REVISIÚN REVISTA MEXICANA DE FislCA -t7 1:2) 107-11)

El silicio y sus propiedades como material sensorF. Sandoval-Iharra

Centro de IllVeS1i~aciún y de Est/ldio,\' A\,{/I/zudos-Unidad G/uu/a/ajaraAl'. López. Mareos Sur 590, -45/-40Gum/a/ajara, Jalisco, Me.ricn

Recibido el2 de diciembre de 1999; aceptado el6 de noviemore de 2000

ABRIL 2001

Esle artículo descrihe las consideraciones de diseño de diversos transductores basados en silicio. El propósito es doble: 1) el silicio es unmaterial semiconductor adecuado para el desarrollo de transductores completamente integrados, los cuales pueden ser fabricados con proce.sos de fabricación est!ludar de circuitos integrados: 2) si el desarrollo de transductores es compatihle con procesos de faoricación estándar,l'nlonces se describen las capacidades para el desarrollo de sensores inteligentes. Por 10anterior. se realiza una revisión oihliográfica con laintem:illn de elaborar una referencia que sea útil para el principiantc y para cl diseñador de sensores oc estaao sólido.

/)¡'.\t"I"il'wrcs: Dispositivos semiconductores; sensores de estado sólido: circuitos integrados

This raper focused 011 the design considerations of silicon based transducers. The reason for this is twofold. First of all. silicon is a suitablematnial I"orlhe devcl0plllent 01"I"ullyintegrated transducers, which can he manufactured with any le faorication process. The second reasonis to lkscribe the possihilities to design lhe so-called smart sensors. In this way. an overvicw has hcCll created w¡th the purpose to wrile alIscful rcfcrence for the oeginner and for the expcrt sensor designer.

A'C'ywords: Semiconductor devices: solid-state sensors; integrated circuits

l'Aes: 06.70.D: 85.40G: 85.30

1. Introducción

La razón de la crccicnte demanda que tiene el siliciohasla nuestros días no sólo es dehida a sus propiedadeselectrónicas, sino tamhién a sus excelentes propiedadesllle(¡Ínicas, químicas, ténnicas, magnéticas. cte. Tener cono-cimiento de estas propiedades han permilido. ¡II diseflador dccircuitos integrados (CI) y dispositivos semiconductores, quea Iravés del uso de las técnicas fotolitográlicas de los proce-sos estándar de fahricación monolítica, sea posible desarro.llar sensores completamente integrados en silicio. Por ejem-plo. de las propiedades mecánicas del silicio cahe seflalar queel valor del r ,ódulo de Young (1.9 x 1012 dinaslc(2) es muyaproximado .,. que presenta el acero inoxidahle y el níquel;Sil dureza (85) kg/Illln:.!) es r- 1)' similar al del cuarzo y es eldohle del valor del hierro; su tensión de respuesta al estira-miento (G.9 x lOJO dinas/cm:.!) es al menos (res veces más<lIla que en alamhres de acero inoxidable 111. Esta informa-ción permite pensar intuitivamente que el silicio es un ma-terial mccánicamenlc fuerte. Sin embargo. en ocasiones lasohleas de silicio se rompían sin aparente razón, lo que con-lrihuyó a creer que el silicio era un material mecánicamentefr;ígil. Esa idea originó que en el crecimiento de cristales desilicio de alta pureza, no sólo se optimicen las propiedadeseléclricas sino tamhién sus propiedades mec<Ínicas, es decir,se reduce la densidad de defectos cristalográficos en el cuer-po, superficie y en hordes pam minimizar regiones potencia-les de alta concentración de tensión. En la pr.íctica.todo com-ponente mecánico que esté sometido a fricción, ahmsión y atl'nsiün deoe ser tan pequeño como sea posihle para minimi-lar L'!lllímcro fOfal de defectos cristalogr<ilicos.

La J~lhricación de microcstructuras se realiza a través delgrahado (isútropo y/o anisótropo) no sólo del silicio sino tam-

TABLA 1. Dispositivos semiconductores y sus propiedades comotransductores.

Excitación Proceso Sensor

I~adiativa F()tl)ConduClin) Follxl iodo/Fol otran sistor

Foto\"oltaico FOIO<.!i(xjo

I\lednica PieZ{lHesistivo Sensor de esfuerzo

Sensor de presiónTérmica Gcneración Di(xjoffran.sistor

clcctr6n/hueco

t\bgnética E"el'lo Hall Elemento Hall

MagnetolransistorEkctrica o ~1odlllación de MOSFETQuímica l"lllldtKtividad

hién de todos aquellos materiales propios del proceso de fa-hricación estándar de Cl. El diseño de microestructuras serealil.iln mediante una técnica conocida como micromaquina-do (para ampliar el tema ver la siguiente p<Ígina electrónica:www.cc.surrey.ac.uk/Pers(lll<lI/D.Banks/spanish/sumintro.html).

i\del11¡ís de las propiedades mecánicas del silicio. existen(lIras que pueden ser 1I1ilizadas pam sensar una gran varie-dad de cantidades físicas (ver Tahla 1). La ventaja de fabri-car elementos sensores en silicio cs que ellos pueden ser si-Illult¡íneamente 1~lhricados con otros componentes en un mis-11\0 dlip. Por ejemplo, un sensor puede ser diseflado comoparte de un circuito amplificador, de manera que cualquiercamhio en la señal es procesado en el mislllo punto de gene-ración sin la influcncia dc ruido acoplado a través de cone-

lOS F SANDOVAL-IBAR.KA

TABLA 1I Dispositivos microelectrónicos y su capacidad para Sl'n-

sar par:ílllctros físicos <..le interés.TABI.A 111.Requerimiento de sensores l'n el ,lrea médica 141.

2. Transductores nlcc,ínicos

La forma m,ís simple dc usar las propiedades el;Ísticas del si-licio es a ¡ra\'és de memhranas o diafragmas, cuyo grosor esmucho lIlellor que el que presentan las ohleas (del orden de300 11m) en procesos de fahricación de el. La fahricación dediafragmas de silicio se ohtiene mediante técnicas de grabadoque pueden ser de naturaleza isótropa o anisótropa. depel1-

xiollcs inductivas ylo capacitivas (C0I110sucede en tecnologíahíhrida) [:21. Sin emhargo. aun cuando la amplifkación ticlas scílalcs mejora la sensihilidad. la amplificación diferen-cial cancela efeclos padsitos y con circuitería se puede call-celar efectos por variaci6n en la temperatura, al incluir estaclase dc circuitos se denen dc tener las siguientes precaucio-nes: 1) El sensor dehe ser tan simple corno sca posihle y s610incluir circuitos cuando se haya demostrado su necesidad. Enotras palahras, c\'itar agregar circuitería por el propio hien delsensor debido a que los elementos que componen los circui-tos son sensihles a luz. temperatura, campos magnéticos, etc,;2) eliminar la idea de que al reducir el (amaño del dispositi-vo se telldr<Íun aumento en la rapidez de respuesta y por lotanto se tendrá la posihilidad dc integrar una mayor cantidadde dispositivos en unlllisll10 chip (existen excepciones comolos Ce!)). En microsensores, pequeñas dimensiones implicapohre precisi6n [31.

Por otro lado. no todos los elementos sensores dehen serimplcmL'ntados mediante micromaquinado, es decir. los dis-positivos de fahricaci6n coml1n en los procesos estándar parael procesamiento de las señales tamhién pueden ser usadoscomo elementos sensores (ver Tahla 11). Estos últimos han si-do usados en diversas {¡reas de aplicaci6n que incluyen COll-trol industrial, rohótica y automatización. instrumentación,medicina. elC. Sólo para ilustrar las necesidades de sensoresen el ;írea medica, la Tahla 111 muestra una lista del tipo desensores requeridos C0ll10 función del tratamiento clínico aaplicar para diversos patiL'cimientos [.11.

Por 10 antt~rior. en el presente documcnto se hace una rc-\'isi6n dl: principios h,ísicos de operación para diversos ele-mentos sensores diseñados y fabricados en México. Se mues-tran diversas aplicaciones y sc descrihe. cuando cs necesario.los pasos tecnológicos adicionales al proceso estándar dc fa-hricación que permiten el desarrollo de elementos sensoresde interés.

diente o no dependiente de concentraci<Ín de impurezas. Elgrahado de silicio húmedo puede ser realizado medianteKOH. EDP () NaOH, mientras que el grahado seco incluyeel uso de plasma y el denominado RIE [1 J. Para obtener undiafragma de silicio se graha (o remueve selectivamente) laparte posterior de la ohlea con soluciones de KOH (esta solu-ción es dependiente de la orientación cristalográfica y presen-ta una raz6n de grahado mucho mayor que las soluciones deEDP) y C0l110Clllllascarantc se usa nitruro dc silicio (ShN,j).ya que se sahe que la ra/ón de grahado en KOH es casi cc-ro respecto a otros enmascarantes. como el dióx.ido de silicio(SiO:.!l. El ,írea y grosor del diafragma se determina a travésdel siguiente modelo:

(I)

Presión sanguínea y cstimulación

Sensor de gluco<;a

EEG y cs(Ímulación

Diversos sCl10srcs

Organos artificiales

Presión. !lujo. P02, reOlFlujo. presión y sensor de glucosa

Acido mico. !lujo y prc<;ión

Et\lG y diversos actuadores

Sistellla~ terapéuticos

Sensor requerido

Presión, l1ujo, pI!

P02,POC2

Electrodos. sensor de posit.:ión

Micrófonos y estimuladores

Presión. flujo, PC02. estimulación

Presi<')ny v;ílvula de control

Rifíón

Lmihgc

('or:lzón

Il¡íncrcas

I)adecimiento

Arritmia cardiaca

IlipCflensión

Diahetes

Epilepsia

Sistcma psicológico

Incontincncia urinari:l

Prohlemas rcspiratorit)s

Paraplejia y cuadriplejia

Pérdida auditiva

t - t- ¡ - ,)-'-"--"-.J - t a1l H '

donde 1 es la longitud de la ventana resultante. L es la longi-tud de diseño. t 1(' Y f ti son el grosor de la ohlea y del diafrag-ma. respectivamente. La Ec. (1) considera el ángulo (J entrelas paredes del plano cristalográfico (1 I 1) con la superficie(1 (0). L'on (J del orden de ;j.1.7 -lo (ver Fig. 1). Para conside-rar la Ec. (1) como un modelo útil de diseño se dehe tenercontrol de la velocidad de grahado, y de esta forma. ohte-ner el correcto grosor del dial"ragma.(fl) La t0cnica de graha-do hLÍlIledo.hasado en soluciones de KOH, presenta diversaspropiedades de interés. Por ejemplo, la velocidad de grahadopara si licio ( I UO) ligeramente dopado (si licio extrínseco) pre-senta UI1m<Íximoel1 rededor del 20Cif dc KOH en peso cuan-do el grahado se realiza a 7:t'C. A concentraciones mayoresla velocidad de grahado reduce su valor y, a concentracionesmenores al 20o/c- se produccn superfkies rugosas. lo quc setraduce en diafragmas no uniformes [;jI.

Proceso

Temperatura

LuzCuga eléctrica

Campos magnéticos

Especies químicas

Rcsistor

Diodo

C;lpacitor

BJT

MOSFET

i:.'{cíl:1Ci(11l

Rl'I'. Mex. rú. 47 (2) (lOO1) 107-115

EL SILICIO Y SUS PROPIEDADES COMO MATERIAL SENSOR 109

I1'( .,.¡

2.1. SCllsores de presión piezorresistivos

••

/(1 lO}

Ix (cm)1y (cm)

~.4.hlOl

(~

<'.""1' •

~ 1, SiO,lf--.6k].,1

loir(

FIC;URA ). Diafragma de silicio y su corle transversal.

(2)

(3)

(o)

FIGURA 2. a) Distrihllci6n de eSfllerl.O en un diafragma de silicio.h) conllguTación sensorn con piezorresislorcs.

(5)

(4a)

(4h)

Ii71 = 71"12 + '2(7ill - i712 - 1r<\4)

= :~S.5 x lO-UcIll2jc1inas,

17T1I = iill - '2(ii11 - iiI:l - 7TH)

= 40.5 x lO-U f'm2 /<linas,

concentración dc impurezas, temperatura, dirección cristaio-gnHica y no ser<Índescritos en este documento. Existe litera-tura a la que se puede acudir sí se desea ampliar más en elterna [G-!JJ. En semiconductores Clíhicos la matril_ de coefi-cientes piezorresistivos tiene sólo tres valores independien-tes: 1rll• 71"12 )' 7TH, Los coeficientes dominantes en siliciotipo 11 y tipo l' son 7T11 y 7T_I,I, respectivamente. En las direc-ciones [11O] los l'ot:licicntcs pic/.orresistivos están dados por

----vUl)I

"R.~R'R

fY'~:,(h)

los cuales son valores a temperatura amhiente [lOJ. Algunosautores L'onsideran que los coeficientes dados por la Ec. (4)son iguales en magnitud 111.121. 1i7_I,¡1/2, y representan larespuesta del sensor de la siguiente manera [10]:

• "H ( )P¡f = \'nnT all - (J.1 '

la cual es una relación lineal v<Ílidapara un amplio rango depresión, y en la que se asumió que se satisface la relación0"11 = a.1' La Ec. (,') es vüliua para aquella situación en laque el diafragma sólo tenga integrado un par de resistorcs endirección (110), asumiendo que la superficie del diafragmatiene orientación (1 10). Ydos resistores más fuera de la zona

Ó.n'I',¡= FDDR,

donde \ -DD es el potencial de polarización, y !:i.R representael camhio en el \'alor de la resistencia dehido a la aplicacióndc P. En este sistema, únicamente cuando existe una presiónaplicada. los resistores están sometidos a componentes dI.'es-fuerzo perpendiculares a.1 y paralelos aJl a la longitud de losresislOres, de modo que el cambio resistIVOestá dado por

Ó.nn ="lIall+,,~a~.

(,:on7T.1 Y7T1Jlos respecfivos coeflcientes piezorresistivos, quepueden representarse en función de los coeficientes 1r funda-mcntalcs del silicio. Estos últimos son dependientes de la

La piczorrcsistcncia en un material se:. manifiesta como unavariaci6n en la resistividad p C0l110 consecuencia de una pre-sión P aplicada. En semiconductores de handa indirecta. co-mo el silicio. la presión aplicada induce un esfuerzo mecánicoen la estructura cristalina que se traduce en cambios 6Ey enla handa prohibida. el cual se manifiesta corno un incremen-to en la concentración de portadores de carga en la banda de(,:ondlH:ciún.El proceso descrito se utiliza para scnsar presi6na través dc la integración de resistorcs R (en arreglo de puentede \Vhcatstonc) en el diafragma dc silicio, el que actúa comoelemento elástico sensihle a la presión. En la Fig. 2a se mues-Ira la distrihución del esfuerzo mecánico (eje;; en dinaslcm:2)en el diafragma una vez que se aplica una presión. En esta¡¡gura, el eje Cl" denota la longitud ( del diafragma, el cuales del orden de 0.15 Clll. El mismo significado presenta el eje(,/, ya que se considera que el diafragma es de geometría cua-drada. Se puede ver que las zonas de mayor esfuerzo (regiónL'n la que se manifiesta más piezorresistencia) son las que seuhican en la parle media de cada uno de los extremos, (/'l.Por lo tanto. es en cada una de esas regiones donde se debeconstruir un rcsistor de valor R. Por otro lado, se puede arre.:.ciar que el cenlro geométrico del diafragma es la región queno experimenta esfuerzo alguno. (b) Aún m~ís.el esfuerl.o endirección (110) es negativo respecto al esfuerzo en dirección(110). Esto significa que la respuesta diferencial a la pr,,~siónse puede ohtener con el circuito eléctrico equivalente que semuestra en la Fig. 2b, la cual está dada por

R,,'. Mex. Fi,- 47 (2) (2001) 107-115

110

------

(o) lb)

E SANDOVAL-IIlARRA

Si (100)

Orilicin de grabado

~,

polisilicio

Sobregrabado (".m)•

70polisilicio

"O

•

(b)

SiO~.-' -' -"

100 :!OO 300t(min)

50

20 PSG"".

10 "

,o

(a)

Diafragma

Si02I1.

:::J t <J i W

región p.

(o) (h)

pl~fija

Fr(iURA 5. a) Diafragma p+. 11) represenlación de un sensor depresiún capacitivo.

JO

que la vJriaci6n en la capacitancia es una medida de la pre-sión que se aplica. El sensor capacitivo presenta una pohresensihilidad a variaciones de temperatura, dehido a que sóloposee dos de los seis mecanismos de corrimiento en tem-peratura que dominan cn los sensores piezorresistivos (IGJ.Además, presenta una sensihilidad a la presi6n del orden deI() veces más que la que presenta su contraparte piezorresis-tiva [17J. Sin emhargo, la principal desventaja de una estruc-tura capacitiva es la no linealidad de su característica voltaje-presi<Ín.

La formJ tradicional para implementar un diafragma desilicio es realizando una difusión de átomos .Kcptores enlIna región seleccionada en la superflcie de un substrato desilicio. El límite natural de grahado (realizado por la par-te posterior de la oblea) lo impone la alta concentración deimpurezas [ISI_ De modo que al oblener un perfil plano decOlllamirw.ntc, la profundidad dc unión, en primera Jproxi-maci6n, corresponde al grosor del diafragma (ver Fig. 5a).En la práctica. se sahe que para concentraciones mayores aI x 101!' álomos/cm2 ocurre una notable reducción en la ve-locidad de grahado. A esos niveles de concelllración (la se-paración entre <Ítomos de horo es de 20-25 Á. se está muycerca del límite de soluhilidad (5 x lOUI átomoslc(3) para

FinURA 4. a) Representación de la formación de un diafragma deShN,I. h) razón de grahado para diversos materiales en solucionesde KOII (35% en peso a 80°C) (151.

FIGURA J. a) Alineación de mascarillas. b) uhicación correcta dericzorrc .•.•isl(lfCS.

del diafragma, los cuales no están sujetos a experimentarcambios resistivos. Es importante señalar que el diafragmapresenta un límite natural a la presión que se aplica y queestá en fUllción del csfucfI.o de rompimiento Gr. Para silicio(10m, (17" = :1.G X 109 dinas/cm2•

El valor dc la rcsislcncia típica de los piczorrcsistorcs esdel orden de 2.5 kU. es decir, la baja impedancia de salidadel puente rcsisli\'o permite que la señal generada sea 1Ilili-zada sin necesidad de circuitería adicional. Sin embargo, sesabe que los piczorrcsistorcs ¡n legrados son sensibles a varia-ciones de temperatura. Esto significa que es adecuado contarcon cirL'uilos que eliminen los efectos dehidos a variacionestérmicas cuando el transductor es usado en un rango ampliodc tcmperaturas [11-1,1 J. Por lo tanto. en la fabricación deesta clase de sensores se dehen tener presentes dos condicio-nes fundamentales: 1) Dehido a que primero se fahrican lospicznrresistores y posteriormente sc graha la parte posteriorde la ohlea (para la ontcnción del diafragma). se de he lenerun exacto control de la velocidad de grahado para cvitar queel ataque latera1 sitúe a Iqs piezorresislores en zonas de pohresensibilidad a la presión; y 2) se dehe de realizar una correc-ta alineación entrc la mascarilla que contiene el patrón paragrahar al silicio y la mascarilla que L'ontiene el patr6n paradelinear el área del diafragma y la ubicación correspondien-te de los piclorresislOres. Esto evita errores de alineación yasegura que el puente piclorresistivo ocupe su posición de di-seño (vcr Fig. 3). Cuando no es posihle satisfacer los puntosanteriores. se puede usar una estructura alternativa que es laidea presentada por S. Sugiyama el al. 115]. Este diseño semuestra esquemáticamente en la Fig. 401. Y se puede ver quela técnica tic fahricación requiere de una película de materialadecuado (denominado de sacrificio) que posteriormente sedeliminado pero permitid la construcción de un diafragma deSi:~NI. el cual conlendrá un puente de \Vheatstone formadopor resistores de polisilicio. La cavidad se forma cuando lasolución de KOH penetra por el orificio de grahado, elimi-na se1cctivamcnte al polisilicio en todas direcciones y poste-riormente remueve parte del cuerpo del silicio. La harrera degrJhado en el suhstmto son las paredes perpendiculares a ladirección (111). de ahí que la cavidad tenga geometría pira-midal. Lo .• Fig . .:lb muestra la razón por la cual polisilicio espreferido como capa de sacrilicio respecto a otros materiales.

Un capacilor de placas paralelas como elemento sensor depresión lisa un diafragma como placa movible. Esto signilica

2.2. Sensores de presi()n capacitivos

R('I'. Aln. ¡:ú. "7 (2) (200]) 107-115

EL SILICIO Y SUS PROI'IEIHI)ES CO\10 \lATERIAL SEl'\SOI{ \\1

(9)

v,""

poli silicio

(a)

Presión

-O-

Silicio

VI~'_

I.,/~-C,/ ~rese!"1 ~',~',

(h)

\. \' c., - c,. [ I (C, )]out = nn er 1-.4

0C

F+ 1

excitaci6n en corriente alterna es una alternativa viahle. sincmhargo requiere de componentes de calibración que hacencomplicado el circuilo. La lécnica dc capacitores conmuta-dos por su principio de operaci6n es la técnica de detecciónque rcgulannente se utiliza. La Fig. 6h muestra un circuito acapacitores conmutados. que tiene la característica de ser in-sensihle a los efeclos de las capacitancias parásitas 11 i. 19J.

Se puede demostrar que si en el circuito de la pig. 6b laganancia. a mu)' haja frecuencia. del amplificador operacio-nal es Ao• la rcspuesta del sistema estü dada por

Fl(iU Ri\ 6. ;1)Sl'll~or de prcsi6n desarrollado l11edianle grahado Sll-pcrtlcia1. 11) circuito de detección.

donde er. es UIl capacitor de referencia y ex es el capacitorsensor. Resulta claro que es deseable que la ganancia ..lo seasulicientelllellte ~lIta para minimizar su efeclo en la respuestadel circuito. Alín m<Ís. en sensores capacitivos el ruido queintroduce el circuito de detección puede limitar la resolucióndel transductor. sohre todo si las dimensiones del diafragmason pequcilas [:!Ol. Cuando es el caso. para realizar una adc-cuada dc(ecciún se han propuesto cin.:uilOs a capacitores con-mutados que eliminan los efeclos debidos a ruido 1/J 12] l.circuitos que Iinearizan la respuesta del sensor [221 y circui-tos que incluyen conversi6n analógica-digital [23J.

En un sistema de placas paralelas. donde la placa superiores el elemento sensihle a la presión que se aplica. se asulllellue esta placa (o diafragma) est~í libre de estrés. (Tu. Sin em-bargo. para aquellas situaciones en las que el estrés no ha sidosulicielltelllcntt.' eliminado. la expresión para determinar el

((, )

(Xh¡

(Xa)

iff2l'ntanh- -,-f :lO

('(1') = C,

pnl

[ (r )']'l1"(r) = --" 1 - -GIDn R"

C(P) = j"" j'/( Ea;,r "r"E>." . o "30 - 11" (r) .

donde Ud cs el radio del diafragma. Do la rigidezllexural.

boro suhstitucionalmente introducido en la red de silicio. Secree que el fuerte enlace boro-silicio tiende a compactar la redrígidamcnte. provocando que la energía mínima para romper('1 enlace se incremente 111. Por otro lado. la Fig. 5b mues-tra una representación del capacitor de placas paralelas descparaL'i6n d:w. Para un diafragma de geomctría circular su-jeta por su circunferencia. la llexión 1F(,.) que experimentael diafragma, como consecuencia de una presión P aplicada.csl;í dada por 11 ;11

Apl icando técnicas conocidas de integración se puede dc-mostrar que la variaci6n de C(P) con la presi6n aplicada est,ídada por

donde e(J es la capacitancia para r = (l. Cabe señalar qucsi 110 se determina adecuadamente la separación de las pla-GIS del capacitor. éstas pucden crear ulla inestabilidad ulla\"l'!. que entrcn en cont,lL"to. Esta inestabilidad se corrobora através de Ec. (8) cuando se evalúa para cl valor nr

rnax = t!:IO.

AJ igual que en sensores piezorrcsistivos, existe la técnica de(',IP;I de sacritkio (SiO:.d para formar un capacitor y elimi-nar la necesid~l(.1 de usar técnicas de grabado para ohtener laplaca 1lI()\'ihle. En la Fig. 6a se mucstra en corle transversalel sensor de presión con diafragma dc poli silicio y placa fija11+ 11SI. Enla pr<ÍctiL'a.la sensibilidad del sensor a la presiólll'S mayor en un capacilor de geometría cuadrada que en llllllde geolllctría circular: \t'rnax,("lladrada :::::: 1.:!Ult'lllax,dr("lIlar'

Para la geometría cuadrada la longitud de L'ada una de loslados es 2R(I. Este tipo de sensor requiere de circuitería quedelccle las variaciones en capacitancia y que proporcione unasellal que sea una medida dc la presit'ln que se aplica. Unaposihi/idad es usar un circuito oscilador. el cual generalmen-te 110 es úlil para esta ..:Jase de sensor dehido a las pequeílasv~lriaciones en capacitancia que se presentan. Un pucnte dl'

con E). elm6dulo de Youllg y v el valor de Poissoll para si-licio. Se pucde ver que el centro del diafragma es la zona queexperimenta la m;i,ima flexión. denotada como U'rnax• paral' > O. La variaciún dc la capacitancia en funciún de la pre-silÍn aplicada puede ser ohtcnida una vez que se resuelve lasiguicnte integral:

E\'D"D" = 12(1 _ 1")

Rí'\". ,\Ie.\". ¡:,\ -17 (::!) (2001) 107-115

112 F. SANDOVAL.IRARRA

Aluminio

Silicio n

(h)

dado por 1271

v V (11")11 = HlAS!J",> T G. (11)

donde IV y L son el ancho y largo de la muestra, y G es unfactor de corrección geométrico con valor cntre O y 1 [281.Si hien es cierto que la movilidad de huecos no es la de másallo valor. a temperaturas est.indar de uso. una de las apli-caciones más simples de este transductor integrado es co-mo interruptor. (11) Por ejcmplo. la prescncia de un campomagnético genera una sefíal eléctrica (susceptible de ser am-plificada) que se pucde interpretar como un estado lógico al-to, mientras que la auscncia de jj corresponde a un estado!6gico bajo, ya que ese campo no genera una señal de interés.En la pníctica, esta tíllima aseveración no resulla del todocierta debido a la existencia de un voltaje (~I/.I;l'!, que se atri-huye a pequeijas variaciones en la alineación de las mascari-llas de fahricaci6n. a l1uctuat.:iones en las carat.:teríslicas delmaterial semiconductor ya efectos piezorresistivos [29J. Sinemhargo. con una adecuada carat.:terizaci6n del vollaje OJ/H'!a la temperatura de trahajo del sensor es posible implementart.:ircuitos de control y de de(ect.:ión a nivcl TTL (301.

7+

v.

(a)

p

valor de 1,.¡.,'1II3X csr<Í dada por [241

FI(;URA 7.:1) Sistema Hall. b) corte longitudinal de un sistema Hallen silicio.

~,. Transductores magnéticos

Para eliminar el estrés del diafragma procede la aplicaciónde tratamientos térmicos si la estructura sensora está hasadaen silicio policristalino (llamado usualmente poly) o hicn, esprudcntL' usar implantación de iones dc hora cuando el dia-fragma es de nitrufO dc silicio. Para ello se dchcrá determi-nar la energía de implantación que permite que el m::íximo deconcentración se uhiquc en la parle media del grosor de lapelícula dc n¡truro. (el Experimentalmente se ha encontradoque la presencia dc una película de aluminio sonre el nitruroreduce de manera importante el estrés. Por lo que. si para po-larizar clcapacitor de placas paralelas se requiere de un elec-trodo. resulta dohlemente importante el uso de una película

de aluminio [~ijl.

Este transductor convierle líneas de campo magnético ensellal eléctrica. La Fig. 7a muestra la representación dc unmatcrial semiconductor. donde los portadores de carga.cxpe-rimcntall una fuerza en dirección perpendicular a las líneasde campo fj y a su trayectoria misma 12G). En estado esta-cionario. esta fuerl.<1 es equilihrada por un campo eléctricotransversal dehido ;¡ que en esta condición dc operación nopuctk existir un movimiento neto dt': portadores en tal direc-ción. El campo eléctrico que se genera es el conocido campoHall. En procesos estándar de fahricación de CI la forma mássimple tI\: construir un elemento Hall es mediante difusióno implantación de iones de horo (ver Fig. 7h). Consideran~do que las ohleas de fahricación son tipo n, la movilidad dehuecos 11" implica una reducción en el valor del campo Hall

J.I. Sl'nsnrrs ll1a~ll(~ticos~1()S

(13)

(12)

,.lú = . l' • Gil!.e,,, (1 (; - l.,,)

,.\"1/ = _I'_GU!'

(Jlu'j

donde I'JI es cl parámctro de dispcrsión para huccos. [J la (,.'011-

cClltración de huccos y.l") el grosor de la muestra (271. Luego.si la densidad dc carga.eléctrica cn el canal de conducci6n seasume constantc. qdl = ('"x(F(; - \.';p)' cntonces el voltajeHall se puede rcpresentar pnr el siguiente modelo:

Una estructura MOS es un excelente scnsor de campomagnético. Cuando el potellt.:ial \é,' aplicado a la compucr-ta del transistor t\,.10S alcanza cl valor de enccndido \I;p. laregión de in\'Crsiún puede scr usada como una muy delgadaestructura Hall. Desde cl punto de vista de fahricación de 1<1cstructura scnsora, sólo cs IlL'ccsario desarrollar. aparte de lasrL'~iones de fucnte y drenaje. UIl par de regiones mí.is para lamedición de \ '1/. Se pucde dcmostrar que el voltaje Hall enfunci6n de la corriente de polarización 1 (ver Fig. 7a) estádada por

donde Cox es la capacitancia del óxido de compuerta. Desdeel punto de vista pr:ictico. la no idealidad que introduce la po-larización limita la operación de la estructura MOS a voltajesde drenaje pcquellos y corriclltes pequeñas. Para incremen-lar taJes par;\ll1ctros se pucde lIsar el denominado MOSPETtic separacián tic drenajes. Usando dos regiones de drenaje.éstas comparten la corriente del transistor 1p. sin emhargo,al aplicar un c£unpo magnéti(o perpendicular a la direcciónde In los portadores dc carga experimentan una llexión queproduce corrientes asimétricas en las regiones de drenaje DIy DJ. (ver Pig. Ha). las cua1cs PUCOCI1 ser procesadas de ma-

(10)..JR~aTt'Wmax

+ Et"(! - 1') .,1 •

pR;~ 1G ••....maxEt' = :\t"(1 - ,,2)d .,¡

Rep. Mex. Fis. 47 (2) (200 1) 107-11:;

EL SILICIO Y SUS PROPIEDADES COMO MATERIAL SENSOR 113

metal

Síl;cio-p

Compuena Drenaje I

(h)

Fr(jUKA H. a) Sensor magnético !\o10Scon sepan\t'ión de drenajcs,h) implemcntación C!\IOS.

nera adecuada para cuantilkar la intensidad de 13. La técnicadc separación de drenajes puede ser implementada de mane~ra simple en tecnología CMOS. En este diseilo (ver Fig. 8h),el drenaje que experimenta un incremento en corriente se co~necIa al drenaje con menor corriente del transistor complc-menlario y vicc\'ersa. Esta metodología de diseño tiene lacaracterística de tener muy pohre asimetría en las corrientesy permite que la excllrsi6n de la señal de salida sea gran-de. En resumcn. este circuito realiza detección de camposmagnéticos, presenta control del punto de opcración, reali~la conversión diferencial a terminación simple y proporcionaganancia [311.

Una enorme gama de nuevas estructuras (arreglo de trans-ductores magnéticos, drenajes múltiples, etc.) han sido repor-lados y llluestran la diversidad de aplicaciones de esta clasede transductores [:l2-3.j¡. Sin embargo. no sólo a nivel de cir~cuilo los sensores de campo magnético son importantes, Conestos elementos se puede determinar la movilidad de porta-don:s [:1G]. mecanismos de transporte en materiales refra¡;la-rios l:ri'1 y propiedades magnéticas en materiales sometidosa esfuerzo Illc¡;<Ínico1:181. cte. Adem<Ís. si hien es cierto queel silicio no es un malerial de gran sensibilidad magnética.(lfrece una tecnología de fahricación oc dispositivos sensoresy cir¡;uitería de ¡;ontrol integrados, nIya producción es r<lC~tihle dc lograr a gran cscala y hajo costo, Pero la aparcntehaja sensihilidad magnética del silicio es cierta a temperalu-ras típicas de operación (delección de campos de 3.5 mTa 3()()K), porque para aplicaciones criogénicas (77 K) la de-

FIGURA 9. Micropuntnde silicio con 12 áreas sensoras.

tección dc campos magnéticos está en el orden deIOOflT [3Q, ,101. Por lo lanto, en vista de las ventajas queofrece la tecnología del silicio, ésta es en la actualidad la ele¡;~¡;ión ndecuada para el desarrollo de dispositivos sensores decampo magnétko,(")

4. Sensor de impulsos nerviosos

Micropunta es la manera ahreviada para designar a un 11l1//fi-

lIlicroe/ecfrodo d" /Jc/(cu/a de/Rada [41 J, el cual es un dispo-sitivo quc se ohtiene mediante técnicas de micromaquinadodel silicio, Se aplica para el registro de la actividad eléctricade las células nerviosas en el sistema nervioso central y pe-riférico, y para su estimulación eléctrica (ver Fig. 9). Estalíltima, consisle en generar una a¡;tividad neuronal artilicialpara superar la p0rdid.¡ de funci()nes de pacientes paralizados,inconscientes o L'ondenciencias sensoriales. En particular, lacstimulación elé¡;trica del sistema nervioso ha sido usada enun intento por tratar desórdenes de locomoción, enfermeda-des vasculares periféricas. epilepsia. parálisis eerehral y dolo-res crónicos [.121, Por su aplicación, la estimulación eléctricaes conocida como estimulación funcional eléctrica (EFE), ycuando la EFE eslj restringida a la eslimulación del sistemaneuromuscular a menudo es llamada estimulación funcionalneuronal (EFN).

Una micropunta ¡;onsiste de un trampolín ohtenido me-dianil' el grahado de un suhstrato de silicio usando algúngrahante anis6tropo (KOH, NaOH, TMAH, ele.). A lo largodel Irampolín se definen electrodos, los cuales son de reduci-da dimensi6n e implementados con metales que resistan losefectos del ambiente severo en el que son insertados. Usual-l11enlclas micropuntas están sustentadas por un área porlado-ra de grandes dimensiones, en la que se integran los pnds(f)

de salida y alternativamente se incluyen circuitos de amplifi-¡;ación o de procesamiento de señales. Si se define la longitudde la micropunta desde la hase (o .írea portadora) hasta el ex~tremo Iihrc, entonces es posihle fahricar un piczorresistor (ovarios) en la I.ona cercana a la hase y delectar, mediante cam-hios resistivos, el esfuerzo mecánico que experimenta la mi-cropunta durante la inscrción y el csfucr/.o al que es somctidopor el entorno hiológico. Dehido a que el silido es hio¡;om-palihle. es hásj¡;o optimizar las dimensiones de la micropuntapara que su tamaño no permita su interpretación ¡;omo ente

Re.'. Mex. Fú. 47 (2) (2001) 107-115

FJ(;URA 10. Acercamiellto de una micropunta dc silicio. Las zonashlancas en la periferia es nilruro de :-,ilicio.

Como lo muestra la Tahla 1.existen otras propiedades delsilicio que no se han L1ist'ulido en el presente artículo. Laspropiedades ópticas y químicas del silicio y sus aplicacionesrcquieren de un espacio que no es posihle contemplar en elpresente dot'ulllenlO. pero quc serán descritas en una futurajlubliraciún dehido al enorme desarrollo que han tenido cn di-versos lah(lrat(lrios de investigación en México. Sin emhargo.cs prudentc mCllcionar que aUllcuando e[ sili<,.-iono era usadocomo detector dc infrarrojo (IR). hoy en día es posihle de-sarro[lar fotodctecfores compatibles con tecnología C!\10S.Para 4.:'stepropósito. cluso de aleaciones silicio-germanio hi-drogenado L'Sfundamcntal para ohtener un alto t'oeliciente deahsorción ¡,lil. Además. se sabe quc para entonar un fotode-tector ;¡ una longitud de onda de interés sólo se dehe ajustarel contenido dc Cic en la regiún de absorción [.¡,s 1,

Todos los transductores aquí cxpucstos han sido y sigucnsiendo desarrollados en las instalaciones dellNAOE (Tonant-zintla. Puehla. i\léxico). La revisión que se presenta es con-secuL'ncia dc la experiencia adquirida por el autor en el Labo-ratorio de !'vlicroelectrónica de[ INAOE.

lores y circuitos integrados <MOS. hipolar. BiCMOS). Tantoel silicio como el germanio son. sin IUf!ara dudas. los malc-riales s4.:'llliconductoresm~ísestudiados: Sin emhargo. existcndiversos par:ímetros de comparación entre ellos que permitenusar el silirio como suhstrato de procesamiento. sin olvidarque esta sL'[ección est~l 1i.i~HIapor 4.:'1desarrollo de circuitos ysistemas orientados;¡ determinadas aplicaciones. Cuando lascap,\L'idades electrónicas del silicio est:ín fuera de esas po-sihilidades. los diseñadores optan por usar sellli~,:onductorescompucstos. Hoy en día existen desarrollos hasados en sili-cio. que en cl pasado recicllte eran sólo competencia de ma-tcriales como el GaAs. A la par de este desarrollo. ha\' unatendencia para desarrollar sistemas completamente in¡egra-dos. Los televisores lllodernos, la telefonía celular. los dispo-sitivos de cmrecciún auditiva y sistemas de lIlonitoreo neuro-nal son ejcmplos de sistemas que no sólo inclu\'en circuitosdc proccsamienlO sino tamhién contienen sens;)res. Lo másasomhroso es quc el diseñador ha podido explotar y aprove-char las propiedades sensoras dcl silicio sin que eslO impliqueUllcosto elevado ell la fahricación de csta clase de sistemas.

II~

Una de las invenciones más importantes del siglo XX fue L'IrmnsisfOr. Este dispositivo dio la pauta para el posterior desa-rnl[lo de pn1ces()s de fahricación de dispositivos sellliconduc-

5. Conclusiones

F SANDOVAL-IRARRA

hiológico extraño y sca motivo de rechazo. Aún así. se sahelJ.u,ela ~.lC~ividadhiológica desplaza la micropuntn de su posi-c]on onglllal y es a través de camhio resistivos como se puededete~milwr ~amagnitu.d de las fuerzas que originan tal despla-l<lllllento. I:n la práctica, las dimensiones de las ~lreas sensi-hles y las restricciones de la tecnología determinan el Iar!.!oy ancho del trampolín. Sin cmhargo. es importante sella~lrque el grosor de la Illicropunta dehe ser acorde a las dimen-siones de la longitud y del ancho para asegurar su inlegridadIllec<Ínicadurante la inserción. Para ello. y concluida la inser-ci<Ín.e[ arreglo de [os dcctrodos dehe queLlarperpendicular ala dirección longitudinal de las fihras nerviosas con el planodc las <Íreas sensihles paralelo a esa dirección. a fin de re.ducir el daño al tejillo y ohtcner registros adecuados de losimpulsos nerviosos.

En sus inicios los electrodos eran alamhres mctílicos fi-IlOScuyo extremo era afllado a fin de proporcionar una puntasuficientemente pequeña. Después, el electrodo era eléclri-camenle aislado con un recuhrimienlo de pl;jstico. con ex-cqx:ión de la única ~íreade registro H3j. Posteriormente, sedesarrollaron cilindros de vidrio estirados térmicamente has-ta ohtener pipetas de pocas micras de diámetro. En este sis-lema los electrodos (denominados de contaclO) se colocan enL'Iextremo rohusto de la pipeta. y ésta se llena de un l1ui-do electrolítico que sirve como conductor y permite el trans-porte dc iones de la solución para cl registro de la ;.u.:tividadeléL:trica en tejidos [.1.1]. Con el estahlecimiento de tCL:no-logías de fahriL:ación de CI se tlesarrollaron microelectrodosde película delgada, y una vez estahlecidas las téL:nicas deIllicromaquinad{)se uso la implantación iónica como procesopara determinar la geometría y dimensiones de los primerosmicroeleL:trodos hasados en silicio. Sin emhargo. los Illicro-L'lectrndos resultantes sufren de enorme esfuerzo lllec<lnÍL'odehido a las altas conccntraciones de impurezas requeridas(> 1O]~'<itomos/clll:i). y los circuitos electrónicos de proce-samiento no pueden scr integrados sohre la base del microc-lectrodo [..t;j]. Sin embargo, hoy en día es posihle desarrollarmicroelc:ctrodos compatihles con tccnología C!\IOS. La es-tructura que se muestra en la Fig. l) muestra una amplia lonade soporte.(f/) la cual es adecuada para situar doce pads queL'omunic~1Ila igual número de áreas sensoras [..tü]. Esta L'I;¡-se de microclcctrodo es cuhierto con una película de nitrurode silicio. cxcepto [as zonas de registro (20 x 20 11m'.!).Estasúltimas se desarrollan mcdiante evaporación y fOlOlihlgrariadc titanio (Fig. lO). aunque algunos autores usan oro a pc.sarde quc cste mctal cs polari/ahlc. cs decir, actúa como ca-pacitm y tiendc a cxhihir potenciales variables de corrientedirccta. Otros m,ís usan plata, ya que no son 100clt,polari/a-h[cs. pero este IlIctal no sólo aclúa como una resistencia sinoque adem<is no es I()()% biocompatihle como lo es cloro.

Rel., Me.\". Fú. -l7 (2) (lOO 1) 107-1 15

EL SILICIO Y SUS PROPIEDADES COMO MATEIHAL SENSOR 115

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(1,) Elccl1tro gométrico del diafragma es el punto de referellcia apartir del clIal se mide el esfuerzo mecánico a lo largo Y;lllchodel diafragma.

(,.)Ik ex:pcrimentos previos realizados en eIINADE, se determinúuna energía de implantación de 65 keV parn películas de nilnlfOde si lirio (Si3N4) del orden de aH> nm de grosor.

(01) Esta clase de sensor se realizó en el Lab. de l\1icroc1ectnlnicadel INAOE en colaboraci6n con la Sección de l3ioclectrúnic;ld,,1 CINVESTAV

(,) La detecci6n de campos magnéticos. usando un;l estructura~l()S. para aplicaciones criogénicas es en la actualidad un pro-yecto de in\'eqigaciún desarrollado por el ~1.c.Pedro J. Gareí;len elINAOE.

(j) Are,l ulIlductora de gran dimensión, usualmente aluminio, útilpara polarilar un sistema, medir un parámetro de interés y/op,lra aplic;u al sistema hajo an;lIisis una señal de interés.

(~I) El desarrollo tic microele(:troJos tic silicio se inició como uncjcn:icio acatlémico en Ull curso tic l\1icromaquinatlo. imparti-do por el autor en el INAOE (1CJC(6).

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