CC BY
95
Система на кристалле БиоМЭМС с радиочастотным интерфейсом
Зелевич Е.П., Рыбин ДВ.,МТУСИ, Машевич П.Р., ОАО "Ангстрем"
В настоящее время передовые лаборатории во всем мире производят исследования на стыке таких областей, как биология, микро/наномеханика и микроэлектроника. За последнее десятилетие к ряду традиционных СБИС (сверх большие интегральные схемы), осуществляющих преобразование обычных электрических сигналов, были разработаны и внедрены в производство различные классы сначала гибридных, а затем и интегральных схем, осуществляющих преобразование в электрические сигналы таких воздействий, как механические, химические, температурные, оптические, электромагнитные и др. Объединение микро/наномеханики с интегральными схемами (ИС) на одном кристалле образовали направления интегральные Микро- и Нано-электромеханические системы (МЭМС и НЭМС соответственно). Технологический процесс производства достиг такого уровня, который позволяет изготавливать на одном кристалле несколько сенсоров вместе со схемами обработки сигналов, их преобразования, а также со схемами проводной и беспроводной приема/передачи данных, включая антенну (для беспроводных) и независимый источник питания.
Используя данную технологию, стало возможным проектирование и производство сложных высококачественных устройств — систем на кристалле (СНК) миниатюрных размеров.
Для постоянного мониторинга состояния человека простейший набор датчиков включает в себя измеритель пульса, датчик температуры и датчик давления (рис.1). В структуру СНК входят типовые блоки ИС, такие, как источники токов и напряжений, генератор, формирователи импульсов. Для передачи данных по радиочастотному интерфейсу система дополняется радиочастотным блоком.
Более сложная СНК (рис.2) дополняется блоками АЛУ и блоками памяти постоянной, оперативной, флэш, программируемой (ПЗУ, ОЗУ, Flash, EEPROM). Такая структура может производить синхронизацию, обработку и запись в память измеренных данных с последующей передачей на пункт контроля.
Структура каждого из блоков датчиков включает в себя микро-механический сенсор, усилители сигнала, демодулятор, блоки управления сенсором, цифроаналоговый и аналого-цифровой преобразователи (ЦАП и АЦП соответственно) (рис.3).
Рассмотрим варианты реализации микромеханических сенсоров.
Датчик давления
Один из самых широко используемых датчиков в различных промышленных областях и медицине. Он является одним из первых микромеханических датчиков, с которых началось развитие МЭМС. По способу реализации механизма распознавания и съема информации датчики разделяются на емкостные, резонансные, пьезоэлектрические, пьезорезистивные. Датчики емкостного типа температурно независимы, их данные стабильны во времени, они не показывают начального смещения, имеют нулевое потребление при постоянном сигнале.
На рис. 4 показан принцип действия такого датчика давления. На рис. 5 сфотографированы варианты реализации датчика.
Первая отечественная технология изготовления преобразователей давления на пластинах диаметром 100 мм была разработана в Научно-производственном комплексе "Технологический центр" (НПК ТЦ) МИЭТ. [3]
Измеритель пульса
Частоту пульса позволяют фиксировать инерциальные датчики, разработанные на основе МЭМС-акселерометров. Здесь измерения производятся так же, как и в датчиках давления на основе преобразования изменения емкости в электрический сигнал.
Отличие конструкции инерциального сенсора от сенсора давления состоит в том, что концы подвижной массы свободны, сама масса висит на воздушной прослойке и закреплена на подложке через анкеры на гибких пружинах.
Конструкция инерциального МЭМС-сенсора представлена на рис. 6.
Рис.1. Простейшая структура СНК с РЧИД для осуществления контроля состояния человека
Рис. 2. Структура СНК с РЧИД для осуществления контроля состояния человека с возможностью синхронизации, обработки, хранения данных
Рис 3. Типовая структура блока датчика
Вакуумная Кремневая Оксид Металлизация
полость мембрана
РМс 5. Фотографии датчиков давления [1, 2]
Рис. 4. Принцип действия емкостного датчика давления [1]
Температурный датчик
Датчик температуры может быть выполнен в виде терморезистора, термодиода, ИК-приемника в виде болометра или в виде конденсатора, время стекания заряда с которого обратно пропорционально температуре [5] и др. Вариантов реализации температурного датчика предостаточно в классической литературе по проектированию ИС. Оттого опустим рассмотрение типов и конструкций сенсорных элементов.
На рис. 7 показан вариант реализации инерциального датчика, измеряющего колебания в плоскости Ъ. Съем полезного сигнала производиться с гребенчатой структуры, располагающейся по периметру подвижной массы сенсора.
На территории России разработками интегральных инерциаль-ных датчиков по технологии 1МЭМС занимается ОАО "Ангстрем", единственный (на 2008 г.), достигший качественных результатов в данном направлении [4].
Рис б. Микромеханическая инерциальная структура
Рис. 7. Фотография инерциального датчика [1]
Заключение
Приведенный вариант реализации 1МЭМС-структур СНК с РЧИД для обеспечения непрерывного мониторинга состояния человека — является наглядным примером. Такую структуру СНК с РЧИД можно дополнить другими датчиками, такими как анализаторы потока крови, биохимического состава, газового анализатора и всевозможных других.
Дальнейшие исследования и разработки в этой области ведут к созданию целой лаборатории на одном кристалле. С ее помощью станет возможным проводить биохимические анализы1, производить сравнения ДНК, определять ошибки в нуклеотидной последовательности ДНК, считать антитела в крови, манипулировать отдельными клетками без их повреждения. Устройства на основе МЭМС, обладая малыми размерами, наносят меньший вред организму, что дает возможность непосредственного доступа к месту диагностики и терапии.
Разрабатываются структуры БиоМЭМС (BioMEMS), в которые входят биологические компоненты: нуклеиновые кислоты, антитела, клеточные рецепторы, а также углеродные структуры МЭМС (К-МЭМС — Carbon MEMS или C-MEMS) с помощью которых возможно получить микровольтные трехмерные источники питания [6].
iМЭМС-устройства успешно заняли и продолжают осваивать прочную нишу в коммерческих применениях, показав высокую надежность и точность, миниатюрность и дешевизну исполнения.
Литература
1. Springer Handbook of Nanotechnology — Bharat Bhushan edition. 2007.
2. MEMS Sensors for Biomedical Applications — Yu-Chong Tai. 2001.
3. Шелепин НА Кремниевые микросенсоры! и микросистемы: от было-вой техники до авиационных приборов//Нано- и микросистемная техника Popnano RU/НИОКР/Обзор, 2008.
4. Лагун АМ, Труднсвскпя ЕА, Рыбин ДВ, Машевич П.Р. Интегральные микроэлектромеханические системы ОМЭМС) — новое направлении микро-электроники//Успехи современной радиоэлектроники. — 2008. — № 7.
5. Лопатин В.Б., Лазаренко И.П., Машевич П.Р. Интегральный датчик температуры//Материалы XI Научно-Техническая Конференция "Датчик-99". — Гурзуф, 1999. — С. 84-85.
6. "С-MEMS" — Dr. Ch.Wang, B.YPark, R.B.Zaouk, KMalladi, G.T.Teixidor, FGJormet. University of California Irvine, 2005.
