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Introdução aos Microssistemas
Jacobus W. Swart Substituindo o Prof. Renato P. Ribas
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Sumário Introdução e Conceitos Básicos Fabricação de Micro-Estruturas
Dispositivos e Aplicações Ferramentas de Auxílio a Projeto
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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, ...
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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
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Estrutura dos Microssistemas
Interface Analógica Controle Digital Ambiente Exterior Sensores Atuadores DSP Registro de dados Interface digital Componentes discretos Dispositivos eletrônicos Estruturas micro-usinadas Conversores A/D e D/A Amplificadores Moduladores Sigma-Delta
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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)
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Corrosão (Etching) Isotrópica Anisotrópica Seletiva
substrato Isotrópica Anisotrópica Seletiva Corrosão : úmida (líquida) e seca (plasma)
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CHIP 2 - circuito eletrônico
Implementação Híbrida x Monolítica Ambiente Exterior Sensores Atuadores Interface Analógica Controle Digital CHIP 1 CHIP 2 - circuito eletrônico CHIP único
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Fabricação de Microssistemas
Ambiente Exterior Sensores Atuadores Interface Analógica Controle Digital Processos compatíveis com microeletrônica Processos específicos para micro-usinagem : LIGA, SCREAM Solução Monolítica
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1. Back-Side Bulk Micromachining
Tipos de Usinagem : 1. Back-Side Bulk Micromachining ataque substrato Características : 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)
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dispositivos suspensos
Back-Side Bulk Micromachining ... dispositivos suspensos membrana gravura back-side Interesse : sensor de pressão isolamento térmico de dispositivos
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Etching de Si para micro-usinagem
(trabalho no CCS)
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2. Front-Side Bulk Micromachining
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)
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Uso de Processos Estandares
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, ...)
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CMOS ES2 1.0um AsGa PML HEMT 0.2um
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Ataque Anisotrópico CMOS x GaAs
Silicon (CMOS) AsGa Soluções de Ataque (úmido) CMOS AsGa KOH TMAH EDP H2SO4 H3PO4 NH4OH Ácido Cítrico
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Camada Residual Front-Side Bulk Micromachining ... open area
pad transistor open area (contato + via +...) substrato
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3. Surface Micromachining
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)
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Surface Micromachining ...
Processo MUMP (MCNC) : HF Processo SUMMiT (Sandia) :
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Surface Micromachining ... Integração de Dispositivos Eletrônicos
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Resumo Formas de Micro-Usinagem ... Back-Side Bulk Micromachining
Front-Side Bulk Micromachining Surface Micromachining etching etching etching substrato etching
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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
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Dispositivos Térmicos
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Isolamento Térmico Tmax Tamb Energia Radiante ‘Heaters’ condução
convecção radiação Condutividade Térmica substrato
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Sensor Infra-Vermelho
Isolamento Térmico... Componentes Passivos (Resistor) TCR = (1/o)(d/dT) Bolômetro (CMOS) Sensor Infra-Vermelho (matriz de pixels) Poly-Si V+ V- Vout R1 R2 i
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Termopares Integrados
Efeito Seebeck : Caracteristicas : não há consumo fácil leitura (voltímetro) não há offset no sinal de saída insensível à variações no processo V1 = 1 . T V = (1 - 2) . T Termopar : Micro-usinagem : T1 T2 V T1 T T2 Termopilha : . V = n . (1 - 2) . T
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Aplicação para Termopares
‘Heater’ : conversor AC-DC sensor de fluxo de gás sensor de vácuo Radiação : sensor infra-vermelho heater radiação CMOS GaAs
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Atuador por Dilatação Térmica
IDC Placa dissipadora (Tamb) Medidor de Corrente Contínua IAC Medidor de Frequência Analógica
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