijn piezo-elektrische en opto-elektronische eigenschappen. Deze eigenschappen beïnvloeden de prestaties van MEMS-sensoren, waarbij de oriëntatie van de kristallen, de morfologie van het substraat en de diëlektrische constante van het materiaal belangrijke factoren zijn. De grootte van de kristallen, de reflectantie van het materiaal en de bandgap van de gebruikte materialen zijn eveneens cruciaal voor de ontwikkeling van betrouwbare sensoren.

Bij het meten van de spanning in dunne films wordt vaak gebruik gemaakt van Stoney's formule, waarbij de spanning afhankelijk is van de kromming van de film, de dikte van het substraat, de Young's modulus van het substraat, en de dikte van de dunne film zelf. Deze benadering maakt het mogelijk om de interne spanningen van de film nauwkeurig te berekenen, wat essentieel is voor het ontwerp van betrouwbare MEMS-sensoren.

Het is belangrijk te begrijpen dat spanningen in dunne films niet altijd uniform zijn door de gehele dikte van de film. Dit kan leiden tot kromming van de film wanneer deze van het substraat wordt gescheiden, wat een indicator is voor interne spanningen. Bovendien moeten ontwerpers rekening houden met het feit dat films van verschillende materialen verschillend reageren op spanningen. Voor materialen met een laag elastisch modulus, zoals goud (Au) of zilver (Ag), zal plastische vervorming optreden voordat de spanning een hoog niveau bereikt, terwijl voor materialen zoals chroom (Cr) of wolfraam (W) de spanningen veel hoger kunnen oplopen zonder dat plastische vervorming optreedt.

Kortom, de controle en het begrip van spanningen in dunne films is van essentieel belang voor de ontwikkeling van betrouwbare MEMS-sensoren. Het beheersen van residuele spanningen door het afzettingsproces, het gebruik van annealing en de keuze van het juiste materiaal zijn cruciale stappen in het waarborgen van de prestaties en levensduur van MEMS-apparaten. Het begrijpen van deze factoren helpt ontwerpers om robuuste sensoren te ontwikkelen die onder diverse omgevingsomstandigheden goed functioneren.

Wat is de invloed van microheaterontwerpen en fabricageprocessen op hun prestaties?

De ontwikkeling van microheaters is een belangrijk aspect in de technologie van miniatuurverwarmingselementen, waarbij de focus ligt op het bereiken van hoge temperaturen met minimale stroomverbruik en een compacte afmeting. Microheaters, die vaak worden toegepast in sensoren, ontstekingssystemen en andere toepassingen waar snelle temperatuurveranderingen nodig zijn, hebben verschillende ontwerp- en fabricagevariaties die de prestaties ervan beïnvloeden.

Een typisch voorbeeld van een microheater is de zogenaamde Hotplate Microheater, die ontworpen is op een glazen wafer en een weerstand van 36 Ω heeft. Deze hotplate kan een maximum temperatuur van 258 °C bereiken bij een spanning van 12 V, maar vertoont een dramatische daling van de prestaties bij spanningen boven deze waarde. De stroomvariaties in relatie tot de toegepaste spanning voor de hotplate zijn duidelijk te zien in figuren die de spanningsverhouding tot de stroomafname tonen. De beperkingen in spanning en temperatuur bij deze ontwerpen zijn duidelijk, aangezien het apparaat kan doorbranden bij hogere spanningen, wat de betrouwbaarheid in bepaalde toepassingen beperkt.

Een ander veelbelovend ontwerp is de Serpentine Shape Microheater. Deze microheater heeft een weerstand van 145 Ω en kan temperaturen tot 283 °C bereiken bij een spanning van 34 V. De serpetijnvormige configuratie maakt het mogelijk om hogere temperaturen te bereiken, en dit kan bijzonder nuttig zijn in toepassingen zoals pyrotechnische ontstekers. Hoewel deze microheater indrukwekkende temperaturen kan bereiken, heeft het ook een grotere thermische massa, wat betekent dat het langer duurt voordat het apparaat zijn maximale temperatuur bereikt. Dit kan een uitdaging zijn in toepassingen waar snelle reactie vereist is. Dit type microheater kan tot 150 milliseconden duren voordat het doorbrandt, wat een belangrijke factor is bij het bepalen van de betrouwbaarheid en de gebruikstijd van het apparaat.

Er is ook een variant van de serpentinevormige microheater met een weerstand van ongeveer 150 Ω, die een maximum temperatuur van 243 °C bereikt bij 27 V. Hoewel de prestaties van deze heater veelbelovend zijn, wordt de noodzaak van een gedetailleerde analyse van de stroomsvariaties en temperatuurveranderingen bij verschillende spanningen benadrukt. Het is cruciaal om de tijdsinstelling van het apparaat te begrijpen, aangezien alle microheaters tijd nodig hebben om tot hun volledige capaciteit te komen, een normaal verschijnsel bij elektronische apparaten.

Een interessante benadering bij de ontwikkeling van microheaters is het gebruik van bulk micromachining op een DSP-wafer. Het proces van bulk micromachining houdt in dat er 340 μm van de achterzijde van de wafer wordt verwijderd, wat resulteert in een diepte van 340 μm en een diafragma van 210 μm. Het voordeel van dit proces is dat het mogelijk is om een microheater te maken die zowel efficiënt als compact is, met minimale temperatuurverschillen tussen de verschillende ontwerpen. Vergelijkingen tussen microheaters die wel en niet bulk gemicromachineerd zijn, tonen aan dat er weinig verschil is in de substraten bij een diafragmadiameter van 210 μm, hoewel een dunner diafragma tot hogere temperaturen kan leiden.

Na het optimaliseren van de ontwerpen wordt het fabricageproces van de microheaters uitgevoerd op zowel silicium- als glassubstraten. Bij silicium wordt een thermisch oxide aangebracht, gevolgd door de depositie van een lage stress LPCVD-nitride. De metallisatie wordt uitgevoerd door middel van E-beam evaporatie, waarna een fotolithografisch patroon wordt aangebracht. In het geval van glas wordt een directe metallisatie toegepast met een zaadlaag voor een betere hechting. Dit maakt het mogelijk om een hybride materiaalstructuur te creëren die thermische isolatie biedt tussen de verwarmingscomponent en de behuizing, wat van cruciaal belang is in toepassingen waarbij hoge temperaturen moeten worden gegenereerd, zoals ontstekingssystemen.

De thermische geleidbaarheid van glas is aanzienlijk lager dan die van silicium, wat het geschikt maakt voor toepassingen waarbij het genereren van hoge temperaturen vereist is, zoals in ontstekingssystemen. Bij de ontwikkeling van het verwarmingselement wordt een combinatie van titanium (Ti) en platina (Pt) gebruikt, met een dikte van respectievelijk 0,2 µm ± 0,1 µm. Titanium fungeert als een hechtingslaag, terwijl platina wordt gekozen vanwege de stabiliteit, het gemak van verwerking, de corrosiebestendigheid en de snelle thermische respons. Dit materiaal is uitstekend geschikt voor het realiseren van betrouwbare en langdurige microheaters.

Na de fabricage wordt de montage en verpakking van de microheater uitgevoerd met behulp van een multiple wafer bonding techniek. Dit proces zorgt ervoor dat de verschillende componenten van de heater, zoals de nozzle en micro-chamber, effectief op elkaar worden gepositioneerd, waarbij de handmatige uitlijning cruciaal is voor de goede werking van het apparaat. Een kleine afwijking in de uitlijning kan leiden tot mislukking van de hele heater/ontstekerassemblage. Elektrische verbindingen worden gemaakt door middel van draadverbindingen, waarbij de draaddikte zorgvuldig moet worden gekozen om een betrouwbare verbinding te waarborgen.

Bij de meetresultaten van de microheater wordt vaak gekeken naar de I-V-curve (stroom versus spanning), waarbij de gemeten maximale temperatuur van 220 °C wordt bereikt bij een spanning van 55 V. Bij deze spanning komt de structuur in storing, waarbij de stroomverbruik ongeveer 35 mA bedraagt. Het gebruik van thermische beeldvorming helpt bij het visualiseren van de warmteverdeling en het identificeren van eventuele onregelmatigheden in de verwarming van het apparaat.

Het is belangrijk te begrijpen dat de dikte van het substraat een belangrijke rol speelt in de temperatuurstijging, aangezien het bijdraagt aan de bepaling van de thermische massa. Het succes van een microheater hangt niet alleen af van de ontwerpstructuur, maar ook van de zorgvuldig afgewogen keuzes in materialen, fabricageprocessen en de interactie tussen deze factoren. Het volledige systeem moet worden geoptimaliseerd om niet alleen de vereiste temperaturen te bereiken, maar ook om te zorgen voor een betrouwbare en consistente werking over langere tijd. Het proces van fabricage en assemblage moet daarom met de nodige precisie worden uitgevoerd om de levensduur en prestaties van de microheater te maximaliseren.

Hoe beïnvloeden refractieve fouten de optische correctie van het oog?
Hoe worden de thermische en mechanische eigenschappen van tweedimensionale halfgeleiders gemeten en begrepen?
Hoe Firewater Jack de Pawnees Te Slim Afwas