Микроэлектронная техника и ее применение в биотелеметрии (Вен Ко)

В настоящее время микроэлектроника развивается с невероятной скоростью. Даже для специалиста по электронике, окончившего университет лет пять назад, современный уровень микроэлектроники кажется поразительным - не говоря уже о тех немыслимых фантазиях, которыми увлекаются сейчас многие исследователи. Однако с каждым месяцем эти фантазии претворяются в действительность, так что прогресс в этой области идет с нарастающей скоростью.

В развитии микроэлектроники можно выделить четыре стадии: обычные схемы, схемы с высокой плотностью компоновки, тонкопленочные схемы и интегральные схемы. Прежде чем детально обсуждать эти методы, позвольте мне провести аналогию между развитием микроэлектроники и способами хранения и записи информации, используемыми человеком. Эта аналогия позволит оценить размах и положение дел в микроэлектронике. Следует отметить, что способы хранения информации развивались в течение 10 тысяч лет, тогда как микроэлектроника начала развиваться лишь в последние годы. Такой быстрый прогресс в этой области вызывается и поддерживается быстрым ростом в других областях науки и техники.

Один из самых ранних способов регистрации исторических событий и хранения информации состоял в том, что на веревке завязывались узлы - большие при важных событиях и маленькие при незначительных. В развитии микроэлектроники этот период соответствует открытию электронных ламп и началу развития электроники. Прошло очень много времени, пока люди не придумали символы и буквы и на камнях, дереве или костях животных начали вырезать письмена. Эта стадия соответствует сегодняшним обычным электронным схемам, где элементы соединены проводами или с помощью печатного монтажа, используемого в телевизорах, радиоприемниках и другом оборудовании. Плотность компоновки в таких схемах очень невелика (меньше 1 компонента на 1 см³).

В результате развития культуры у общества возникла потребность в лучшем методе записи и длительного хранения информации. Символы и буквы были упрощены; в Европе камни и кости заменялись овечьей шкурой, а в Азии нарезали бамбуковые палочки одного размера и связывали их в пучки. На кожах и палочках можно было вырезать целые тексты. Этот шаг вперед соответствует достижениям методов высокой плотности компоновки (она равна примерно 10 компонентам на 1 см³).

Изобретение книгопечатания и производства бумаги открыло новую эру техники записи информации. В обращение вошли книги из тонкой бумаги, где текст печатался на одной или двух сторонах. В микроэлектронике аналогией этому великому достижению служит разработка тонкопленочных схем, в которых плотность компоновки достигает 1000 компонент на 1 см³.

Дальнейшее развитие техники хранения и регистрации информации связано с усовершенствованием фотографии. Пользуясь пленкой, сейчас можно сфотографировать целую страницу книги и уменьшить ее до размеров марки. Следовательно, появление микропленки представляет собой следующий шаг на пути к уменьшению размеров длительно хранящейся записи. В микроэлектронике аналогией этой ступени служит разработка интегральных схем, или функциональных блоков, где плотность компоновки может достигать нескольких сот тысяч компонентов в 1 см³. Это в несколько миллионов раз больше, чем в обычных схемах.

Компоновка в обычных электронных схемах

Прежде чем рассматривать существующие методы уменьшения размеров схемы, посмотрим, за счет чего можно сэкономить пространство в обычных схемах. Ответив на этот вопрос, мы поймем, почему число методов, разрабатываемых с целью обеспечения высокой плотности компоновки схемы, столь велико. В обычных схемах каждый элемент схемы монтируется отдельно таким образом, чтобы защитить рабочие части и облегчить к ним доступ. Действительный объем элемента, вообще говоря, намного меньше размера его корпуса. Так, например, объем некоторых транзисторов в 1000 раз меньше объема корпуса. Очевидно, что уменьшение размеров схемы можно осуществить двумя путями: монтируя элементы схемы в меньшие корпуса и монтируя сразу несколько элементов в один корпус. Рассматривая обычную электронную схему или заглянув в корпус радиоприемника или телевизора, мы обнаруживаем, что разные элементы схемы имеют разную форму и размер. Какое-то пространство между ними пропадает. Кроме того, много неиспользуемого пространства проектируется дополнительно для удобства ремонта и управления. Отсюда следует, что если бы всем компонентам схемы можно было придать одну и ту же форму, то их можно было бы паковать гораздо плотнее, причем соединения между ними можно было бы спроектировать таким образом, чтобы свести к минимуму неиспользуемое пространство.

Современные методы микроэлектроники

Существующие в настоящее время методы микроминиатюризации можно подразделить на три категории: 1) схемы с высокой плотностью компоновки, 2) тонкопленочные схемы и 3) интегральные схемы.

Эти схемы возникли в результате модификации обычных методов монтажа, предпринятой с целью ликвидировать неиспользуемое пространство между элементами. Существуют следующие типы таких схем:

1. Схемы на микрокомпонентах. К ним относятся микротранзисторы, диоды, туннельные диоды и миниатюрные лампы, сопротивления, емкости и индуктивности. Эти элементы доступны, и их применение уменьшает объем каждого компонента.

2. Схемы на блоках, составленных из многих компонентов. Примерами таких схем являются микрологические элементы фирмы "Ферчилд" и интегральные логические схемы фирмы "Филко". В этих схемах в один корпус транзистора вмонтировано несколько компонентов.

3. Схемы из компонентов таблеточной формы. Все компоненты, активные или пассивные, конструируются таким образом, что имеют форму таблетки и могут более плотно упаковываться на перфорированной панели. Примерами таких схем служат микроэлектронные схемы фирмы Хьюза и Мэллори.

4. Схемы с предельно плотным монтажом и сварными соединениями. Все компоненты имеют осевые выводы. Они укладываются многослойными рядами друг на друга и выводы свариваются.

5. Схемы на объемных модулях с высокой плотностью компоновки. Примерами элементов, используемых в этих схемах, служат макромодули, выпускаемые различными фирмами.

6. Печатные схемы с тонкими проводами. Существующие печатные схемы можно улучшить, используя провода диаметром 0,025 мм. В таких схемах используется подложка толщиной 0,8 мм.

7. Схемы на микромодулях с пластинчатыми деталями. Компоненты схемы представляют собой тонкие керамические пластинки ("вафли"), которые собираются с помощью проводов или лент.

Методы плотной компоновки позволяют довести плотность компонентов до 10-100 компонентов в 1 см³. Однако использование их все еще предусматривает сборку схем из отдельных компонентов. Размер ограничивается трудностью такого монтажа и малой его надежностью.

Развитие микромодульной техники приводит к схемам, где все компоненты располагаются слоями на общей подложке. Этот метод напоминает получение цветных картинок посредством последовательного наложения на бумагу трех или четырех слоев краски "чистых" цветов.

В такой схеме проводящие и изолирующие материалы последовательно кладутся на подложку согласно определенному сложному узору, так что они образуют соединения, сопротивления, емкости и индуктивности. Затем к ним присоединяются активные элементы, транзисторы и диоды. Весь процесс показан на фиг. 1, Существует много разнообразных методов получения тонких пленок. К ним относятся: реактивное напыление (осаждение), вакуумное испарение, распыление, фотолитография, травление и любая комбинация этих методов. Шире всего распространены вакуумное испарение и осаждение. В качестве подложки используется стекло, керамика, эпоксидные смолы и другие пластики.

Фиг. 1. Использование тонких пленок в схемах. Активные элементы серийного производства монтируются на тонкопленочной схеме, после чего вся ячейка герметизируется стеклом

Плотность компоновки в тонкопленочных схемах достигает 10000 компонентов в 1 см³. Однако прежде чем использовать эти методы для выпуска серийной продукции, следует решить ряд технических проблем, в частности разработать методы, позволяющие точно регулировать скорость осаждения и измерять толщину пленки, а также обеспечить однородность пленок; кроме того, промышленность пока не выпускает тонкопленочных активных элементов (за исключением тонкопленочного транзистора, обсуждаемого ниже, см. далее).

Рассматривая тонкопленочные схемы с точки зрения их усовершенствования, мы приходим к выводу, что подложка, используемая для поддержки пленок, сама по себе является бесполезным элементом схемы и к тому же занимает большую часть пространства схемы. Если бы ее можно было каким-то образом ликвидировать, объем схемы значительно сократился бы. Полупроводниковые кристаллические пластинки ("вафли") имеют хорошие механические свойства. На этих пластинках можно сделать не только транзисторы и диоды, но и сопротивления, емкости и даже индуктивности. Поэтому естественно, что инженеры начали располагать все элементы схемы очень близко друг к другу на одной и той же полупроводниковой кристаллической подложке. Таким образом возникли "интегральные схемы".

Когда полупроводниковое сопротивление и емкость располагаются очень близко друг к другу на одной и той же кристаллической подложке, получившаяся схема никак не укладывается в концепцию обычных схем из отдельных кусочных компонентов. Элементы расположены столь близко один к другому, что являются уже не чистыми RCL-элементами, независящими друг от друга, а представляют собой распределенные элементы. В них трудно сказать, какая именно часть играет роль емкости, какая - сопротивления и т. д. Терминология, принятая в обычных схемах, вообще не позволяет определить точную функцию каждой части пластины; поэтому такие схемы называются твердыми функциональными блоками. Из-за очень плотного монтажа эти схемы иногда называют молекулярными. Плотность компоновки достигает в них нескольких миллионов компонентов в 1 см³, что приближается к плотности компоновки человеческого мозга.

Для получения многослойного кристалла и интегральных схем применяют методы диффузии, эпитаксиального выращивания, обработки электронным или ионным лучом и сплавления.

Пути развития микроэлектроники

Развитие тонкопленочных и интегральных схем еще только начинается. Для того чтобы эти методы нашли широкое применение в электронике, следует решить ряд фундаментальных проблем. Можно полагать, что, кроме развития методов, упомянутых выше, для инженеров и ученых важнейшее значение имеет ряд других методов.

1. Для дальнейшего уменьшения размеров электронных схем или систем необходимы новые изобретения, основанные на различных физических принципах. Наиболее многообещающими кажутся тонкопленочные транзисторы, туннельные диоды, вакуумные тетроды с туннельным эффектом, полупроводниковые триоды, свойства которых основаны на свойствах твердого тела, и сверхпроводящие устройства.

2. Хотелось бы найти методы, которые позволили бы получать компоненты, выполняющие одновременно несколько функций. Например, некоторые схемы на туннельных диодах могут осуществлять как обычные модуляционные колебания, так и функции усиления одновременно. Это значительно упростило бы схему и привело бы к дальнейшему сокращению общих размеров.

3. Методы электронно-лучевой обработки и методы формирования переходов позволят изменять свойства материалов или обрабатывать чрезвычайно малую площадь на кристаллической подложке.

Микроминиатюризация биологических и медицинских телеметрических приборов

Обсуждавшиеся выше методы могут быть использованы при разработке любых электронных схем и систем, предназначенных для исследований в области биологии и медицины. В телеметрии применение существующих методов получения высокой плотности компоновки или тонкопленочных схем позволит получить схемы, даже меньшие по размерам, чем требующиеся. Например, передатчик на туннельных диодах и печатных схемах с тонкими проводами, показанный на фиг. 2, имеет размер около 0,5 см³ и весит 1,5 г. Применяя тонкие пленки, можно уменьшить размеры и вес передатчика соответственно до 0,08 см³ и 0,3 г.

Фиг. 2. Передатчик на туннельных диодах с частотной модуляцией

Однако существующие в настоящее время методы не позволяют пропорционально уменьшить размеры источника питания. В ряде лабораторий ведутся исследования по разработке методов превращения энергии внешней среды в электрическую энергию. Источниками энергии могут служить радиоволны, свет, тепло, звук, механическое движение, а также химическая энергия, освобождающаяся в организме подопытного животного. Кроме того, учитывая специфику различных биотелеметрических задач, для минимизации веса схемы и микроминиатюризации элементов можно использовать ряд необычных подходов. Например, простой генератор на транзисторах чувствителен к температуре, так что компенсация дрейфа температуры требует массу конструкторских ухищрений. Но если нелинейное соотношение между температурой и частотой допустимо, то обычный передатчик можно использовать для передачи колебаний температуры. При прослеживании движущегося объекта для уменьшения размеров батареи и упрощения схемы можно использовать передатчик, работающий на постоянной частоте в режиме с прерыванием. Вообще говоря, при микроминиатюризации биотелеметрических схем необходимо хорошо понимать изучаемую систему и иметь полную информацию о ней.

Литература

1. Wallmark J. Т., Design considerations for Integrated Electronic Devices, P. I. R. E., 48, pp. 293-300, March (1960).

2. Perugini M., Lindgren N., Microminiaturization, Electronics, 33, pp. 78-107, Nov., 25 (1960).

3. Norman R., Status Report on Micro-Logic Elements, Fairchild Technical Article and Papers. No. TP-10, 1960.

4. Stuhlbarg S., Now Industry Sees Microminiaturization, Control Engineering, pp. 115-120, April, 1961.

5. Herwald S., Angello S., Integration of Curcuit Function Into Solids, Science, 132, pp. 1127-1133, Oct. 21, 1960.

6. Microelectronics. Electronic Equipment Engineering Staff Survey, pp. 50-52, June (1961).

7. Microelectronics in Review. Electronic Design, pp. 50-72, Feb. (1962).

8. Vallmark J. T., Minimum Size and Macsimem Packing Density of Nonredundant Semicondactor Devices, P. I. R. E., 50, pp. 2869, March (1962).

9. Gilbert H. D., Miniaturization., Reinhold Corp., 1961.

10. Horsey E. F., Microminiaturization., Hayden Co., 1959.

11. Shoulders K. R., Research in Microelectronics Using Electron-Beam-Activated Machining Techniques, Stanford Research, Institute Project 2863, Office of Technical Service, Publication Number PB-171027.