La fabbricazione del chip è stata affidata all’azienda francese CMP (Circuits Multi Projets®/MultiProject Circuits®). La CMP [34] produce circuiti integrati (IC) e MEMS in piccole quantità per università, centri di ricerca e aziende. Il processo scelto per la realizzazione dei sensori è il processo 0.35 μm CMOS standard fornito dalla Austria Micro System. La produzione del chip è seguita da una fase di post-processing per la rimozione di una parte del substrato di silicio. Il chip è successivamente posizionato in un case e microsaldato.
Il chip, di dimensioni di 2.88 mm×2.88 mm, contiene 10 sensori. Ciascun sensore è un ponte di Wheatstone in cui ogni ramo è formato dalla serie o dal parallelo di tre resistenze. Le strutture sono contattabili dall’esterno attraverso 4 pad, due sono destinati all’alimentazione del ponte e gli altri due alla lettura del segnale di uscita. Le resistenze del ponte sono collegate in modo tale che a due a due subiscano variazioni opposte come quelle
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rappresentate nella Figura 2-1, se il sensore è sollecitato da uno stimolo acustico.
Figura 2-1: struttura dei singoli sensori presenti sul chip sollecitata da uno stimolo acustico.
Per avere variazioni opposte le resistenze dei due rami devono essere posizionate una davanti all’altra, come rappresentato in figura 2-2.
Figura 2-2:rami adiacenti del ponte di Wheatstone di una struttura le cui resistenze del ramo sono collegate in serie. In rosso è rappresentato il polisilicio, l’elemento sensibile del campione, in blu i collegamenti tra le resistenze realizzate con la Metal 1. Per aumentare l’isolamento termico la struttura del sensore è sospesa su una cavità del substrato.
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Nella Figura 2-2 è mostrato come i segmenti che formano la resistenza del ramo siano costituiti da polisilicio e sostenuti da segmenti di diossido di silicio sospesi su una cavità del substrato, per aumentare l’isolamento termico. Per collegare i singoli segmenti è stata utilizzata la Metal 1. La separazione del resistore in tre segmenti consente di aumentare la robustezza e di ridurre i tempi di attacco, mantenendo la lunghezza e la resistenza del filo ottimali. I segmenti di polisilicio di rami adiacenti sono separati da una distanza Lgap. Nelle strutture in cui le resistenze sono
collegate parallelamente cambiano le connessioni tra le resistenze, ma la struttura di due rami adiacenti del ponte rimane quella della Figura 2-2. Per completare il ponte è necessario aggiungere gli altri due rami e portare i segnali ai pad esterni con la Metal 2 e la Metal 3.
Il chip realizzato contiene 10 sensori che differiscono tra loro per le dimensioni, per il collegamento delle resistenze del ramo (serie o parallelo) e per la direzione dell’asse della sensibilità. Assumendo un sistema di riferimento x-y allineato con i lati del chip sette sensori sono stati posizionati in modo da avere l’asse di massima sensibilità in direzione y e tre sensori in direzione x. La disponibilità di sensori con direzioni dell’asse di sensibilità tra loro ortogonali consentirà di localizzare la sorgente acustica con un unico chip.
La mancanza di alcune informazioni sui materiali disponibili per la realizzazione del chip e l’assenza di una validazione sperimentale ha portato all’inserimento di più tipologie di APV all’interno del chip. Si riporta di seguito il layout del chip.
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Figura 2-3: layout del chip.
La Figura 2-3 mostra come i campioni siano formati da due strutture elementari come quella in Figura 2-2. I sensori si differenziano tra loro sia per la Lgap sia per la lunghezza dei segmenti di sostegno Lbeam. Riportiamo
in seguito una tabella riassuntiva con le caratteristiche delle singole strutture.
struttura Lgap Lbeam Largh
ezza poly R serie o parallelo angolo segmenti sostegno s1 45 μm 45 μm 6 μm parallelo 90°
47 s2 45 μm 45 μm 6 μm serie 90° s3 45 μm 45 μm 3 μm serie 90° s4 120 μm 45 μm 6 μm serie 90° s5 120 μm 45 μm 6 μm serie 90° s6 120 μm 135 μm 6 μm serie 90° s7 120 μm 63,6 μm 6 μm parallelo 45° s8 120 μm 63,6 μm 6 μm serie 45° s9 45 μm 45 μm 6 μm parallelo 90° s10 45 μm 63,6 μm 6 μm serie 45°
Tabella 2.1: caratteristiche riassuntive delle strutture del chip.
Le strutture con i segmenti di sostegno a 45° sono state inserite per motivi relativi ai tempi di attacco richiesti da CMP.
I riscaldatori con larghezza 6μm hanno una resistenza di circa 188 Ω (23.5 □ × 8 Ω/□), mentre quelli con larghezza 3μm hanno una resistenza di circa 376Ω (47 □ × 8 Ω/□).
Le strutture con 𝐿 = 45 μm sono denominate strutture small, perché costituiscono le strutture più piccole che possono essere realizzate in base alle regole di layout fissate dal processo tecnologico. Le strutture con 𝐿 = 120 μm, esclusa la s6, sono strutture optimum, mentre la s6 è chiamata large, perché i sostegni sono più lunghi rispetto a quelli delle strutture optimum.
Le misure riportate nella tabella sono le misure del layout. Le misure reali, delle strutture caratterizzate sono state ottenute analizzando con il microscopio elettronico i chip forniti dalla fonderia. Nella tabella 3 sono riportate le misure fatte con il microscopio elettronico sulle strutture s2 s4 e s6; oltre a queste strutture sono state caratterizzate anche le strutture s5 e s8 che presentano le stesse dimensioni di s4.
Struttura Lgap Lbeam
s2 36 μm 42 μm
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s6 110 μm 120 μm
Tabella 2.2: misure effettuate con il microscopio elettronico.
Il chip completo visto al microscopio elettronico è raffigurato nella Figura
2-4, mentre nelle figure successive sono riportati due ingrandimenti delle strutture s8, s6.
Figura 2-4: fotografia al microscopio elettronico del chip al termine del processo di fabbricazione.
Figura 2-5: ingrandimento della struttura s8 (a sinistra) e della struttura s6 (a destra) ottenuto con il microscopio elettronico.
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Le strutture sono state osservate anche con il microscopio ottico. Nella Figura 2-6 si riporta l’intero chip, mentre nelle figure successive gli ingrandimenti delle strutture s2, s4, s6 e s5.
Figura 2-6: fotografia al microscopio ottico del chip.
Figura 2-7: ingrandimento al microscopio ottico della struttura s2 (a sinistra) e della struttura s4 (a destra).
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Queste immagini sono state acquisite successivamente alle misure. Dalla Figura 2-7 si può osservare come i segmenti centrali di polisilicio dei rami superiori del ponte di Wheatstone della struttura s4 siano interrotti. la struttura s4 risulta essere danneggiata probabilmente a causa di una corrente elevata, causata dall’alimentazione utilizzata per le misure di localizzazione della sorgente acustica. Dopo questo inconveniente, è stato modificato il circuito per fornire l’alimentazione alle strutture.