Proiectare arhitectura lay-out pentru senzori optici de micropozitionare

I. INTRODUCERE

Cercetarile efectuate in cadrul acestei faze au urmarit proiectarea si experimentarea a doua tipuri de microstructuri:

senzorii optici de pozitie sau de proximitate cu aplicatii in micro-robotica care au ca principal element de detectie optica un fotodetector miniatura. Un tip de fotodetector util pentru sesizarea pozitiei unui obiect ca urmare a interactiei cu o radiatie optica este fotodetectorul multielement. Elementele active ale fotodetectorului sunt fotodiode PIN sau fotodiode de tip MSM. Structura de fotodetector de tip MSM a fost abordata la faza anterioara. Pentru aceasta faza s-au proiectat doua tipuri de fotodetectoare multielement. Unul sub forma de doua matrici liniare cu 4 elemente fiecare si al doilea sub forma de matrice patrata cu 3x3 elemente. Pentru realizarea acestor tipuri de structuri s-au proiectat si realizat mastile si s-a elaborat si experimenatt fluxul tehnologic.

o noua configuratie de microgriper polimeric, cu actuare electro- termica. Acest principiu de actionare este mult mai eficient comparat cu altele si are un timp de raspuns redus. Structura straturilor ce alcatuiesc microgriperul urmareste reducerea deplasarilor mecanice nedorite, pe vericala, pentru cele doua brate. Principiul de operare consta in deformarea mecanica si apropierea celor doua brate ale microgriperului, care la randul lor sunt compuse din doua ramuri: dintr-o ramura asa numita  'calda' si una numita 'rece', de fapt din doua rezistente metalice cu configuratii si dimensiuni diferite. Curgerea curentului prin brate va produce incalzirea mai puternica a uneia dintre ramuri, fapt ce va induce o deformare mecanica, provocand apropierea celor doua brate ale microgriperului. Microgriperul proiectat vizeaza aplicatii biomedicale si poate opera atat in aer cat si in mediul lichid. Combinatia straturilor polimerice si conductive, precum si geometria microstructurii au avut in vedere obtinerea unei actuari electro-termice eficiente pentru o temperatura relativ redusa , care sa nu produca defectarea (alterarea) celulelor biologice.

Manipularea celulara individuala a castigat teren in multe aplicatii incluzand sortarea celulelor stem, distribuire moleculara si de gene, diagnostic celular si probe bazate pe o singura celula. In mod direct, manipularea fizica a celulelor ofera o selectie mult mai precisa si o intelegere a proprietatilor celulelor fata de datele obtinute ca si medie pentru o populatie de celule.

Manipularea celulelor necesita nu numai un manipulator precis si controlabil dar de asemenea un efector final potrivit care poate fi setat pentru a realiza anumite functii fara a dauna celulelor. Meritul major pentru manipulari (cum ar fi gripparea si mutarea celulelor izolate) este biocompatibilitatea efectorului final (end effector), precizia pozitionarii efectorului final si manipularea blanda.

Sistemul de nanomanipulare L200 Zyvex este o platforma multilaterala de maniupulare compusa din nanopozitioneri controlabili care furnizeaza o rezolutie de sub un micron pentru un control precis si de acuratete. Combinat cu efectori finali se poate folosi L200 pentru a manipula probele biologice - de la biopolimeri la celula. Microgripperii polimerici realizati din SU-8 pot fi montati ca si efectori pe un L200 pentru a realiza manipularea celulelor in suspensie.

Manipularea celulara

Manipularea controlata a celulelor intr-un mediu apos este de un interes atractiv pentru aplicatiile biomedicale.Tehnici variate de manipulari au fost dezvoltate pentru a ajunge la manipularea controlata a celulelor.Aceste tehnici pot fi clasificate in general in tehnici de contact si non-contact.

Tehnicile de non-contact angajeaza in general principii optice cum ar fi de exemplu pensetele opto-electronice si pensetele laser. Un dezavantaj major al acestor pensete este potentialul efect daunator pe care il pot cauza sistemelor biologice, rezultand in scaderea timpului de viata a unui sistem - limitand astfel timpul ce poate fi petrecut pentru studierea unui sistem. Alte tehnici non-contact utilizeaza campuri electrice si magnetice. Aceste metode, printre care traparea singulara sau multipla a celulelor, sunt specifice pentru celule, si necesita aranjamente complexe electrice sau magnetice.

Cea mai folosita tehnica de contact necesita tehnologii vacuum pentru a tine celulele. Aceasta tehnica, capabila de a tine celulele pentru micro-injectie, nu da suficient control pentru sortarea si izolarea celulelor .O alta tehnica de contact pentru manipularea specimenelor biologice implica folosirea dispozitivelor micro-fabricate cum ar fi microgripperele si microprobele. Tehnologii folosite in sistemele microelectromecanice (MEMS) permit fabricarea dispozitivelor micoscalice care furnizeaza o gama larga de optiuni, referitor la design, performanta si compatibilitate materiala.

Controlul direct al miscarii microgripperelor permite manipularea controlabila a celulelor si capacitate multi-functionala, incluzand sortarea celulara, izolarea si pozitionarea celulara. Dezvoltari recente in in tehnologiile de fabricare pentru micro-dispozitivele polimerice au fost un factor semnificativ in cresterea activitatilor de cercetare la microscala. .Microgripperele pot fi usor si sigur montate pe un L200 ca end-efectiori robusti pentru a performa manipularea biologica.

Determinarea pH intracelular

Uneltele de manipulare biologica necesita "end-efectori" care sa fie biocompatibili, sa opereze la temperatura fiziologica, si sa aibe o forta de manipulare gentila. In plus, asemenea unelte trebuie de asemenea sa fie capabile de a fi integrate sistemelor de manipulare pentru a atinge o miscare controlabila, precisa. Microgripperele facute din metal sau silicon si acelea actionate prin mecanisme electrostatice sau piezoelectrice, nu intrunesc unul sau mai multe dintre criteriile mentionate.

Microgripperele polimerice activate electrotermic au fost dezvoltate specific pentru a servi ca si end-efectori pentru manipularea specimenelor biologice. SU-8, a fost folosit ca strat multistructural, in care Ni este folosit ca stratul de incalzire pentru actuatorii electrotermici. Proprietatile SU-8 ( cum ar fi rigiditate structurala, coeficient ridicat de dilatare termica (aprox.52x10^-6/sC) au fost utilizate pentru a obtine grippere cu un consum scazut de putere, si in consecinta, temperatura scazuta de operare. Microgripperul consta dintr-un brat mobil asezat pe un brat fix. Grinzi lungi, inclinate, conectate in serie, se comporta ca un actuator termal. Acest design are o mai mare rezistenta (si in consecinta un flux mai scazut de curent), rezultand intr-o temperatura de operare mai scazuta. Actuatorii electrotermici (facuti din Ni) sunt incalziti prin trecerea curentului.Caldura este apoi transferata pe incarcatura stratului SU-8 care se dilata, producand dislocarea laterala la extremitatile gripperului. Gripperele sunt sablonate fotolitografic rezultand fabricarea cu un grad inalt de repetabilitate. Odata sablonat, stratul de sacrificare dintre SU-8 si substratul este eliminat, lasand in urma gripperele care sunt suspendate. In final, gripperele sunt complet eliberate.

Gripperele pot fi folosite in medicina si biologie, in special in transportul medicamentelor, diagnostic, inginerie tisulara.

Proiectare arhitectura lay-out pentru senzori optici de micropozitionare

Fotodetectoarele proiectate pentru senzorul optic sunt frin forma de doua matrici liniare cu 4 elemente fiecare si al doilea sub forma de matrice patrata cu 3x3 elemente. Fiecare element este o fotodioda PIN realizata pe siliciu in care semnalul determinat de generarea sarcinilor la jonctiune este proportional cu lumina incidenta. Geometria celor doua tipuri de fotodetectoare a fost aleasa tinand seama de caracteristicile semanlului care trebuie detectat. Astfel matricea liniara urmeaza a fi integrata cu un ghid optic care trece peste aria activa a fotodiodelor si unda evanescenta va fi cuplata in fotodioda iar fotodetectorul de tip matrice patrata va detecta un spot de lumina a carui pozitie este stabilita in functie de fotodioda matricii care va furniza un semnal electric.

Caracteristicile fotodetectoarelor sunt determinate de:

caracteristicile elementelor de detectie deci ale fotodiodelor PIN

dimensiunile si spatiul dintre ele.

2.1. Stabilirea parametrilor de structura

Principalele caracteristici ale fotodiodei PIN importante pentru acest tip de aplicatie care trebuie analizate pentru stabilirea parametrilor de structura sunt:

responsivitatea

curentul de intuneric

liniaritatea

Responsivitatea, (R), definita ca raportul fotocurentului generat, (I_L) la puterea optica a radiatiei incidente, (F₀), este data de relatia: unde l este lungimea de unda a radiatiei incidente, h,c,e sunt constante cunoscute, h este eficienta cuantica data de raportul numarului de electroni fotogenerati colectati la contacte si numarul de fotoni incidenti pe structura. Pentru o structura de tip PIN eficienta cuantica este data de relatia: unde r - coeficientul de reflexie la suprafata, a - coeficientul de absorbtie al materialului semiconductor, x_j -adancimea jonctiunii, d - grosimea stratului de absorbtie.

Astfel responsivitatea este determinata pe de o parte de parametrii de material (a si r) iar pe de alta parte de parametrii de structura cum sunt adancimea jonctiunii, grosimea si rezistivitatea stratului de absorbtie a radiatiei.

Pentru o responsivitate cat mai mare grosimea stratului de absorbtie trebuie sa fie comparabila cu adancimea de patrundere a luminii. In fig.1 se da coeficientul de absorbtie al radiatiei in siliciu. Astfel pentru lungimea de unda de 650nm coeficientul de absorbtie, a este de 4 10³ cm^-1, rezultand o adancime de patrundere, 1/a de 5mm. Pentru absorbtia completa a radiatiei se considera utila o grosime egala cu trei parcursuri ale radiatiei, 3x1/a deci o grosime de 15mm. Pe de alta parte grosimea stratului de absorbtie a radiatiei influenteaza timpul de raspuns al dispozitivului limitat de timpul de tranzit al purtatorilor prin zona de drift.   Este necesara optimizarea structurii pentru un raspuns cat mai mare in conditiile unui timp de raspuns cat mai scurt.

Fig. 1. Dependenta spectrala a coeficientului de absorbtie al radiatiei in siliciu.

Liniaritatea raspunsului cu intensitatea semnalului incident

Pentru senzorii optici de pozitie un aspect important este ca fotodiodele componente ale matricii fie patrata fie liniara sa aiba aceeasi responsivitate astfel incat sa furnizeze acelasi fotocurent pentru un anumit nivel de iluminare. Pe de alta parte raspunsul fiecarei fotodiode trebuie sa depinda liniar cu puterea incidenta. Aceste aspecte depind atat de calitatea plachetelor de siliciu initiale cat si de procesarea tehnologica. De aceea la aceasta faza au fost optimizate procesele tehnologice de realizare structuri de fotodetectoare multielement.

Curentul de intuneric

Curentul de intuneric al fotodiodelor componente ale matricii trebuie sa fie cat mai redus( ~ 1pA) pentru ca dispozitivul sa raspunda la semnalae incidente slabe pentru care fotocurentul are valori mici dar care trebuie sa fie mai mari decat curentul de intuneric.

Puterea echivalenta de zgomot,(NEP)

Puterea echivalenta de zgomot este cantitatea de lumina care fiind incidenta pe dispozitiv produce un semnal a carui marime este egala cu zgomotul intern al dispozitivului, in mare parte determinat de curentul de intuneric. Un NEP care este de dorit pentru dispozitiv este de < 10^-11W/Hz^1/2, raportul S/N >10dB pentru intensitati de 1x10^-6W/cm². Astfel pentru a avea un zgomot redus trebuie ca valoarea curentului de intuneric sa fie cat mai mica. Un curent de intuneric redus inseamna un raport S/N mare.Sunt de dorit curenti de intuneric de ordinul picoamperilor.

Timpul de raspuns al structurii la un semnal incident modulat in timp este determinat de cel mai mare dintre constanta de timp de tip RC unde R este rezistenta de sarcina iar C este capacitatea si timpul de tranzit al purtatorilor prin stratul golit. Capacitatea este determinata de aria jonctiunii si grosimea stratului golit fiind cu atat mai redusa cu cat aria este mai mica si grosimea stratului golit mai mare iar timpul de tranzit este t_tr=d/v_dr fiind cu atat mai mic cu cat stratul d este mai mic. Pentru functionare in regim de golire totala, pentru o grosime de 20mm si o viteza maxima, de saturatie, a purtatorilor de 10⁶cm/s timpul de tranzit este de 2ns. Parametrii de structura stabiliti pentru caracteristici optime sunt:

- plachete de siliciu epitaxiale, pP⁺, cu grosimea stratului epitaxial de 20mm si rezistivitate in plaja 80-90 Wcm. Acest strat se goleste complet de purtatori la o tensiune inversa de 80V

- adancimea jonctiunii N⁺p, x_j=1,6mm, concentratia la suprafata de 10²⁰cm^-3.

- aria activa de 0,0144mm².

Un aspect important in cazul fotodetectoarelor multielement este influenta reciproca a elementelor alaturate care trebuie sa fie cat mai redusa pentru ca semnalul sa fie corelat bine cu pozitia obiectului de detectat. In cazul fotodetectorului multielement sub forma de matrice liniara care va fi integrat cu un ghid optic distanta dintre elementele fotodetectorului va trebui sa tina seama de faptul ca oxidul va avea o panta si nu o treapta intre structuri necesara pentru trecerea ghidului polimeric altfel acesta se va intrerupe. Astfel distanta intre elementele matricii bidimensionale este de 30 mm.

O sectiune transversala prin structurile de fotodiode din matricea patrata si din matricea liniara sunt prezentate in fig.1 in care se vede ca structurile sunt identice dar radiatia este incidenta direct pe aria activa in fotodioda din matricea patrata in timp ce in a doua structura radiatia este cuplata dintr-un ghid optic integrat cu fotodioda.

Fig. 2. Sectiuni transversale prin structurile de fotodiode PIN din senzorii optici multielment. 1-oxid; 2-strat difuzat N⁺, 3-strat epitaxial de siliciu de tip P, 4- substrat de siliciu de tip P⁺, 5 - contact metalic la substrat, 6- contact metalic pe aria activa, 7-ghid optic.

2.2. Proiectare masti pentru senzorul de micropozitionare

Pentru realizarea structurilor de fotodetectoare multielement s-a proiectat si realizat un set de masti experimentale dat in fig. 3 si 4 care cuprinde urmatoarele masti:

M1 - pentru deschiderea ferestrei pentru difuzia jonctiunii N⁺p

M2 - pentru deschidere ferestre de contact;

M3 - pentru corodare metalizare in vederea delimitarii contactelor.

In fig. 5 si fig. 6 sunt date lay-out-urile pentru cele doua tipuri de structuri. In fig. 7 sunt date imaginile mastilor pe rubylith suprapuse.

 

a) b) c)

Fig. 3. Masti pentru fotodetectorul multielement de tip matrice patrata. a) M1-deschidere ferestre pentru difuzie; b) M2-deschidere ferestre de contact; c) M3-corodare metalizare

a) b)

Fig. 4. Masti pentru fotodetectorele multielement de tip matrice liniara. a) M1-deschidere ferestre pentru difuzie; b) M3-corodare metalizare

Fig. 5. Lay-out pentru senzorul cu 3x3 elemente

Fig. 6. Lay-out pentru doua matrici liniare de fotodiode PIN integrate cu ghidul optic

Fig. 7. Imaginea mastilor pe rubylith suprapuse pentru matricea patrata si matricile liniare