автореферат диссертации по электронике, 05.27.01, диссертация на тему:Конструктивно-технологический базис кремниевых микрофлюидных электромеханических микросистем

На правах рукописи

ПУРЦХВАНИДЗЕ ИРАКЛИЙ АНДРЕЕВИЧ

Конструктивно-технологический базис кремниевых микрофлюидных электромеханических систем

05.27.01. -твердотельная электроника, радиоэлектронные компоненты, микро- и наноэлектроника, приборы на квантовых эффектах.

Автореферат на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва, 2004

Работа выполнена в ГУ НПК «Технологический Центр» Московского Государственного института электронной техники (Технический Университет).

Научный руководитель: доктор физико-математических наук, профессор В.Д. Вернер

Научный консультант: кандидат технических наук В.В. Амеличев

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук,

Ведущая организация: Центральный научно-исследовательский институт робототехники и технической кибернетики (г.Санкт-Петербург)

заседании диссертационного Совета Д.212.134.01 при Московском Государственном институте электронной техники по адресу: 124498, Москва, МИЭТ.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МГИЭТ.

профессор СВ. Булярский; кандидат технических наук, доцент Н.М. Ларионов

Защита состоится «27» декабря 2004 г. в 16 ч оа

и н на

Автореферат разослан «...».

.2004 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

д.т.н., профессор

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Микросистемная техника (МСТ) за короткий срок стала одним из признанных направлений высоких и критических технологий на рубеже 20-го и 21-го веков. Большой интерес со стороны научного сообщества и весомая государственная поддержка в большинстве развитых стран зарубежья позволили МСТ быстро пройти путь становления и, преодолев «критическую массу», стать научно-техническим направлением, с которым связывают будущее многих традиционных сфер деятельности. Автономные микросистемы (МС), прежде всего микророботы, должны существенно изменить взгляды на применение технических средств в области производства, медицины, охраны здоровья человека и экологии. Широкое использование МС в военной сфере может привести к ревизии сложившихся представлений о характере боевых действий, способов охраны и контроля объектов, разведки и предотвращения диверсионной деятельности противника.

Уже в настоящее время бурно развивается направление «встроенных» МС. Будучи включенными в макросистему, они существенно повышают ее эксплуатационные характеристики без повышения цены, а зачастую и снижают ее. Роль МС как своеобразного интерфейса между макро- и микротехникой особенно возрастает с появлением нанотехнологии. В этом случае МС обеспечивают контакт с объектами нанотехники.

Терминология в МС области техники пока не стандартизирована. Наиболее понятной является классификация МС по направлениям применения (вычислительная техника, телекоммуникации, автомобильный транспорт, космическая техника, медицина и т.д.). Наличие определяющих конструктивных элементов МС позволяют ввести в их классификацию признаки конструкции. Наиболее применимым стал термин -«микроэлектромеханические системы», - МЭМС. В более широком плане, включающем производственное применение микрофлюидных устройств, можно говорить о классе МС - Микро-Флюидные МЭМС (МФ МЭМС). Латинское слово fluidus означает «текучий», поэтому МФ МЭМС могут работать с двумя видами рабочих сред:(-.жидкостями и газами. В дальнейшем мы будем применять термин МФ с

микрообъемами жидких сред.

Микросистемная технология рождалась на базе применения различных видов микрообработки материалов. В случае МЭМС одним из широкоприменяемых материалов стал кремний, а методом микрообработки - полупроводниковые технологии. В работе [I] указывалось на возможность использования имеющегося в России оборудования для трансфера технологий микроэлектроники в область микросистем. При этом открывалась возможность изготовлять на этом оборудовании не образцы устаревших поколений интегральных микросхем, а современные микросистемы.

Целый ряд российских научно-производственных организаций исследовал различные виды поверхностной и объемной обработки кремния и применил их на практике для создания различных типов МЭМС (НПК «Технологический центр» МИЭТ, ОАО «Микрон», ОАО «Ангстрем» и др.) В основном это были датчики различных физических величин, которые стали выпускаться в значительном количестве. Однако, применимость технологий обработки кремния для МФ МЭМС систематически не была исследована.

Актуальность такого исследования заключается прежде всего в возможности создания на базе МФ МЭМС аналитических устройств массового применения для рутинных и исследовательских био- и химических анализов в медицине, фармакологии, контроле за состоянием производственных сред и среды обитания человека, выявления малых доз опасных химических и биологических веществ (взрывчатые вещества, наркотики, химическое и бактериологическое оружие и т.д.).

С другой стороны требования, вносимые средой аналита, к материалам и конструкциям МФ МЭМС должны быть оценены для кремния и, более того, адаптированы к условиям конкретного производителя, уровню технологии, который он имеет.

Цель диссертационной работы - разработка и комплексное исследование основных элементов «полупроводниковых» МФ МЭМС и способов конструирования систем на их базе; оценка технологических возможностей российского кремниевого производства на примере производственных линеек НПК «Технологический центр» для создания МФ МЭМС исследование технологических маршрутов изготовления элементов и их сборки в МФ МЭМС.

Научная новизна результатов, полученных в настоящей диссертационной работе, заключается в следующем:

1. Впервые получены результаты комплексного исследования основных компонентов кремниевых МФ МЭМС, позволяющие оценить их критические параметры, влияющие на работоспособность системы.

2. Показана зависимость выбора объемной или поверхностной микрообработки кремниевых элементов МФ МЭМС от типа актюатора микронасоса (МН) и микродозатора (МД), размеров камер и каналов.

3. Установлена определяющая роль жесткости мембраны упруго-электростатического актюатора микродозаторов и предложен принцип регулирования жесткости мембраны за счет создания жесткого центра.

Практическая значимость.

1. Разработана методика выбора последовательности этапов разработки и проектирования МН и МД.

2. Предложены варианты технологий поверхностной и объемной микрообработки кремния для изготовления отдельных компонентов (каналы, клапаны, мембраны) и МФ МЭМС в целом.

3. Созданы макеты установок для измерения и контроля параметров МН и МД.

4. Обоснован выбор рабочих характеристик электростатических МН и МД на основе матриц значений «электростатической» жесткости конструкций.

Реализация результатов работы.

Разработанные и изготовленные компоненты МФ МЭМС переданы в опытную эксплуатацию в МГУ им.Ломоносова, Институт молекулярной биологии им. В.А.Энгельгарта, научно-производственную фирму аналитического приборостроения «Люмекс».

На защиту выносятся:

1. Методика выбора последовательности этапов разработки и проектирования МН и МД.

2. Результаты оценочных расчетов параметров компонентов МФ МЭМС.

3. Результаты экспериментальных исследований конструкций и технологии изготовления МФ компонентов и их сборки в блоки МФ МЭМС. Методы экспериментального определения параметров МН и МД.

4. Технологические маршруты изготовления компонентов МФ МЭМС и их сборки в систему.

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы представлены на конференциях:

1. Десятая всероссийская межвузовская научно-техническая конференция студентов и аспирантов. Микроэлектроника и информатика. -2003. - Зеленоград. 2. Международная конференция Micro- and nanoelectronics. - 2003. - Москва-Звенигород. 3. SEMI ExpoCIS 2003. 4. Девятая международная научно-техническая конференция «Актуальные проблемы твердотельной электроники и микроэлектроники», ПЭМ-2004, сентябрь 2004.

Публикации.

Основные результаты отражены в четырех статьях, трех тезисах докладов на научно-технических конференциях и двух отчетах по НИОКР.

Структура и объем диссертации.

Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения и списка цитируемой литературы из 120 наименований. Объем диссертации составляет 168 страниц текста и включает 70 рисунков и 22 таблицы.

Основное содержание работы.

Во введении дается обоснование актуальности темы диссертационной работы.

В первой главе проведен анализ роли микросистемной техники в развитии новых технологий и формулируются цели и задачи диссертации.

На момент начала работ по теме диссертации МСТ за рубежом стала одним из общепризнанных направлений «высоких» технологий. Вместе с тем в России ее развитие выражалось, в основном, в определенном росте номенклатуры и объема производства датчиков.

В связи с этим была поставлена задача анализа развития МСТ за рубежом, сопоставление его с ситуацией в России, и определение на основе этого возможностей и перспектив развития микрофлюидных МЭМС на технологической базе, реализуемой в отечественной практике.

Анализ мирового опыта формирования национальных и региональных программ по новым научно-техническим направлениям (микросистемная техника и нанотехнология) свидетельствует о наличии комплекса обязательных организационных факторов.

К числу факторов, определивших высокий инновационный потенциал МСТ, западные специалисты относят: наличие научных школ в различных областях МСТ; разработку основных технологий САПР и производства; создание сети центров компетенции, проектирования и производства доступных для начинающих деятельность в сфере МСТ; функционирование разветвленных сетей информации и координации; продолжение государственной поддержки в рамках межнациональных, национальных и региональных программ; постоянный рост объема рынка с темпами 18-20% в год; организация системы подготовки кадров и повышение их квалификации.

Только совокупность этих факторов позволили новому научно-техническому направлению МСТ быстро пройти путь становления и, преодолев «критическую массу» стать одним из признанных направлений высоких критических технологий на рубеже 20-го и 21-го веков.

С учетом ограниченности средств, необходимо развивать основные элементы обеспечения развития. Такими элементами являются технологические модули микросистемной техники. Набор операций, которые можно проводить на том или ином модуле, определяет материал, из которого могут быть изготовлены детали микросистемы. Гибкость модуля определяют набор микроциклов обработки и основные методы формирования блоков структуры микросистемы с помощью этих микроциклов. Существенной характеристикой технологического модуля для заказчика служит библиотека компонентов (деталей), которые можно изготовить на данном модуле. Примером является разработка конструктивно-технологического базиса изготовления кремниевых микроэлектромеханических систем в «Технологическом центре» МИЭТ.

В последнем разделе первой главы обсуждены проблемы масштабирования в МСТ как определенной области миниатюрных изделий. Различные физико-химические характеристики изделий МСТ по разному зависят от их линейных размеров. Например, силы гравитации и инерции играют в МСТ меньшую роль, чем в макроаналогах. В тоже время капиллярные эффекты существенны для МФ МЭМС.

На основании анализа литературных источников установлено, что направление МФ МЭМС относится к числу актуальных направлений микросистемной техники с высокой динамикой развития.

В России достаточно активно работает ряд научных школ в области химических, механических и оптических датчиков. Это может служить основой для объединения их разработок в аналитические микросистемы на базе МФ МЭМС.

Задачи проведения массовых аналитических исследований органических и неорганических веществ должны быть реализованы в конструкциях конкретных МФ МЭМС. Оптимальное решение проблемы может быть достигнуто только на основе обоснованного выбора соответствующих технологий проектирования и производства МФ МЭМС.

В связи с этим в работе ставится общая задача обоснования и осуществления применения кремниевой технологии для изготовления микрофлюидных микроэлектромеханических систем. Для ее решения необходимо:

1. Исследовать основные конструктивные элементы МФ МЭМС;

2. Определить возможности создания этих элементов в полупроводниковой технологии МС;

3. Обосновать применимость конкретных процессов поверхностной и объемной микрообработки кремния на базе технологических маршрутов МС - кремниевой технологии.

4. Определить возможность и пути совмещения технологии МФ МЭМС с технологиями полупроводниковых схем управления, регулирования и регистрации процессов функционирования МФ МЭМС.

5. Провести оценочные расчеты компонентов жидкостных МФ МЭМС для выбранного конструктивно-технологического базиса МФ МЭМС.

6. Провести экспериментальные исследования и выполнить сравнение результатов оценочных расчетов и эксперимента.

7. Разработать конструкцию конкретных изделий, в том числе микродозатора, на основе результатов исследования и моделирования их элементов.

8. Сформулировать рекомендации по конструированию и технологии изготовления отдельных компонентов и сборок МФ МЭМС.

Во второй главе рассмотрены особенности конструкций и технологии изготовления МФ МЭМС. Они разделяются на аналитические и производственные (микрореакторы). По сравнению с макроаналогами аналитические МФ МЭМС имеют гораздо меньший объем реагентов и

аналитов - на уровне микро- и нанолитров. Они имеют малые габариты и вес. При массовом производстве их изготовление можно сделать дешевым. Схема аналитической МФ МС приведена на рис.1. Благодаря высокому отношению поверхности к объему, микрореакторы могут иметь большую производительность при малом размере. Существенное значение для МФ МЭМС имеет выбор материалов для изготовления их элементов и учет влияния выбора материала на выбор конструкции и технологий изготовления элементов конструкций.

Применение кремния в МЭМС, достаточная доступность и отработанность технологий для работы с этим материалом приводят к тому, что прототипы многих МФ МЭМС были изготовлены на базе кремниевой технологии, точнее, на базе «кремний/стекло» технологии. В этих случаях элемент из стекла дополнял основную часть конструкции, изготовленной на кремнии.

Широкий спектр свойств пластмасс-полимеров, в том числе их химическая стойкость, привел к их использованию в МФ МЭМС. Обычно конструкции из полимеров изготовляют методом прессования или литья, а сами пресс-формы изготавливаются методами LIGA-технологии. После первоначальных затрат на создание пресс-формы процесс массового производства недорог. Обычно отдельные узлы МФ МЭМС (из кремния, стекла, полимеров) соединяются в конструкции на основе технологий гибридной сборки. В соответствии с поставленной задачей в работе были проанализированы процессы конструирования и изготовления МФ МЭМС на базе кремния и узлов «кремний-стекло».

В этой главе также было рассмотрено обоснование выбора технологии САПР в производстве МФ МЭМС. САПР МФ МЭМС получил широкое развитие. В них используется различное сочетание ранее разработанных САПР для микроэлектроники, механических, гидравлических и т.д. систем. Рядом зарубежных фирм созданы специализированные МЭМС САПР, например, фирмой Coventer. Изделия МСТ являются композицией разнородных элементов, поэтому их проектирование более сложно, чем, например, микросхем. Весьма существенным является ориентация САПР на производство. Обычно конечная конструкция является результатом многих итераций перепроектирования. Экономически оно целесообразно только при массовом производстве (заказе). По этой причине большое

значение имеют возможности аналитического анализа функционирования элементов и оценочных расчетов их параметров.

В третьей главе более подробно исследована применимость кремниевой технологии для создания МФ МЭМС и необходимость адаптации стандартных процессов микроэлектроники и микросистемной техники для производства МФ МЭМС. С этой целью был произведен анализ основных конструктивных элементов МФ МЭМС и их функции. Было установлено, что при штучном производстве и изготовлении прототипов почти всегда используется технология «кремний-стекло». При массовом производстве выбор технологии основан на минимизации цены МФ МЭМС путем замены кремниевой технологии на чисто «стеклянную» или полимерную. Рис.1. Схема МФ МС

1, 2 - резервуары накопления реагентов;

3,4 — системы подготовки реагентов;

5 - реакционная камера смешения и реакции взаимодействия (реактор);

6 - накопитель продукта;

7 - система контроля условий камеры;

8 - система управления режимом камеры;

9 - система фракционирования продукта;

10 - система анализа продукта.

Главными проблемами кремниевой технологии являются способы достаточно глубокого качественного травления кремния и методы соединения пластин кремния и стекла. Отработанные методы не только глубокого, но и высокоаспектного травления открывают возможности использовать кремниевую технологию для создания штампов и литейных форм, необходимых для изготовления МФ МЭМС из пластмасс. Таким образом, может отпасть необходимость применения LIGA-технологии для их производства.

В этой же главе рассмотрены проблемы применимости классической гидродинамики к МФ МЭМС, в частности на основании сравнения безразмерных характеристик для микро- и макросистем. Анализ результатов исследований течения жидкости в микроканалах (капиллярах) показывает, что сосуществуют два вывода. Первый состоит в констатации факта, что в большинстве случаев поведение жидкости в микроканале не существенно отличается от предсказаний классической теории. С другой стороны, имеются примеры заметных отклонений от этой теории, например, для падения давления в микроканале из-за сил сопротивления, обусловленных как вязкостью жидкости, так и наличием местных гидравлических сопротивлений. Поэтому использование методов классической гидродинамики в части описания законов течения жидкости в микроканалах в отдельных случаях может быть неоправданным. Они требуют специального экспериментального исследования для учета влияния явления капиллярности, смачиваемости твердых поверхностей, образования менисков и т.п. За рамками этого ограничения применение методов классической гидродинамики для анализа работы элементов МФ МЭМС вполне допустимо.

Рассмотрены возможности кремниевой технологии для формирования микроканалов МФ МЭМС. Было установлено, что изготовление микроканалов на базе технологии объемной обработки моно^ имеют определенные преимущества по сравнению с другими технологиями микрообработки. Каналы, созданные на базе поверхностной обработки кремния имеют малую высоту и шероховатую внутреннюю поверхность.

Была исследована экспериментальная технология изготовления каналов в системе «кремний-стекло» по заказу МГУ им.Ломоносова и фирмы «Люмекс». В первом случае ставилась задача создания плоского канала с

изменением глубины канала уступом. Порог должен способствовать наполнению участка канала латексными микросферами, которые накапливали продукты реакции. Информация снималась оптическим методом, поэтому крышкой канала служило стекло. Во втором случае было необходимо создать систему каналов, обеспечивающих связь между микрообъектами - реакторами и объемами - ячейками регистрации, сконструированных в форме двух матриц 25x25. Протяженность каналов достаточно большая, они не прямолинейны. Основным требованием при формировании системы микроканалов на одном чипе является полная изоляция микроканалов друг от друга. Для достижения этого необходимо рассматривать процесс совмещения фотолитографической маски относительно плоскости (110). Экспериментально было установлено влияние угла случайного поворота фотошаблона относительно плоскости (110) кремниевой пластины КЭФ-4.5 (100).

Разработанная конструкция реализуется в 3 фотолитографических циклах. На первой фотолитографии формируются метки для совмещения топологического рисунка на двух сторонах кремниевой пластины. В качестве диэлектрической маски при анизотропном жидкостном химическом травлении кремния применяется комбинация слоев SiO2 и Si3N4. Стекло PIREX фиксируется на профилированной поверхности кремниевого кристалла с помощью анодной сварки. Заключительной операцией является разделение пластин на микрочипы. Общее число технологических операций - 28 (см. рис.2). Формирование канавок с помощью анизотропного травления в растворе КОН ставит проблему защиты внешних углов. Эти углы образуются при изгибе или соединении нескольких микроканалов. Для простых случаев топология маски, обеспечивающей защиту угла от разрушения, может быть рассчитана аналитически. При большом разнообразии канавок (ширина от 30 до 300 мкм) и наличии пересечений и стыков канавок разной ширины более эффективным методом является подбор топологии маски с помощью численного моделирования. На рис.2 представлена маска защиты угла микроканала, фотоснимки фрагментов микрофлюидного чипа.

В четвертой главе проанализированы активные элементы МФ МЭМС -микронасосы (МН) и микродозаторы (МД) и их главные компоненты: микроклапаны, диафрагмы и актюаторы.

Микроклапаны разделяются на активные и пассивные, функционирующие за счет изменения направления потока. К числу пассивных клапанов можно отнести так называемые «бесклапанные устройства». Они действуют за счет изменения скорости потока (гидродинамические клапаны). Была проанализирована работа гидродинамических клапанов на основе пары «сопло-диффузор». Используя уравнение Бернулли можно показать, что клапанная система будет работать, если отношение площади входных отверстий сопла и диффузора, а также входного отверстия к выходному для сопла много больше единицы. Эти условия выполняются при использовании кремниевой технологии.

Рис.2.Изготовление каналов в системе «кремний-стекло»

^ „ , - Критические операции: Операции обработки кремния - 26 , ---—

* * * 1 /лпиашаииа

Анодная сварка со стеклом - 1

Для дозатора необходима возможность перекрытия канала после выхода дозы и поддержания его закрытым до начала выдачи следующей дозы. Отсечку дозы можно осуществить за счет капиллярного эффекта. Для начала истечения жидкости необходимо преодолеть давление, созданное силами поверхностного натяжения на мениске жидкости у сопла. Его величину можно оценить ДР^Ро^о/Я, где а - коэффициент поверхностного напряжения, Я - радиус капилляра. При изменении Я от 10 до 50 мкм величина Р„ для воды изменяется от 14 до 2,8 кПа. При повышении давления в камере возможно образование капли или

струи. Капля может быть оторвана действием гравитационных сил или избыточным давлением в капилляре (инжекция). Для проверки оценочных расчетов было проведено экспериментальное исследование микрофорсунки с соплом. На рис.3 представлена структурная схема макета микродозатора,

а на рис.4,5 показаны зависимости изменения производительности микродозатора от давления в резервуаре для Н2О и ее смеси с глицерином.

Расчетные значения были получены по формуле: <3=

т

'Гр

л/аР ,

где

/и=0,9;р= 1000кг/м3.

Расчетные величины совпали с экспериментальными. Было показано также, что для доз менее 1нл не допустимо образование гравитационной капли даже при Я порядка нескольких мкм. Фактически Я обычно порядка нескольких десятков мкм. Рис.3. Структурная схема микродозатора

Коллектор

Цммимш

Резервуар

Раствор

Поэтому необходимо ограничить размер камеры перед отверстием и осуществлять инжекцию с помощью конструкции «клапан-насос». Она впервые была реализована для печатающих головок принтеров и затем перенесена на конструкции микродозаторов.

Для создания давления в рабочей камере с помощью актюатора перемещается поршень, чаще всего выполненный в форме диафрагмы. В связи с этим были проанализированы различные типы актюаторов для микронасосов и микродозаторов.

Большое быстродействие, низкая потребляемая мощность и самая хорошая совместимость с полупроводниковой технологией послужили основанием для выбора в данной работе емкостного актюатора. Были рассмотрены две модели: модель с поршнем на упругом подвесе и модель с упругой диафрагмой (см. рис.6).

Рис.4. Зависимость расхода от Рис.5. Зависимость расхода от

давления для воды

давления для смеси воды и глицерина

В обоих случаях создается конденсаторная конструкция с одной неподвижной обкладкой и одной подвижной обкладкой на упругом

(1)

элементе. Под действием силы Рэ=

(с —диэлектрическая постоянная межэлектродной среды, со=8,85-10" " Фм'1 5 - площадь обкладок, й - межэлектродное расстояние, и - приложенная разность потенциалов) подвижная обкладка смещается к неподвижной и создает Д-Рэ=^У5. Существуют два ограничения при выборе размеров конструкции. Первое связано с возможностью пробоя межэлектродного промежутка при достижении критического значения напряженности поля ЕКр=(и/й)Кр. Второе ограничение связано с неустойчивостью системы при достижении критического значения й=йКр, при котором пластины неконтролируемым образом схлопываются ( «ри11-1п»-эффект). Для его анализа запишем уравнение равенства сил /*э (1) и в форме:

(2)

Формула (2) определяет положение поршня (с11Гх), где - начальное межэлектродное расстояние, в состоянии равновесия. Оно может быть

устойчивым или неустойчивым в зависимости от величины изменения сил Бу и при изменении х,т.е. при изменении производных ^ и ^

Рис.6. Схема электростатического насоса Бу - Сила упругости Бэ- Электростатическая сила

При равенстве сил и их производных случайные флуктуации х могут вызвать схлопывание пластин из-за роста

В качестве критериев при этом рассматриваются йкр=( й0-х1р) и и^ -критическое напряжение. В определенной мере обобщающими работами по анализу указанного эффекта можно назвать статьи В.Н. Драгунова [2], где было аналитически исследовано влияние формы упругого элемента электростатического актюатора или датчика в виде защемленной по внешнему контуру мембраны круглой, квадратной, шестиугольной и треугольной формы. Уравнения решались методом Бубнова-Галеркина. В этих работах было учтено также влияние внешнего давления и нелинейность деформации.

Мембрана в МН и МД выполняет роль поршня, меняя объем камеры. Она может перемещаться под действием только внешнего привода -актюатора или за счет сил упругости, возникающих при первоначальном

смещении мембраны актюатором. В последнем случае упругая мембрана сама становится частью актюатора. Поэтому следует говорить не о емкостном актюаторе, а об «упруго-емкостном» актюаторе. Воспользуясь решением дифференциального уравнения колебаний вдоль оси х тонкой квадратной пластины толщиной к, защемленной по внешнему контуру [3], находим:

со(у,%Л) - смещение точки от положения равновесия;

АРАА

г

2т1у

1 -СОЗ

V А

1 - СОЗ

32лг4 В

где А - сторона квадрата (А2=8);

жесткость пластины. - разностное давление.

(3)

цилиндрическая

Максимальное смещение (центр пластины): а>пюх =

„ АР-А2 8 л-4£>

Жесткость гладкой пластины С/, =-=-—— (4)

а>„

А2

Для пластины с жестким квадратным центром со стороной а:

(5)

Упругую жесткость пластины можно сравнить с «электростатической» жесткостью

(6), где

Предположив, что при будет восполняться равенство получим

(7)

Если подставить величины, входящие в Б, то для кремния

62-10"^

3/2

Если предположить, что для пластины с жестким

центром со стороной а, площадь обкладок

Для /4=2000 мкм, а=0,5, Л =20 мкм и 2 мкм и„р=50 В для

сплошной пластины и 1!кр=400 В для пластины с жестким центром.

Для выбора режимы работы МД или МК необходимо знать допустимые значения й и К С этой целью были вычислены и Сэ. Для пластины из 81 значения СУ1= 2,52-Ю4 Н-м"1 для гладкой пластины и 0^=4,5-105 Н-м"1 для пластины с жестким центром (а=0,5). Значения С; представлены в табл. 1.

Значения Сэ в интервале Су1>Оэ и ву2>Сэ являются допустимыми.

Приняв <1=\*гтах, получим и=95-104с1 ° . Были вычислены и, при которых ДРэ - давление, созданное электростатическими силами, лежат в интервале 10...60 кПа (табл.2). Выше было указано, что для продавливания через капилляр с Я=10...50 мкм необходимо давление 14...2,8 кПа. Из таблицы №2 следует, что при (1-1,7 мкм и Ц=200 В можно достичь давления АРэ >16 кПа. Следует отметить, что рабочее давление создается не ДРэ, а ДРу. Если ё и ёо выражены в мкм, а ДРу в кПа, то в нашем случае ДР}=102(ёо-ё). Таблица 1.

Л, мкм 2,0 1,8 1,6 1,4 1,2 1,0 0,8 0.6

10 9,МО2 1,2-105 1,6-10' 2,5-10' 4,1-10' 7-10' 1,4-104 3,5-104

20 3,6-10' 4,8-10' 6,7-101 1-Ю4 1,6-104 2,8-104 5,6 10"

ш 30 8,2-101 1,1-Ю4 1,5-104 2,3-104 "о 6,3104

40 1,4-Ю4 1,9 104 2,6104 4104

50 2.2-104 2.9-104 4,2-Ю4 Табпща А

</, мкм 2,0 1,8 1,6 1,4 1,2 1,0 0,8 0.6

в 100 2.2-104 0,3-10Ч 0,4-10® 0,6-10' МО' 1,8 10' 3.5-10' 8,8-10'

150 4,5-104 0,7-105 0,9-105 1,3-10' 2,3-10' 4-10' 7,8-10'

200 0,9105 1,210® 1,6-10' 2,5-10® 4,110' 7-10' Таблица В

Таблица А - сплошная пластина, таблица В - пластина с жестким центром

Для достижения ДРу=16 кПа необходимо смещение пластин на 0,16 мкм. На самом деле после приложения напряжения АР3 растет из-за уменьшения d. На рис.7 представлен процесс роста АРу=АР3 для 1=2 мкм и И-=т В, для </„=1,7 мкм и и=200 В и для </„=1,4 мкм и £/=188 В. Для МН наиболее приемлема конструкция с d0 =1,4, т.к. при этом смещение мембраны 1-1 =0,4 мкм - максимально. (/кр~300 В остается выше рабочего Ц= 190 В. Производительность при частоте 100 Гц равна 9,6 мкл/мин. Для МД наилучшим является конструкция с do=2,0 мкм. При этом за один такт будет выдавлена доза 0,4 нл при давлении ДР=10 кПа. Если желательно уменьшение дозы до 0,1 нл, то следует уменьшить площадь мембраны. При этом возникает возможность изготовить ее методами поверхностной, а не объемной микрообработки.

Как правило, актюатор находится вне рабочей полости насоса или дозатора. Но для отработки элементов конструкции был спроектирован макетный образец, в котором полость емкостного актюатора была совмещена с рабочей полостью насоса. Это позволило избежать при первоначальном макетировании дополнительных операций сборки кристаллов (пластин), отработать элементы конструкций и технологию их изготовления (Рис.6.а).

Конструкция микропривода была разработана на основе поверхностной поликремниевой микромеханической структуры - рис.8. Микропривод состоит из двух обкладок, одной из которых является кремниевая подложка п - типа, другой - поликремниевая микромеханическая структура -мембрана. Поликремний легирован бором для обеспечения проводимости обкладки. Обкладки разделяет воздушный зазор. Поверхности обкладок покрыты слоями окисла кремния и нитрида кремния для изоляции обкладок. Управляющее напряжение подается таким образом, чтобы р-п-переход, образующийся в месте контакта поликремния с подложкой, был смещен в обратном направлении, в данном случае на подложку

относительно поликремниевой обкладки подается положительный потенциал.

С целью сокращения продолжительности технологического маршрута и повышения воспроизводимости параметров микропривода было проведено технологическое и маршрутное совмещение ряда операций. Общее число операции-24.

Таблица 2. Зависимость АРЭ от й и и

На основе разработанных конструкции и технологии микропривода была спроектирована топология кристалла, изготовлен комплект фотошаблонов. В состав кристалла вошли следующие элементы: структуры микриповодов шириной 50, 75 и 100 мкм и длиной 200 мкм; тестовые элементы для оценки величины диффузии примеси формирующей электроды; тестовые элементы для операционного контроля. Рис.7. Изменения ДРЭ

Рис.8. Конструкция микронасоса с емкостным приводом.

поли-Э! &02 ЭьН, п-электрод р-электрод У \ /

и, , ¡¡,„ ур „,|1,^и,.к_у.11Я.„,у И „„ ж, ж, |„ ,,,„, , р ,

ГТ \

возду шн ый_заэор/

Для подачи травителя к опорному слою окисла с обратной стороны пластины были добавлены операции формирования сквозного отверстия с помощью технологии объемной микромеханики.

Для проведения измерений параметров микропривода была собрана экспериментальная система измерений.

Была разработана методика определения критического напряжения при котором обкладки смыкаются. В образцах отсутствовали изолирующие слои окисла кремния и нитрида кремния. Это позволило при подаче напряжения фиксировать контакт электродов по возникновению гока между ними. Толщина пленки поликремния, из которой были изготовлены структуры, составляла 1 мкм. Силу тока, при котором контакт считался установившимся, составлял 1 мкА. Напряжение, подаваемое на электроды, медленно увеличивалось до появления всплеска тока. Измерения проводились на 5 структурах каждого типа. В табл.3 приведены результаты измерений.

Таблица 3. Определение критического напряжения

Ширина микропривода, мкм Критическое напряжение, В

при освещении без освещения

100 35-40 55-60

75 55-60 70-75

50 65-70 80-85

Как видно из таблицы, величина критического напряжения при наличии освещения существенно меньше, чем без освещения. Под действием фотостимуляции увеличивается скорость генерации носителей, и величина

тока значительно возрастает. Таким образом, действительной критической величиной управляющего напряжения является величина, измеренная при наличии освещения. Расчетное значение икр дает величину 120 В, если считать, что механические характеристики 81* и 81 одинаковы.

Измерения динамических параметров микропривода производились качественно на той же установке. Измерения осуществлялись путем подачи импульсов на электроды и последовательного увеличения их частоты и напряжения. На втором этапе эксперимента ставилась задача выяснения работоспособности конструкции в качестве дозатора. Для этого нужно было установить факт выдавливания жидкости через сопло под действием перемещения мембраны.

После того, как рабочий объем полости микродозатора заполнился тестовым раствором жидкости (деионизованная вода, или раствор химических чернил в деионизованной воде), под воздействием периодических колебаний поликремниевого электрода, наблюдалось выделение на поверхность кристалла тестовой жидкости из форсунки и прекращение движения мембраны.

Результаты этого этапа эксперимента свидетельствуют о возможности продавливания жидкости через сопло, т.к. расчетное АР,= 10кПа. Для мембраны с размерами 200*75 мкм2 при смещении на 0,3 мкм ДК|ШХ=4,5 пкл. Прекращение работы мембраны после первого (первых) такта легко объяснимо низкими диэлектрическими характеристиками жидкости. Полость актюатора (конденсатора) должна быть отделена от полости насоса мембраной.

Казалось бы, что одним из недостатков технологии изготовления микродозатора с поликремниевой мембраной было то, что на заключительном этапе изготовления применялось снятие диэлектрика с поверхности кристалла для обеспечения контакта к поликремниевым электродам. Для того, чтобы пассивировать поверхность электродов и создать более равновесную мембрану, необходимо было изменить технологический цикл формирования актюатора.

Был разработан новый технологический маршрут изготовления кристалла макета микродозатор, который содержит 10 фотолитографических циклов.

По скорректированной технологии на экспериментальных партиях проводилась отработка формирования поликремниевой мембраны. Был спланирован эксперимент формирования слоя 81* при 3 температурах его осаждения (580°С, 600°С, 630°С) и 4 температурах его отжига (950°С, 1050°С, 1150°С, 1200°С) с целью выявления влияния режимов на состояние 81* мембраны. Разработанные и изготовленные дополнительные фотошаблоны обеспечивали возможность получения двухсторонней диэлектрической изоляции подвижного электрода и контакта к нему.

После проведения операции термического окисления (Т=1000° С, пар, 0.45 мкм), необходимого для создания изоляции электродов и прокисления области защиты форсунки, выявлено сильное деформирование поликремниевых мембран на всех 12 вариантах микродозаторов Последующее осаждение слоя 813К4 толщиной 0.15 мкм на деформацию не повлияло. Локальное или полное удаление с поверхности диэлектрические слои плазмохимическим травлением сильную деформацию 81* не устраняли. Никакие из вариантов микродозаторов на воздействие прикладываемого к электродам напряжения не реагировали. Попытки изготовить другие диэлектрические слои толщиной 0.1-0.2 мкм дали аналогичные результаты.

Таким образом, при создании надежной диэлектрической изоляции электродов микродозатора путем термического окисления на толщину 0.1-0.4 мкм наблюдается сильная деформация поликремниевой диафрагмы. Причинами тому могут быть: а) высокие внутренние механические напряжения; б) измененный зазор между электродами; в) изменение напряженности поля в зазоре. Для того, чтобы конструкция микродозатора, ориентированная на дозирование единиц пиколитров, оказалась дееспособной, необходимо формирование ровных (натянутых) мембран.

Само определение мембраны требует ее натяжения по контуру закрепления. Вздутость экспериментальных образцов мембраны свидетельствует о наличии сжимающих напряжений. Их причиной могут быть различия ТКС кремния и поликремния с дополнительной пленкой 8102 («5,02 = 5-Ю'7/С, Из, = 2,6'10'7/С). Попытки двухстороннего нанесения 8102 усугубили ситуацию. Напряжения возросли. При этом в пластине возникает процесс самоорганизации распределения деформаций (буклетирование). В принципе разработаны методы устранения данного

эффекта, но проще всего избежать самой причины возникновения эффекта, а именно, исключением различия характеристик материалов мембраны и поддерживающего контура. Это означает, что мембрана все же должна быть изготовлена из моно^ методами объемной микрообработки. Кроме того, тонкие мембраны мкм) не могут обеспечить ДРу=10 кПа и,

следовательно, их толщина должна быть увеличенной при переходе к реальной конструкции по схеме 6,б.

На рис.9 показана схема микронасоса, состоящая из трех кристаллов кремния, сформированных методами объемной микромеханики и соединенных между собой с помощью тонких слоев легкоплавкого стекла и алюминия. Кремниевый кристалл №2, содержащий подвижные электроды-мембраны, соединяется с кремниевым кристаллом №1 посредством спекания тонких слоев А1 с Si* (А1 с А1). Кремниевый кристалл №3 в этой конструкции содержит каналы и форсунки. Соединение нижнего и среднего кристаллов происходит посредством тонкого слоя легкоплавкого стекла. Производительность этой конструкции МН может достигать нескольких сотен нанолитров в секунду. Идея этой конструкции была взята за основу для разработки элементов конструкции и технологии их создания.

Рис.9. Эскизная схема конструкции микронасоса, состоящая из трех кристаллов кремния

Жидкость

р Контакты к электродам

6

Был разработан технологический маршрут изготовления электростатического микронасоса, состоящий из четырех этапов. Первые

три отражают процессы формирования трех кристаллов, четвертый -заключительную сборку. Общее число технологических операций, необходимых для формирования кристаллов и их сборки - 109.

Разработанная методика соединения двух кристаллов в составе пластин обеспечивает совмещение контуров соединения с погрешностью ±20 мкм.

С целью исключения возможности шунтирования электродов в конструкции микронасоса проводились исследования способов соединения кремниевых кристаллов. Для снижения диффузии алюминия сквозь оксид кремния предложено использовать подслои тугоплавких металлов (Сг,МСг,И,Мо,У).

Подробное исследование конструкций МН и МД с емкостным актюатором показало, что его применение в МФ МЭМС не является оптимальным. Это связано прежде всего с тем, что в этом случае фактически речь идет не о емкостном актюаторе, а о «упруго-емкостном» актюаторе.Важнейшая характеристика - рабочее давление - целиком зависит от упругих свойств мембраны. В результате должны быть использованы достаточно толстые мембраны, которые невозможно изготавливать методами поверхностной микрообработки. Зависимость от механических свойств мембраны в явном виде отсутствуют у пьезоэлектрических актюаторов. К тому же их энергетические характеристики на несколько порядков выше. Необходимость дополнительных операций, связанных с соединением пьезоактюатора с мембраной является их основным и единственным недостатком. Технология создания пьезоактюаторов и чувствительных пьезоэлементов в Технологическом Центре пока не освоена. Только после этого можно окончательно решить вопрос о целесообразности использования метода поверхностной обработки кремния для создания активных элементов МФ МЭМС.

В диссертации были рассмотрены методы расчета и моделирования элементов и самих МД и МН. Высокая цена полной САПР МФ МЭМС и, соответственно, большие затраты на проектирование могут быть оправданы только при массовом производстве МД или МН. По этой причине на первом этапе целесообразно конструирование макетов на базе оценочных расчетов. Аналогичным образом следует поступить и с расчетом режима работы МД и МН.

Для расчета режима дозатора необходимо рассмотреть уравнение движения массы жидкости перед соплом. Было использовано уравнение:

(9)

где и - средняя скорость жидкости в канале перед соплом, М - масса жидкости в рассматриваемом участке канала, С,И - сила вязкого сопротивления, 8 - сила поверхностного натяжения

Из литературных источников выбраны значения входящих в уравнение величин М, С,, 8 и др

Определив все указанные величины можно получить уравнение движения мениска относительно оси у в форме:

где

КУ) =

У

у + я2

8<тА2-у

, ч 2С/

£(.У) = -

М

Мп{у2 + Я2)2

а - поверхностное натяжение, А - сечение камеры перед соплом, у — глубина мениска, Я — радиус отверстия сопла.

Это уравнение решалось при начальных и граничных условиях при /=0,

При этом должна быть задана зависимость геометрии канала от х. Она включает, по крайней мере, две области. Область канала перед соплом и область перемычки канала. Перемычка канала должна обеспечить повышение сопротивления обратному движению жидкости через входной канал в момент выдавливания капли через сопло Необходимо учитывать время заполнения рабочего канала через перемычку. В расчетах мы

приняли для сопла /?=10мкм, для канала ^=2000 мкм, /=2000 мкм; А=1,0 мкм. Для перемычки и"„=1000 мкм, /„=100 мкм, А„=1,0 мкм.

Решение уравнения позволяет определить время установления поверхности мениска после отрыва капли. В отсутствии перемычки поверхность мениска совершает колебательные движения. При наличии перемычки происходит быстрое затухание колебаний. Время установления устойчивой позиции мениска определяет максимальную частоту работы дозатора. В нашем случае это время равно 100<т„<150 мкс. Таким образом, граничная частота равна 7-10 кГц. Нижняя граница частоты определяется временем заполнения камеры дозатора жидкостью из накопителя

где - объем изменения камеры дозатора, - расход

жидкости через отверстие перемычки. Пренебрегая падением давления в канале перемычки и неоднородностью деформации мембраны дозатора, получим

или приближенно: г =

где

принимаем

=2000 2000 мкм2

3 мкм,

АР

АРср = = 1 ЬкПа . Тогда г„ будет меньше одной миллисекунды.

При принятых размерах камеры величина т.е. на порядок

больше заданной величины погрешности 0,1 нл. Для получения величины нужно на порядок уменьшить площадь мембраны за счет

уменьшения ее линейных размеров I в л/10 раз. Если 5„=600х600 мкм2, уе„=300 мкм, А„=1 мкм, тогда г„ уменьшиться приблизительно в три раза. Таким образом, частота возбуждения мембраны порядка 1 кГц соответствует стационарному режиму работы дозатора, т.к. при равенстве площади сечения перемычки м/„ Л„=300 мкм2 и с о т^лЗаОм^^ м я выдачи дозы приблизительно равно времени заполнения объема

Изменение площади мембраны на порядок должно быть согласовано с изменением ее толщины. При пересчете мы считали, что жесткость

пластины должна остаться той же Тогда цилиндрическая

жесткость должна быть уменьшена в 10 раз, а толщина пластины -

мембраны в В случае мембраны с жестким центром

и а/А= 0,5 толщина Й2:=4,4 мкм я для сплошной мембраны /г2=11 мкм. При такой замене С/™ остается тем же и можно пользоваться табл.1. Эскизный

-'кр

вариант такого дозатора представлен на рис.10. В отличие от первоначальных вариантов на входе вместо диффузора использована щелевидная перемычка. Это обеспечивает более равномерное заполнение камеры.

Проведенные расчеты носят оценочный характер. При моделировании реальной конструкции необходимо более точное задание параметров инжектируемой жидкости. Необходим более последовательный учет капиллярных эффектов в камере, входных и выходных каналах, необходим более детальный расчет электростатического актюатора с учетом конфигурации электродов, неравномерности деформации мембраны, наличия паразитных емкостей. Проведенная работа позволяет дать рекомендации по порядку разработки конструкции дозатора на основе примера ТЗ на дозатор биологических жидкостей: 1) электронное управление доз от 0,1 до 100 нл; 2) разрешающая способность - 0,1 нл; 3) производительность впрыска - не менее 10 нл/с; 4) совместимость с биологическими жидкостями; 5) размеры выходных отверстий 5-50 мкм;

6) возможность получения переменного расположения сопел с минимальным шагом 300 мкм и расположения их в виде матрицы;

7) управляющее напряжение - не более 100 В. Рис.10. Схема компоновки дозатора

1,11,III-

кристаллы А - узел электростатичес кого актюатора В - накопитель С- область инжектора дозы П - перемычка

Решение по п.6 ТЗ возможно в разных вариантах. Если все сайты должны быть заполнены одной жидкостью, то проблему может решить матрица сопел. Однако, при этом возникают трудности с реализацией принципа «клапан-насос» из-за увеличения рабочей площади мембраны.

Проблема существенно усложняется, если необходимо на каждый сайт мишени подавать жидкость разного состава. Для этого можно использовать матрицу дозаторов с тем же шагом, что у матрицы сайтов. Но при заданном малом шаге матрицы, например, 300 мкм изготовить дозатор с размером кристалла 300x300 мкм достаточно трудно, а собрать из них матрицу в совокупности с соответствующими подводящими жидкость капиллярами еще труднее. Проблема может быть решена, если отказаться как от требования равенства шагов матриц сайтов и дозаторов, так и от принципа матрицы дозаторов вообще. Вместо этого можно воспользоваться линейкой дозаторов, каждый из которых может быть позиционирован относительно любого сайта. Подобный принцип используется в струйных принтерах.

Реализация пп.1,3 ТЗ не представляет существенной технической трудности после решения проблем по п.2 ТЗ, т.к. они решаются за счет выбора диапазона частот возбуждения актюатора. Это утверждение совершенно однозначно для схемы «клапан-насос». Для обратной схемы «насос-клапан» требуется дополнительные исследования частотной зависимости производительности насоса. Требование п.7 ТЗ является определяющим при выборе способа действия актюатора и разработки его конструкции. В принципе он может быть выполнен и для изученного варианта электростатического актюатора, но наиболее просто он выполняется для термического и пьезоэлектрического актюаторов. Таким образом, теоретические оценки и эксперименты подтвердили возможность создания электростатического дозатора на базе кремниевой технологии МЭМС. Более оптимальным был бы переход к пьезоэлектрическому актюатору, совместимому с кремниевой технологией Это может быть осуществлено, например, после освоения технологии создании пьезоэлектрических слоев на кремнии в ГНЦ ТЦ.

Матричная конструкция дозатора разнородных жидкостей может быть реализована только для матриц низкого ранга (до 8 х8) или в форме двухрядной линейки. Более гибким и перспективным является метод

позиционирования дозатора относительно сайта мишени с помощью соответствующих координатных устройств.

Последовательность шагов разработки струйного (капельного) дозатора в соответствии с проведенным анализом должна быть такой:

1. На основании заданной разрешающей способности определяется диаметр выходного отверстия сопла.

2. По выбранному диаметру сопла определяется необходимое «критическое» давление, способное выдавить из капилляра сопла каплю жидкости с известной величиной поверхностного натяжения.

3. На основании величины требуемого давления определяются альтернативные типы актюаторов.

4. В зависимости от природы жидкости выбирается конкретный тип актюатора.

5. Определяется принцип конструкции актюатора: «клапан-насос» или «насос-клапан». Уточняются параметры схемы электропитания и управления актюатора.

6. Задаются основные геометрические параметры элементов конструкции, выбираются материалы элементов и оценивается возможность их создания методами доступной технологии.

7. При необходимости разрабатывается математическая модель элементов конструкции и проводится их расчет на базе САПР МЭМС.

8. На базе эскизного проекта разрабатываются технологические маршруты изготовления элементов дозатора и их сборки.

9. Осуществляется изготовление прототипа единичного дозатора, проводится испытания, и вносятся необходимые корректировки приборно-технологического базиса дозатора.

10. В зависимости от компоновки группы дозаторов (линейка, матрица) выбирается способ корпусирования и элементы коммутации.

11. Определяются способы совмещения дозатора с сайтом. Необходимое аппаратное и программное обеспечение.

12. Выбираются технические средства совмещения дозатора с сайтом и необходимое математическое обеспечение.

Предложенная последовательность этапов отражает только основные моменты. Реальный план разработки и производства определяется ТЗ на конкретный дозатор.

Основные результаты работы:

1. На основании исследований тенденций развития МСТ обоснована приоритетность технологической модульности в МСТ.

2. Показано, что кремниевая технология МСТ является наиболее универсальной и для МФ МЭМС. Она может служить основой для создания прототипов различных видов МЭМС. Ее использование в качестве основы серийного производства ограниченно не техническими, а экономическими показателями для конкретного вида МСТ.

3. На основании анализа основных конструктивных элементов МФ МЭМС - одного из перспективных направлений развития МСТ, - показана возможность их изготовления методам кремниевой технологии МСТ.

4. В качестве основного объекта исследований выбран микродозатор, т.к. он содержит базовые активные компоненты МФ МЭМС.

5. Разработаны и исследованы технологии и технологические маршруты изготовления компонентов МФ МЭМС на базе кремниевых структур и структур «кремний-стекло». Показано, что методы объемной обработки кремния при создании структуру МФ МЭМС более перспективны по сравнению с методами поверхностной обработки.

6. Проведены оценочные расчеты компонентов электростатического микродозатора. Сравнение их результатов с экспериментом позволяет рекомендовать разработанную методологию при конструированию компонентов МФ МЭМС.

7. Показано, что при разработке системы дозирования для биочипов на основе струйных микродозаторов целесообразно использовать не двухмерные матрицы дозаторов, а систему позиционирования индивидуального дозатора с конкретным реактивом относительно матрицы сайтов биочипов.

8. Совокупность результатов работы доказывает возможность разработки и изготовления МФ МЭМС на базе кремниевой технологии существующего в России уровня.

Цитируемая литература. 1. В.Д.Вернер, Ю.АЛаплыгин, А.Н.Сауров, Н.АШелепин. Микросистемы и биочипы - трансферт технологии микроэлектроники. Электронные компоненты. 2000, 31 с.3-5.

2. В.П.Драгунов. Влияние формы упругого элемента на характеристики микроэлектромеханических систем. Микросистемная техника. 2004, №1, с.20-26.

3. В.Я.Распопов. Микромеханические приборы. Тула 2002.

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах:

1. В.Д.Вернер, И.А.Пурцхванидзе. Микросистемы: проблемы и решения. Микросистемная техника. 2002, №10, с. 13-18.

2. В.Д.Вернер, П.П.Мальцев, И.А.Пурцхванидзе. Организация формирования и реализация программ по микросистемам и нанотехнологии. Микросистемная техника. 2002, №12, с.9-12.

3. В.Д.Вернер, И.А.Пурцхванидзе. Технологическая модульность в микросистемной технике. Микросистемная техника. 2003, №9.

4. V.D.Verner, N.A.Shelepin, V.A.Tarasov, I.A.Purtshvanidze. Capacitance Sensive Elements and Actuators for MEMS Technology. Тез. докл. International Conference «Micro- and Nanoelectronics»-2003. ICMME-2003. Abstracts. Moscow. 2003.

5. И.А.Пурцхванидзе. Микрофлюидные микроэлектромеханические системы для биохимического анализа. Тез. докл. Десятая всероссийская межвузовская конференция студентов и аспирантов. Микроэлектроника и информатика. Зеленоград, апрель 2003 г., МИЭТ, с. 109.

6. В.В.Амеличев, В.И.Лурье, ЮАПавлов, В.Н.Панков, И.А.Пурцхванидзе. Исследование конструкции микродозирующей системы для инжекции биологических растворов. Сборник научных трудов. Москва, МИЭТ, 2004, с.238-247.

7. В.В.Амеличев, И.В.Годовицын, И.А.Пурцхванидзе. Формирование сети микроканалов в монокристаллическом кремнии с помощью травления в КОН: проблема защиты углов. Тез. докл. Девятая междунар. науч.-техн. конф. «Актуальные проблемы твердотельной электроники и микроэлектроники». ПЭМ-2004. ТГРТУ, сент. 2004.

Подписано в печать

Заказ № 313 • Тираж 100 экз. Уч.-изд.л. Формат 60x84 1/16. Отпечатано в типографии МИЭТ (ТУ). 124498, Москва, МИЭТ

»25754

464

Введение

1. Глава. Роль микросистемной техники в развитии новых технологий

1.1. Микросистемная техника - проблемы и решения

1.2. Организационные проблемы развития МСТ

1.3. Проблема выбора технологий в МСТ

1.4. Проблема масштабирования в микросистемной технике

1.5. Выводы 41 Постановка задач исследования

2. Глава. Микрофлюидные микроэлектромеханические системы (МФ 44 ф МЭМС)

2.1. Роль и место МФ МЭМС в исследованиях и производстве 44 микросистем

2.2. Выбор материалов для изготовления элементов МФ МЭМС и их 50 влияние на конструкцию и технологию изготовления элементов

2.3. Выбор технологий САПР и производства МФ МЭМС

2.4. Европейские центры проектирования и производства МФ 63 МЭМС

2.5. «Кремниевая» и «кремний-стекло» технологии изготовления 64 ^ элементов МФ МЭМС

2.6. Сборка и корпусирование МФ МЭМС

3. Глава. Применимость кремниевой технологии для создания МФ 67 МЭМС

3.1. Адаптация кремниевой технологии для изготовления основных 67 компонентов МФ МЭМС

3.2. Основные конструктивные элементы МФ МЭМС и их функции

3.2.1. Блоки подготовки, накопления, доставки реагентов и аналитов

3.2.2. Блоки активации движения среды (жидкости) в МФ

3.2.3. Блоки регулирования потока

3.2.4. Контроль потока

3.2.5. Блоки подготовки реагентов

3.2.6. Блок реактора и вывода продуктов реакции

3.2.7. Информационный блок

3.2.8. Блок контроля состояния МФ МЭМС

3.3. Основные уравнения гидродинамики

3.4. Применимость классической гидродинамики к МФ МЭМС

3.5. Экспериментальная технология изготовления каналов в системе 92 «кремний-стекло»

4. Глава. Активные элементы МФ МЭМС

4.1. Микродозатор

4.1.1. Микроклапаны

4.1.2. Гидродинамические клапаны: диффузор и сопло

4.2. Экспериментальная проверка работы микрофорсунки с соплом

4.3. Актюаторы в конструкциях МФ МЭМС.

4.4. Мембрана в кострукции микродозатора.

4.5. Экспериментальная оценка параметров актюатора 129 микродозатора.

4.6. Исследование конструктивно - технологических параметров 137 макета дозатора

4.7. Расчет режима работы микронасоса и микродозатора

4.8. Схема разработки микродозатора 156 Заключения и выводы по работе 161 Список литературы

Микросистемная техника (МСТ) за короткий срок стала одним из признанных направлений высоких и критических технологий на рубеже 20-го и 21-го веков. Большой интерес со стороны научного сообщества и весомая государственная поддержка в большинстве развитых стран зарубежья позволили МСТ быстро пройти путь становления и, преодолев «критическую массу», стать научно-техническим направлением, с которым связывают будущее многих традиционных сфер деятельности. Автономные микросистемы (МС), прежде всего микророботы, должны существенно изменить взгляды в области производства, медицины, охраны здоровья человека и экологии. Широкое применение МС в военной области может привести к ревизии сложившихся представлений о характере боевых действий, способов охраны и контроля объектов, разведки и предотвращения диверсионной деятельности противника.

Уже в настоящее время бурно развивается направление «встроенных» МС. Будучи включенными в макросистему, они существенно повышают ее эксплуатационные характеристики без повышения цены, а зачастую и снижают ее. Роль МС как своеобразного интерфейса между макро- и микротехникой особенно возрастает с появлением нанотехнологии. В этом случае МС обеспечивают контакт с объектами нанотехники.

Терминология в МС области техники пока не не стандартизирована. Наиболее понятным является классификация МС по областям применения (вычислительная техника, телекоммуникации, автомобильный транспорт, космическая техника, медицина и т.д.). Наличие определяющих конструктивных элементов МС позволяют ввести в их классификацию признаки конструкции. Наиболее широко применим стал термин - «микроэлектромеханические системы», - МЭМС. В дальнейшем появились термины микрооптоэлектромеханические системы (МОЭМС) и микрохимикоэлекгромеханические системы (МХЭМС). Выделение области применения МЭМС привело к появлению, например, термина РадиоЧастотные МЭМС (РЧ МЭМС) или Био-МЭМС. В последнем случае речь идет о двух крупных группах: био-чипы и микрофлюидные «лаборатории на чипе». В более широком плане, включающем лабораторное применение микрофлюидных устройств, можно говорить о классе МС - Микро-Флюидные МЭМС (МФ МЭМС). Латинское слово fluidus означает «текучий», поэтому МФ МЭМС могут работать с двумя видами рабочих сред: жидкостями и газами. В дальнейшем мы будем применять термин МФ МЭМС для случая работы с микрообъемами жидких сред.

Микросистемная технология рождалась на базе применения различных видов микрообработки материалов конструкций МС. Природа материалов для МСТ может быть разнообразной: металлы и полупроводники (элементарные и соединения), диэлектрики (стекла, пластмассы и т.д.). Выбор материала диктуется доступность какого-либо вида микрообработки и его совместимостью с принципами конструирования МС. В случае МЭМС одним из широкоприменяемых материалов стал кремний, а методом микрообработки -полупроводниковые технологии. В работе [ 1] указывалось на возможность использования имеющегося в России оборудования для трансфера технологий микроэлектроники в область микросистем. При этом открывалась возможность изготовлять на этом оборудовании не образцы устаревших поколений интегральных микросхем, а современные микросистемы.

Целый ряд российских научно-производственных организаций исследовали различные виды поверхностной и объемной обработки кремния и применили их на практике для создания различных типов МЭМС (НПК «Технологический центр» МИЭТ, ОАО «Микрон», ОАО «Ангстрем» и др.). В основном это были датчики различных физических величин, которые стали выпускаться в значительном количестве. Однако, применимость технологий обработки кремния для МФ МЭМС систематически не была исследована.

Актуальность такого исследования заключается прежде всего в возможности создания на базе МФ МЭМС аналитических устройств массового применения для рутинных и исследовательских био- и химических анализов в медицине, фармакологии, контроле за состоянием производственных сред и среды обитания человека, выявления малых доз опасных химических и биологических веществ (взрывчатые вещества, наркотики, химическое и бактериологическое оружие и т.д.).

С другой стороны требования, вносимые средой аналита, к материалам и конструкциям МФ МЭМС должны быть оценены для кремния и, более того, адаптированы к условиям конкретного производителя, уровню технологии, который он имеет.

Таким образом, задачей настоящего исследования стало:

1. Изучить и оценить возможности российского кремниевого производства на примере технологических линеек НПК «Технологический центр» для создания МФ МЭМС;

2. Определить основные элементы «полупроводниковых» МФ МЭМС и способы конструирования систем на их базе;

3. Исследовать технологические маршруты изготовления элементов и их сборки в МФ МЭМС;

4. Оценить параметры основных конструкций элементов МФ МЭМС;

5. Провести моделирование основных узлов МФ МЭМС;

6. Провести экспериментальное исследование работы элементов МФ МЭМС;

7. Сформулировать предложения по применению «полупроводниковых» МФ МЭМС.

выход

Рис.69 - Схема компановки дозатора (без масштаба)

4.8. Схема разработки микродозатора

Для анализа полученных результатов обратимся к ТЗ на дозатор биологических жидкостей:

1. Электронное управление доз от 0,1 до 100 нл.

2. Разрешающая способность - 0,1 нл.

3. Производительность впрыска - не менее 10 нл/с.

4. Совместимость с биологическими жидкостями.

5. Размеры выходных отверстий 5-50 мкм.

6. Возможность получения переменного расположения сопел с минимальным шагом 300 мкм и расположения их в виде матрицы.

7. Управляющее напряжение - не более 100 В.

Требование п.1 с точки зрения реальной необходимости (см. рис.9) кажется чрезмерным, т.к. реальный объем, необходимый для анализа биологических жидкостей ближе к верхней границы заданного диапазона, но технически он вполне достижим, что подтверждает опыт создания дозирующих устройств таблица №6.

Следует различать два способа переноса дозы жидкости от дозатора на мишень-сайт: перетекание и выброс (инжекция) (табл.22).

Первый из способов характерен для пин-технологии, т.е. дозирования с помощью полых игл. В этом случае заполнение полости иглы происходит за счет капиллярных сил при обмакивании в резервуар. Таким образом, внутренняя поверхность иглы должна быть гидрофильной относительно жидкости. При последующем контакте жидкость должна поступить из капилляра на сайт. Для этого угол смачивания для поверхности сайта должен быть меньше, чем для внутренней поверхности иглы, т.е. поверхность сайта более гидрофильна, чем поверхность иглы. Принцип переноса капли давно известен для перьевых ручек. Изменяя материал иглы и технологию изготовления капилляра можно получить малую дозу. Наименьшая доза была достигнута с помощью игл из кремния, изготовленных методами объемной микрообработки [116]. К недостаткам этого способа дозирования следует отнести необходимость прямого контакта с сайтом и перезаполнения иглы после каждого этапа нанесения. В тоже время в этом методе на жидкость не оказывается никаких дополнительных воздействий, например, температурных. По этой причине пин-метод используется для нанесения на сайт биологических объектов.

В струйных дозаторах капля-доза выбрасывается на сайт избыточным давлением.

Дозатор BIOMEMS [95] основан на принципе действия головки принтера. С его помощью можно наносить пятно диаметром около 50 мкм. Принцип действия показан на рис. 45. Резистор нагревает тонкую пленку жидкости (0,1 мкм) со скоростью 1000000°C/c до

340° С. Образовавшийся пузырек перегретого пара выталкивает каплю жидкости из сопла. Измерения показали, что объем капли при этом находится в диапазоне пиколитров (24 пл [95]). Такие же результаты были получены для дозаторов с пьезоэлектрическим приводом. Преимуществом дозатора первого типа является отсутствие перемещающихся механических деталей. По отношению к электростатическому дозатору пьезоэлектрический дозатор имеет два преимущества: во - первых, в тысячу раз более высокую запасенную энергию и возможность реализации перемещения по схеме ±А. Электростатический дозатор работает по схеме 0 - А и рабочее давление создается за счет упругой деформации мембраны. В результате для создания "критического" давления в электростатическом дозаторе нужно использовать более высокие напряжения, это напряжение может быть еще более увеличено в конструкции "клапан-насос". Недостатком теплового актюатора является необходимость нагрева жидкости, что не всегда допустимо (см. п.4 ТЗ). Поэтому, вероятно, наилучшим актюатором дозатора все же является пьезоэлектрический дозатор. Его разработка может служить развитием данной работы. Решение по п. 6 ТЗ возможно в разных вариантах. Если все сайты должны быть заполнены одной жидкостью, то проблему может решить матрица сопел. Однако, при этом возникают трудности с реализацией принципа "клапан-насос" из-за увеличения рабочей площади мембраны.

Проблема существенно усложняется, если необходимо на каждый сайт мишени подавать жидкость разного состава. Для этого можно использовать матрицу дозаторов с тем же шагом, что у матрицы сайтов. В работе [118] был использован именно этот принцип при создании матрицы микропипеток. Но при заданном малом шаге матрицы, например, 300 мкм изготовить дозатор с размером кристалла 300x300 мкм достаточно трудно, а собрать из них матрицу в совокупности с соответствующими подводящими жидкость капиллярами еще труднее. Проблема решается, если отказаться как от требования равенства шагов матриц сайтов и дозаторов, так и от принципа матрицы дозаторов вообще. Вместо этого можно воспользоваться линейкой дозаторов, каждый из которых может быть позиционирован относительно любого сайта. В струйных принтерах и кардинатографах для САПР используется подобный принцип. На этом же принципе работает и устройство заполнения матриц биочипов фирмы BIOMEMS.

Реализация пп. 1,3 ТЗ не представляет существенной технической трудности после решения проблем по п. 2 ТЗ, т.к. они решаются за счет выбора диапазона частот возбуждения актюатора. Это утверждение совершенно однозначно для схемы "клапан-насос". Для обратной схемы "насос-клапан" требуется дополнительные исследования частотной зависимости производительности насоса - Q. Требование п. 7 ТЗ является определяющим при выборе способа действия актюатора и разработки его конструкции. В принципе он может быть выполнен и для изученного варианта электростатического актюатора, но наиболее просто он выполняется для термического актюатора. Ограничения по п. 4 ТЗ вновь подтверждают оптимальность пьезоэлектрического способа возбуждения актюатора. Таким образом, теоретические оценки и эксперименты подтвердили возможность создания электростатического дозатора на базе кремниевой технологии МЭМС. Более оптимальным был бы переход к пьезоэлектрическому актюатору, совместимому с кремниевой технологией. Это может быть осуществлено только после освоения технологии создании пьезоэлектрических слоев на кремнии в ГНЦ ТЦ.

Матричная конструкция дозатора разнородных жидкостей может быть реализована только для матриц низкого ранга (до 8x8) или в форме двухрядной линейки. Более гибким и перспективным является метод позиционирования дозатора относительно сайта мишени с помощью соответствующих координатных устройств.

Последовательность шагов разработки струйного (капельного) дозатора в соответствии с проведенным анализом должна быть такой:

1. На основании заданной разрешающей способности определяется диаметр выходного отверстия сопла.

2.

По выбранному диаметру сопла определяется необходимое "критическое" давление, способное выдавить из капилляра сопла каплю жидкости с известной величиной поверхностного натяжения. м

3.

На основании величины требуемого давления определяются альтернативные типы актюаторов.

4.

В зависимости от природы жидкости выбирается конкретный тип актюатора.

5.

Определяется принцип конструкции актюатора: "клапан-насос" или "насос-клапан". Уточняются параметры схемы электропитания и управления актюатора.

6.

Задаются основные геометрические параметры элементов конструкции, выбираются материалы этих элементов и оценивается возможность их создания методами доступной технологии.

7.

При необходимости разрабатывается математическая модель элементов конструкции и проводится их расчет на базе САПР МЭМС.

8.

На базе эскизного проекта разрабатываются технологические маршруты изготовления элементов дозатора и их сборки.

Осуществляется изготовление прототипа единичного дозатора, проводится испытания, и вносятся необходимые корректировки приборно-технологического базиса дозатора.

10. В зависимости от компоновки группы дозаторов (линейка, матрица) выбирается способ корпусирования и элементы коммутации.

11. Определяются способы совмещения дозатора с сайтом. Необходимое аппаратное и программное обеспечение.

12. Выбираются технические средства совмещения, дозатора с сайтом и необходимое математическое обеспечение.

Предложенная последовательность этапов отражает только основные моменты.

Реальный план разработки и производства определяется ТЗ на конкретный дозатор.

Последовательность разработки дозатора показана на рис. 70.

Рис. 70 - Этапы разработки инжскционного дозатора

Заключение и выводы по работе

1. На основании исследований тенденций развития МСТ обоснована приоритетность технологической модульности в МСТ.

2. Показано, что кремниевая технология МСТ является наиболее универсальной. Она может служить основой для создания прототипов различных видов МЭМС. Ее использование в качестве основы серийного производства ограниченно не техническими, а экономическими показателями для конкретного вида МСТ.

3. На основании анализа основных конструктивных элементов МФМЭМС- одного из перспективных направлений развития МСТ,- показана возможность их изготовления методам кремниевой технологии МСТ.

4. В качестве основного объекта исследований выбран микродозатор, т.к. он содержит базовые активные компоненты МФМЭМС.

5. Разработаны и исследованы технологии и технологические маршруты изготовления компонентов МФМЭМС на базе кремниевых структур и структур «кремний-стекло». Показано, что методы объемной обработки кремния при создании структуру МФМЭМС более перспективны по сравнению с методами поверхностной обработки.

6. Проведены оценочные расчеты компонентов электростатического микродозатора. Сравнение их результатов с экспериментом позволяет рекомендовать разработанную методологию при конструированию компонентов МФМЭМС.

7. Показано, что при разработке системы дозирования для биочипов на основе струйных микродозаторов целесообразно использовать не двухмерные матрицы дозаторов, а систему позиционирования индивидуального дозатора конкретным реактивом относительно матрицы сайтов биочипов.

8. Совокупность результатов работы доказывает возможность разработки и изготовления МФМЭМС на базе кремниевой технологии существующего в России уровня.

1. В.Д. Вернер, Ю.А. Чаплыгин, А.Н. Сауров, Н.А. Шелепин. Микросистемы и биочипы-трансферт технологии микроэлектроники. Электронные компоненты 200 31, с. 3-5

2. Л.Ю. Бочаров, П.П. Мальцев, Состояние и перспективы развития микромеханических система за рубежом. Микросистемная техника. 1999, №1, с 41-46

3. A NEXUS. Task Force Report 1998, с. 23-24

4. R.H. Grace, P. Salomon. Microsystems /NENS/, Micromachines-on the Move from Technology to Business. MST news. 2001 №

5. П.П. Мальцев. Микросистемная техника расширение возможностей микроэлектроники. Микроэлектроника 2001, т.30, №1, с 32-34

6. National Nanotechnology Initiative. July 2000 Washington D.C.

7. A NEXUS. Task Force Report 1998, c. 7-17

8. Market Analysis for Microsystems 2000 2005. MST news 2002№2/02, c. 43-44

9. R. Riemenscheider, H. Stresse. Microsystems Approaching Ubiquitous Coputing. NST news 2000 №2/02, c. 4-8

10. W.D. Hartmann, A. Ullsperger. High-tech Fashion for Ambient Intelligence and Ubiquitous Computing. MST news 2000 №2/02, c. 15-16

11. X. Song, D. Reynaerts, W Meersen, H. Van Brussel. Micro-EDM for silicon microstructure fabrication. Proceeding of SPIE v. 3680, c. 792-799

12. MEMS Exchange http://www.mems-exchange.org

13. Гэри Стикс. Микронные механизмы в мире науки. 1993 №1 с. 69-78

14. Haghly Advanced National Programme (HAN- G-7 Programme). Asian MEMS Update Semicon conference 1998.

15. H. Van Heeren, I. Elders. Foundries for MEMS/MST: a status overview 2001/2002. MST news 2002 №2/02, c. 41-4316. NEXUS www.nexus-mems.com

16. П.П. Мальцев. Перспективные разработки микросистемной техники в России. Микросистемная техника 2002, №8, с. 7-11

17. Mikrotechnik: Deutschland vorn. VDE-Verband benennt die "Schlusseltechnologien 2010" Die Messe. Nachrichten und Reportagen Munchen 12.11.2002 с. 1 -3

18. В.Д. Вернер, И.А. Пурцхванидзе. Микросистемы: проблемы и решения. Микросистемная техника, №10 2002 с. 13-18

19. J. Pepper. MEMS roadmaps in U.S. Struggle to chart the right direction. MST news 4/02, c. 1416

20. В. Wybranski. JVEI addresses MicroSystem Technology. Interview with D. Harting. President of ZVEI. MST news 4/02, c. 46-47

21. Технология. Большая Советская Энциклопедия, М1974, Е25, cl 598; Иллюстрированный энциклопедический словарь М2001, с 720

22. В.Д. Вернер, П.П. Мальцев, И.А. Пурцхванидзе. Организация формирования и реализации национальных и региональных программ по микросистемам и нанотехнолгии. Микросистемная техника. 2002 №12, с. 9

23. G. Roesems, G. van Caenegem, D, Beernaert. The 6th Framework Programme for Europen Research and the world Micro & Nano Technology MST news 5/02 c. 35-36

24. K. Petersen MEMS: What lies ahead? MST news special issue USA @ Canada/96, c. 101 10526. "Модуль" Большая Советская Энциклопедия М1974 Т16 с1207; Иллюстрированный энциклопедический словарь М2001, с. 462

25. Н. Kergel Modular Microsystems Update and New Developments. MST news 5/01, c. 37-3928. MATCH X www.match-x.org

26. B.A. Телец, B.C. Серегин, А.И. Васильевич. Построение трехмерных модулей для микроминиатюрных робототехнических и информационных систем методом объемно-планарного монтажа. Микросистемная техника №5,2001, с. 11-21

27. Н.А.С. Tilmans, К. Baert, A. Verbist, R. Puers. CMOS foundry-based micromachining J. Micromech. Microeng. №6, 1996, c.122-127

28. E. Mounier, M. Provence. Technologies and markets trends in biochips and microfluidie chips. MST news 5/02, c. 4-6

29. П.П. Мальцев, B.A. Телец, Ю.А. Никифоров. Технология и изделия микроэлектромеханики. ^Ликросистемная техника №10,2001, с. 18-24

30. Н.А. Шелепин. Кремниевые преобразователи физических величин и компоненты датчиков. Датчики и микросистемы на их основе, микросистемная техника №9, 2002, с.2-10

31. J. Berger, A. Botlhof. Technology Developments and Market Exploitation in Contex of Micrsystems. MST news 4/02,2002

32. S.J. Walker, D.J. Nagel. Optics @ MEMS. Nowal Research Laboratory, Washington DC 20375-5320, May 15,1999, cl

33. M.Y. Madoy. Fundamentals Microfabrication, CRC Press. 2002

34. K. Petersen, W. Mc Millan, G. Kovacs et al. The Promise of Miniaturized Clinical Diagnostic Systems. IVD. Technology. 1998,48-60

35. Y. Kubo. I. Shimoyama, H. Miura. IEEE International Conference on Robotics and Automation. 1993, 81-83

36. T. Trimmer. Micromechanical Systems. Integrated Micro-Motion Systems. Japan. 1990, 1-15

37. S. Mietke, M. Werner. Investing in Micro and Nanotechnology from a German Perspective. MST news 2001, №5/01, c. 35-3741. http://biotech. frost, com.

38. S. Kiesewalter, K. Russow, K. Balsabre. Microreaction Technology: On the Track of Production. MST news. 2002 №3/02,10-11

39. E. Mourner, M. Provence. Technologies and markets trends in biochips and microfluidic chips. MST news. 2002, №5/02, c. 4-7

40. M. Dilhan, Y. Tasseli, D. Esteve. Experimentation of an electrosbatically actuated monochip micropump for drug delivery Symp. Test. Dedign and Fabrication, 1999 Paris c. 887-896

41. T. R. Dietrich, A. Freitag, R. Scholz. Microreactors and Microreaction Systems for Development and Production. MST news 2002, №3/02, c. 12-14

42. A. Richardson, Y De Wolf, D. Peters, P.Salomon Manufacturing Starts with the Design. MST news. 2003 № 2/03, c. 41-43

43. C. Schmider, A. Pribe, R. Bruck. Computer Aided Design Tools for Economical MEMS Fabrication Process. SPIE v. 3680, c. 290-297

44. G. Fedder, M.R. Gutkosky, P. Losleben, R. Merz, F.B. Prinz. A. Manufacturing Ynterface for 3D Design, www-crd. Stanford, edu/interface/publication/design proposad. pdf

45. F. B. Prinz, S. Rajago-palan, W.Wood. A Design Ynterface for 3D Manufacturing, www-crd. Stanford.edu/interface/tested-proposal. pdf

46. X. F. Yha, H. Du. Manufacturing process and material selection in concurrent collaborative design of MEMS devices. Y. Micromech. Microeng. 2003, 13, c. 509-522

47. Y.C. Marschall, M. Parameswaran, M.E. yaghoub. High-Leveb CAD Melds Micromachine Devices with Foundryies IEEE Circuits Devices Mag. 1992, v 8, c. 10-17

48. ERL. SAMPLE Version 1.6a. Users Guide. Berkely 1985

49. G.M. Kopplman. OySTER: A 3D structural Simulator for MEMS Design. IEEE MEMS, 1989, 88-93

50. Y. R. Gilbert, G.K. Ananthasureck. 3D Modeling of Contact Problems and Hysteresis in Counle Electro-Mechanics. 9 Ynternational Workshop on MEMS (MEMS-96) 1996, 127-32.

51. S. Cramy, Y. Zhang. CAEMEMS: An Yntergrated CAE Workbench for MEMS. IEEE MEMS-90,1990, c. 113-114

52. Y. G. Korvink, Y. Funk, M. Ross. SESES: A Comprehensive MEMS Modelling System. IEEE MEMS-94,1994, c. 22-27

53. F. Maseeh. A novel Multidimensional Simiconductor Material Analysis Tool. Sol. State Technol. 1994, v 37, c. 83-84

54. Е.С. Горнев, Н.А. Зайцев, М.Ф. Равилов, И.М. Романов. Моделирование элементов микромеханики. Часть I. Микросистемная техника 2002 №10, 18-25, ЧастьП. Микросистемная техника 2002 №1, 3-5

55. Т.Ю. Крупнина. Анализ использования методов приборно-технологического моделирования при разработке элементов микросистемной техники на примере пакета ISETCAD. Изв. вузов. Электроника 2003, №6, с. 81-86

56. R. М. Kirby, G.E. Karnidases, О. Mikuschenko, М. Mayaram. Coupling Flow-Structure-Thermal-Electronical Domains The MEMS Handboolk. CRC PRESS. 2002, 51 c. 5-2361. http://www.europractice.com62. http://www. microproducts. nl.

57. P. Bergveld. Micro Total Analysis Systems. 1995. Netherlands. Kluwer

58. A. Wixforth, Y. Scriba, C. Gaulr. Flatland fluidics. MST news, 2002, №5/02, c. 42-43

59. N.R. Harris, M. Hill, S. Beely, Y. Shen, N.M. White, Y.Y. Hawkes, W.N. Coakley. A Silicon Microfluidic Ultrasonec Separator. XVI. The 16 European Conference on Solid-Stute Transdecers, 2002, Prague, c. 846-849

60. Y.H. Daniel, S. Igbal, R.B. Millington, D.F. Moore. Silicon microchambers for DNA amplification Sensors and Actuators. 1998. A 71, c. 81-8867. http://www.calipertech. com/tech/Ic.htm68. http://www.LTF-GmbH.de

61. Jl.T. Лойцянский. Механика жидкости и газа. М. 1978

62. R.K.Shah, A.L. London. Laminar Flow Forced Convection in Ducts. Advances in Heat Transfer, 1978. New York

63. P. Wilding, Y. Pfahler. Manipulation and Folw of Biological Fluids in Straisht Channels Micromachined in Silicon. Clin Chem. 1983 v. 40, c. 43-47

64. K.V. Sharp, R.Y. Alrian. Anamalos Transition to Turbulence in Microtubes. Proc. Int. Mech. Eug. 2000

65. X.E. Peng, G.P. Peterson, B.X. Wang, Friction Flow Characteristecs in Water Flawing Through Microcannels. Exp. Heat. Trauster. 1994. v7, c. 249-264

66. J.P. Alarie, S.C. Jacobson. Effects of the Electric Field Distribution on Microchip Valving Performance. Electrophoresis. 2000 v.21, c. 100-106

67. D.R. Baker. Capillary Electrophoresis Techniques in Aualitical Chemistry. 1995. New York

68. К. Флетчер. Вычислительные методы в динамике жидкостей. 1991. М. Мир.

69. D. Lin, М. Махеу, G. Karmdakis. A Fast Method for Particelate Microflows. J.MEMS, 2002, v.ll,N6, c.691-701

70. M. Losey, R. Jackman, S. Firebaugh. J. MEMS, 2002, v.ll, N6, c. 709-716

71. L. Lu, K.S. Ryu, C. Li. A Magntic Microstirrer and Array for Microfluidic Mixing. J. MEMS. 2002, v.l 1, N5, c. 462-469

72. M.G. Giridharan, S.Krishnamoorthy, A Krishnan. Computation Simulation of Microfluics. Electrokinetics and Particle Transport in Biological MEMS Devices SPIE v.680, 1999 c. 150160

73. M.J. Madou, L. Lee Proc. Solid-State Sensor and Actuator Workshop/ SPIE, 1998. c.80-93.

74. A. Rasmussln, M. Gaetan, L. Locasio, M. Zaghloul. Fabrication Techniques to Realize CMOS-Compatible Microfluidic Microchannels. J. MEMS, 2001, v.10, c. 286-296

75. Ki Bang Lee, Liwei Lin. Surface Micromachined Glass and Polisiticon Microchannels Using MUMPs. IEEE MEMS-03. Kyoto. 2003, c. 578-581

76. P. Dutta, A. Beskok, T. Warburt. Electtoosmotic Flow Coutrol in Comlex Micrometric. J. MEMS, 2002, v. 11, N1, c. 36-43

77. H. Ji, V. Samper, W. Shu, Q Ramadan Microfluidic bead-based Valve. XVI-European Couf. on Solid-State Transducers. 2002. Prague, c. 842-845.

78. Huba Control AG. www.hubacontrol.com

79. Chekraborty, W.C. Tang, D.P. Bame, Т.К. Tang MEMS microvele for space applications Transducers' 99, 1999, c. 1820-18223

80. P.H. Paul, D.W. Arhold, D.Y. Rakestraw Electrokinetic generation of high pressures using poros microstructuros. Micro total Analusis Sistems'98, 1998, c. 49-52

81. P. Woias. Micropumps Summarizing the first two decades. Paoc. SPIE 2001 v. 4560. c. 39-52

82. M. Wackerle. Microprictaltic pump www.izm.fraungofer.de

83. J.D. Ewans D.Liepmann The bubble Spring and channel valve: an acbuated, bistable mechanical valve for in plane fluid control Trasducers'99, 1999, Japan c. 153-167

84. Насадки гидравлические. Физический энциклопедический словарь. М. 1963 III, с. 361

85. M.J. Medou. Fundamental of Microfabrication Capillary Forces. CRC PRESS 2002, c. 585-587

86. В.И. Безруков. Основы элеткрокаплеструйных технологий 2001. "Судостроение" С-Петербург".

87. M.J. Medou. Fundamental of Microfabrication Ink-Jetting and Microspotting. CRC PRESS 2002, c. 164-168

88. L.J. Thomas, S.P. Bessman. Prototiv for an implantable micropump powered by piezoelectric desk benders. Trans. Amer. Soc. Artif Organs 1975, v. 21, c. 516-520

89. A. Wego, L/ Pagel, A selx-filling micropump bases on PCB texhnology. Sensor and Activator 2001, v. A88, c. 220-226

90. T. Bouronina, A. Bosseboef. Design and Simulation of an electrostatic micropump for olrugdelivery applications. J. Micromech. Microeng. 1997, v7,c. 186-188

91. S.F. Bart, T.A. Lober, R.T. Howe, J.H. Lang. Design Considerations for Micromachined Electric Actuator. Sensor, Actuators, 1988, vl4,c. 269-292

92. I.J. Vishniac. The case for Magntically Driven Microactuators. Sensor and Actuators. 1992. v.A33, c. 207-220

93. В.П. Драгунов. Влияние формы упруго элемента на характеристики микроэлектромеханических систем. Микросистемная техника, 2004, №1, с.20-26.

94. R. Linnemann, P. Woias, C.D. Senfft. A. Self-priming and bubble-foleraut silicon micropump for liquids and gases. Proc. MEMS'98 1998, Germany, 532-537

95. M. Rictter, R.Linnamann, P. Woias. Robusb design of gas and liquid micropums. sensor and Actuators. 1998. v. A 68, c. 480-486

96. V. Ziebart, O. Paul. Strongly Buckled Square Micromachined Membranes. J. VEVS 1999, v.8, №4, c. 423-431

97. Т.Д. Шермергор. Теория упругости микронеоднородных сред. Ml997. Наука

98. М.С. Acero, J.A. Plaza, J. Esteve, М. Carmona. Design of modular micropump based on anodic bonding. J. Micromech. Microeng 1997, v.7, 179-182

99. В.Я. Распопов. Приборы первичной информации. Микромеханические приборы. Тула 2002.

100. С.П. Тимошенко, С. Войновский -Кригор. Пластинки и оболочки. М. Наука 1996.

101. P. Dulta, A Beskok, Т. Warburton Electroosmotic Flow Control in Complex Microgeometries. J. MEMS 2002, V.l 1, №1, c. 36-43

102. C.J. Moris, F.K. Forster. Low-Order Modeling of Resonanse for Fixed-Valve Micropums Based for First Principles. J. MEMS, 2003, v. 12, №3, c.325-334

103. A. Ullmann, I. Fono. The Piezoelectric Valve-Less Pump-Zuproved Dynamic Model. J.MEMS 2002, v.l 1, №6, c. 655-670

104. Jr. Hung Tgai, L. Lin. A Termal-Bubble-Actuated Micronozle-Duffuser Pump. J. MEMS. 2002, v.l 1, №6, c.665-670

105. E.S. Hung, S.D. Senturia. Extending the Travel Range of Analog-Tuned Electrostatic Actuators. J.MEMS, 1999, c.8, №4, c. 497-505

106. O. Bochobza-Degani, D. Elata. An Efficient DIPIE Algorithm for CAD Electrofatically Actuated MEMS Devices. J.MEMS. 2001, v.ll, c. 612-620

107. J. Gin Fai Tsai, Z. Chen, S. Nelson, C.J. Kim A. Silicon micromacluned Pin for Contact Droplen Printing IEEE 2003, c. 295-298

108. BIOMEMS. http://wwwhp.com/oemikkiet/tii/abot.htm

109. В. Wolf, R. Ehret, W. Baumann, M. Brischwen. Multimetric microsensor chips for screening application. J. Alal Chem 2001, v. 369, c. 30-35

110. V. D. Verner, N.A. Shelepin, V.A. Tarasov, I.A. Purtskhvanidze. Capacitance Sensitive Elements and Actuators for MEMS Technology. Abstracts ICMNE 2003 Moscov-Zvenigorod. D-4

111. B.B. Амеличев, В.И. Лурье, А.Д. Павлов, В.В. Панков, И.А. Пурцхванидзе. Исследование конструктивно-технологических методов создания систем инжекции микродоз биологических растворов. Сборник научных трудов ГНЦ НПК "Технологический центр" М20046 255-245