Introduo aos Microssistemas Jacobus W Swart Substituindo o
Introdução aos Microssistemas Jacobus W. Swart Substituindo o Prof. Renato P. Ribas Introdução aos Microssistemas Curso CCS-UNICAMP ©R. P. Ribas
Sumário • Introdução e Conceitos Básicos • Fabricação de Micro-Estruturas • Dispositivos e Aplicações • Ferramentas de Auxílio a Projeto Introdução aos Microssistemas Curso CCS-UNICAMP ©R. P. Ribas
Evolução dos Microssistemas Mercado : • 1996 : 1, 3 bilhões de unidades (US$ 12 bilhões) • 2002 : 5, 4 bilhões de unidades (US$ 34 bilhões) • Sensor de pressão : crescimento de 18% ao ano • Acelerômetro : crescimento de 15% ao ano Áreas de Interesse : • Indústria automobilística • Telecomunicações • Médica e biomédica • Instrumentação, automação, aeronáutica, . . . Introdução aos Microssistemas Curso CCS-UNICAMP ©R. P. Ribas
Motivação • Miniaturização : tamanho e peso • Custo de fabricação : produção em grande escala • Flexibilidade de projeto : soluções personalizadas • Consumo e desempenho : soluções monolíticas • Reprodutibilidade e confiabilidade Introdução aos Microssistemas Curso CCS-UNICAMP ©R. P. Ribas
Estrutura dos Microssistemas Ambiente Exterior Sensores Atuadores Interface Analógica Controle Digital • Componentes discretos • Conversores A/D e D/A • DSP • Dispositivos eletrônicos • Amplificadores • Registro de dados • Estruturas micro-usinadas • Moduladores Sigma-Delta • Interface digital Introdução aos Microssistemas Curso CCS-UNICAMP ©R. P. Ribas
Nomenclatura • Microssistemas (Microsystems) - Europa • Micro-máquinas (Micromachines) - Ásia • MEMS (Micro-Electro-Mechanical Systems) - EUA • MOEMS (Micro-Opto-Electro-Mechanical Systems) • MST (Microsystems Technology) • Sensores Inteligentes (Smart Sensors) • Micromachining =: processo de fabricação (usinagem) • Etching =: corrosão, ataque, gravação (gravura) Introdução aos Microssistemas Curso CCS-UNICAMP ©R. P. Ribas
Corrosão (Etching) substrato Isotrópica Anisotrópica Seletiva Corrosão : úmida (líquida) e seca (plasma) Introdução aos Microssistemas Curso CCS-UNICAMP ©R. P. Ribas
Implementação Híbrida x Monolítica Ambiente Exterior Sensores Atuadores CHIP 1 Interface Analógica Controle Digital CHIP 2 - circuito eletrônico CHIP único Introdução aos Microssistemas Curso CCS-UNICAMP ©R. P. Ribas
Fabricação de Microssistemas Ambiente Exterior Sensores Atuadores Interface Analógica Controle Digital Solução Monolítica • Processos compatíveis com microeletrônica • Processos específicos para micro-usinagem : LIGA, SCREAM Introdução aos Microssistemas Curso CCS-UNICAMP ©R. P. Ribas
Tipos de Usinagem : 1. Back-Side Bulk Micromachining substrato Características : ataque • corrosão vertical e profunda (plasma) • ataque anisotrópico (pouca corrosão lateral) • ataque seletivo em relação à camada inferior suspensa • dificuldade de alinhamento da abertura de gravura (máscara) Introdução aos Microssistemas Curso CCS-UNICAMP ©R. P. Ribas
Back-Side Bulk Micromachining. . . dispositivos suspensos membrana gravura back-side Interesse : • sensor de pressão • isolamento térmico de dispositivos Introdução aos Microssistemas Curso CCS-UNICAMP ©R. P. Ribas
Etching de Si para micro-usinagem (trabalho no CCS) Introdução aos Microssistemas Curso CCS-UNICAMP ©R. P. Ribas
Tipos de Usinagem : 2. Front-Side Bulk Micromachining substrato Características : • corrosão lateral (underetching) úmida • ataque isotrópico ou anisotrópico • ataque seletivo em relação à camadas presentes na superfície • facilidade de alinhamento da abertura de gravura (máscara) Introdução aos Microssistemas Curso CCS-UNICAMP ©R. P. Ribas
Front-Side Bulk Micromachining. . . Uso de Processos Estandares solução de ataque passivação dielétrico pad open area (contato + via +. . . ) transistor substrato Características : • uso de processos industriais para fabricação de CIs • compatibilidade com a eletrônica • adaptação das aplicações às características processo disponível • prototipagem de microssistemas juntamente com CIs (CMP, MOSIS, . . . ) Introdução aos Microssistemas Curso CCS-UNICAMP ©R. P. Ribas
CMOS ES 2 1. 0 um As. Ga PML HEMT 0. 2 um Introdução aos Microssistemas Curso CCS-UNICAMP ©R. P. Ribas
Ataque Anisotrópico CMOS x Ga. As Silicon (CMOS) As. Ga • CMOS KOH TMAH EDP • As. Ga H 2 SO 4 H 3 PO 4 NH 4 OH Ácido Cítrico Soluções de Ataque (úmido) Introdução aos Microssistemas Curso CCS-UNICAMP ©R. P. Ribas
Front-Side Bulk Micromachining. . . Camada Residual pad transistor open area (contato + via +. . . ) substrato Introdução aos Microssistemas Curso CCS-UNICAMP ©R. P. Ribas
Tipos de Usinagem : 3. Surface Micromachining solução de ataque substrato Características : • corrosão lateral com ataque seletivo (uso de camada sacrificial) • estruturas largas e pouco espessas • maior flexibilidade para a construção de estruturas mecânicas • problema de colagem com ataque úmido (capilaridade) Introdução aos Microssistemas Curso CCS-UNICAMP ©R. P. Ribas
Surface Micromachining. . . • Processo MUMP (MCNC) : HF • Processo SUMMi. T (Sandia) : Introdução aos Microssistemas Curso CCS-UNICAMP ©R. P. Ribas
Surface Micromachining. . . Integração de Dispositivos Eletrônicos Introdução aos Microssistemas Curso CCS-UNICAMP ©R. P. Ribas
Formas de Micro-Usinagem. . . Resumo Back-Side Bulk Micromachining Front-Side Bulk Micromachining etching Surface Micromachining etching substrato etching Introdução aos Microssistemas Curso CCS-UNICAMP ©R. P. Ribas
Dispositivos e Aplicações Exploração das estruturas micro-usinadas para sensação de estímulos, acionamento e melhora do desempenho de componentes eletrônicos. • dispositivos térmicos • dispositivos para sistemas ópticos • micro-estruturas mecânicas • componentes para circuitos microondas Introdução aos Microssistemas Curso CCS-UNICAMP ©R. P. Ribas
Dispositivos Térmicos Introdução aos Microssistemas Curso CCS-UNICAMP ©R. P. Ribas
Isolamento Térmico Energia Radiante ‘Heaters’ Tmax Condutividade Térmica Tamb substrato Introdução aos Microssistemas Curso CCS-UNICAMP condução convecção radiação ©R. P. Ribas
Isolamento Térmico. . . Componentes Passivos (Resistor) • TCR = (1/ o)(d /d. T) Bolômetro (CMOS) • Sensor Infra-Vermelho (matriz de pixels) V+ R 1 Poly-Si Vout i R 2 V- Introdução aos Microssistemas Curso CCS-UNICAMP ©R. P. Ribas
Termopares Integrados Efeito Seebeck : Caracteristicas : • não há consumo • fácil leitura (voltímetro) • não há offset no sinal de saída • insensível à variações no processo V 1 = 1. T Termopar : V = ( 1 - 2). T T 1 T Micro-usinagem : T 2 Termopilha : . . . V = n. ( 1 - 2). T Introdução aos Microssistemas Curso CCS-UNICAMP V T 1 ©R. P. Ribas
Aplicação para Termopares ‘Heater’ : • conversor AC-DC • sensor de fluxo de gás • sensor de vácuo radiação heater Radiação : • sensor infra-vermelho CMOS Introdução aos Microssistemas Ga. As Curso CCS-UNICAMP ©R. P. Ribas
Atuador por Dilatação Térmica • Medidor de Corrente Contínua IDC • Medidor de Frequência Analógica IAC Placa dissipadora (Tamb) Introdução aos Microssistemas Curso CCS-UNICAMP ©R. P. Ribas
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