Развитие СБИС радиочастотной идентификации и нанотехнологии

Развитие СБИС радиочастотной идентификации и нанотехнологии

Зелевич Е.П.,

МТУСИ

Лагун А.М., Машевич П.Р., Рыбин Д.В., Трудновская Е.А,

ОАО "Ангстрем"

Технология радиочастотной идентификации предусматривает придание каждому маркируемому объекту радиочастотного идентификатора (РЧИД), в котором хранится индивидуальная информация об объекте. РЧИД представляет собой кристалл СБИС и антенну, объединенные общей конструкцией, соответствующей специфике маркируемого объекта. На рис. 1 представлены варианты исполнения РЧИД.

В последнее десятилетие в мире электроники произошли существенные изменения. Наряду с традиционными СБИС, осуществляющими преобразование электрических сигналов, появились различные классы сначала гибридных, а затем и интегральных

схем, объединяющих в себе преобразование электромагнитных, температурных, оптических, химических, механических и др. воздействий в электрические сигналы. Появились также новые технологии, в частности нанотехнологии и технологии наноэлет-ромеханики и микроэлетромеханики, позволяющие получать наряду с вышеперечисленными преобразователями и уникальные по своим свойствам источники питания. Причем, все элементы — приемники и передатчики электромагнитных, оптических, механических и др. воздействий, а также источники электропитания могут создаваться в едином технологическом цикле с типовыми узлами обработки и преобразования элект-

Рис.1. Радиочастотные идентификаторы

Рис. 2. Структурная схема СБИС РЧИД с наносенсорами и наноэлектромеханическими элементами

рических сигналов на полупроводниковых пластинах.

Рассмотрим требования к РЧИД для различных условий их применения и возможности их реализации в виде узлов единой СБИС. Структурная схема такой СБИС РЧИД представлена на рис. 2.

Так как стоимость антенны РЧИД обычно сравнима со стоимостью кристалла СБИС, наиболее заманчивым является изготовление антенны, представляющей собой катушку индуктивности и конденсатор резонансного контура, непосредственно на кристалле. На рис. 3 приведены типовые технологические платформы (диапазоны частот), на которых работают РЧИД.

Используя БиКМОП технологию уровня 180 нм, 250 нм, совмещенную с технологией поверхностной наномеханики можно получить РЧИД-кристалл с индуктивностями и конденсаторами практически для всех диапазонов частот [1], причем с повышением частоты уменьшаются габариты таких элементов, и цена кристалла СБИС РЧИД также сокращается. На рис. 4 представлен вариант исполнения индуктивности на кристалле.

Рассмотрим варианты применения РЧИД со встроенным источником питания и наносенсорами.

Таймер. Часто для обеспечения функционирования РЧИД требуется счет времени, начиная с некоторого момента начального отсчета. Примером такого функционирования может быть РЧИД для продукции с ограниченным сроком хранения. Для обеспечения этого необходимо включить в СБИС РЧИД таймер и источник питания, чтобы таймер мог работать непрерывно, а не только в то время, когда РЧИД находится в поле считывателя. Создание таймера со сверхмалым потреблением энергии является достаточно часто встречающейся типовой инженерной задачей. Требуемая для конкретного применения РЧИД точность временного отсчета может достигаться без использования кварцевых резонаторов за счет тарирования таймера — занесения на начальном этапе в память РЧИД некоторой константы, соответствующей эталонному временному интервалу.

Нанодатчик температуры. В дополнение к таймеру в РЧИД часто необходим датчик

температуры. Примерами такого применения могут быть замороженные товары, в которых необходимо контролировать, осуществлялась ли в процессе хранения размораживание товара. Нанодатчик температуры необходим также в случаях транспортировки фруктов, цветов и других товаров. РЧИД должен фиксировать моменты снижения температуры ниже допустимого значения. Нанодатчик температуры может быть выполнен в виде терморезистора, термодиода, ИК-приемника в виде болометра, или же в виде конденсатора, время стекания заряда с которого обратно пропорционально температуре [2] и др.

Нанодатчик давления. Нанодатчик давления в РЧИД может быть необходим для контроля целостности вакуумной упаковки товара и в ряде других случаев. Нанодатчик давления в типовом исполнении представляет собой мембрану с мостовой резистивной схемой и может быть реализован с применением технологии поверхностной или объемной наномеханики.

Рис. 4. Вариант исполнения индуктивности Рис. 3. Технологические платформы развития РЧИД на кристалле

Рис. 5. Фрагмент структуры акселерометра (одного из сенсорных блоков РЧИД), изготовленная по (МЭМС-технологии ОАО "АНГСТРЕМ". Структура висит на упругом подвесе над подложкой. Акселерометр отрабатывает перемещения подвижной структуры в несколько нанометров.

1 — перфорированная подвижная масса; 2 — гребенчатый драйвер; 3 — анкерный контакт; 4 — коммутационная поликремниевая шина; 5 — пружина упругого подвеса

Датчик освещенности (фотоприемник).

Датчик освещенности может быть необходим при маркировке РЧИД различных светочувствительных товаров, например, фотопленок, фоторезистов и ряда других. Типовым фотоприемником является фотодиод, который может быть получен в виде р-п перехода либо в виде диода Шоттки, например, с применением силицида платины.

Нанодатчик ускорения (удара). Существуют довольно серьезные финансовые и юридические проблемы между производителем, поставщиком и потребителем при доставке товара, в частности, это может быть дорогостоящее, например, оптическое оборудование, в котором обнаружены неисправности после вскрытия. Для разрешения этих проблем возникает потребность контроля соблюдения всех правил погрузки, разгрузки и транспортировки груза. Решением проблемы является применение меток РЧИД, включающих автономное питание и сенсоры, позволяющие фиксировать во внутренней памяти СБИС РЧИД отклонения от допустимых условий хранения и транспортировки товара. В качестве сенсоров могут

*НЭМС — НаноЭлектроМеханическая Система

** МЭМС — МикроЭлектроМеханическая Система

использоваться встроенные в СБИС РЧИД нанодатчики ускорения (удара). Для изготовления такой СБИС РЧИД в качестве базовой используется технология на основе поверхностной нанообработки и микрообработки структурного поликремния и окисного жертвенного слоя. Технология поверхностной нанообработки и микрообработки достаточно хорошо встраивается в БиКМОП процесс по схеме интеграции "НЭМС* внутри БиКМОП", а также "МЭМС** внутри БиКМОП". Они являются базовыми при производстве наиболее массовых однокристальных интегральных наносенсоров — акселерометров, гироскопов и датчиков давления. Интегрированную технологию обычно называют 1НЭМС ОМЭМС) процессом [3]. Разработанный 1НЭМС процесс выполняется на КДБ-под-ложках, без эпитаксии и скрытых слоев. На рис. 5 показан фрагмент структуры акселерометра изготовленного по 1МЭМС-техно-логии.

В БиКМОП электронной опции 1НЭМС процесса формируются ЫРЫ-транзисторы, подложечные и латеральные РЫР-транзис-торы, цифровые и аналоговые КМОП-тран-

зисторы, поликремниевые емкости и тонкопленочные резисторы для прецизионной лазерной подгонки.

Операция прецизионной лазерной подгонки параметров БИС на пластине позволяет настраивать характеристики интегральных сенсоров с требуемой точностью. Подобным способом можно обеспечить и точность таймеров СБИС РЧИД.

Заключение

Интеграция технологий поверхностной наномеханики и наноэлектроники открывает широкие возможности для создания СБИС РЧИД с новыми возможностями для потребителя. Это встраиваемые функции фиксации времени, температуры, освещенности, давления, газовой среды и др.

Большой интерес представляют наносистемы и микросистемы РЧИД с интегральными акселерометрами, позволяющими при транспортировке ценных грузов регистрировать критичные удары, недопустимые наклоны или вибрации. Изготавливаемые по 1НЭМС и 1МЭМС технологиям, они работают при напряжениях 3..5 В, потребляя при этом всего несколько милливатт мощности в рабочем режиме. В частности, экспериментальные образцы акселерометров, изготовленных ОАО "Ангстрем", при номинальном напряжении питания 5В потребляют 700 мкА. Опция прецизионной лазерной подгонки на пластинах нНЭМС БИС позволяет обеспечить необходимую точность интегральных наносенсоров.

Литература

1. В.Варадан, К.Виной, КДжозе. ВЧ МЭМС и их применение. — 2004. — 528 с.

2. В.Б.Лопатин, И.П-Лазаренко, П.Р.Маше-вич. Интегральный датчик температуры/ XI научно-техническая конференция "Датчик-99". Материалы конференции. — Гурзуф, май 1999. —

C. 84-85.

3. H. Baltes, O. Brand, A. Hierlemann,

D. Lange, C. HagleHner. CMOS MEMS — Presence and future. In: Proc. IEEE Micro Electro Mechanical Systems 2002 (MEMS 2002). — 2002. — pp. 459466.