Introdução aos Microssistemas Jacobus W. Swart Substituindo o Prof. Renato P. Ribas

Sumário Introdução e Conceitos Básicos Fabricação de Micro-Estruturas Dispositivos e Aplicações Ferramentas de Auxílio a Projeto

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, ...

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

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

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)

Corrosão (Etching) Isotrópica Anisotrópica Seletiva substrato Isotrópica Anisotrópica Seletiva Corrosão : úmida (líquida) e seca (plasma)

CHIP 2 - circuito eletrônico Implementação Híbrida x Monolítica Ambiente Exterior Sensores Atuadores Interface Analógica Controle Digital CHIP 1 CHIP 2 - circuito eletrônico CHIP único

Fabricação de Microssistemas Ambiente Exterior Sensores Atuadores Interface Analógica Controle Digital Processos compatíveis com microeletrônica Processos específicos para micro-usinagem : LIGA, SCREAM Solução Monolítica

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)

dispositivos suspensos Back-Side Bulk Micromachining ... dispositivos suspensos membrana gravura back-side Interesse : sensor de pressão isolamento térmico de dispositivos

Etching de Si para micro-usinagem (trabalho no CCS)

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)

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, ...)

CMOS ES2 1.0um AsGa PML HEMT 0.2um

Ataque Anisotrópico CMOS x GaAs Silicon (CMOS) AsGa Soluções de Ataque (úmido) CMOS AsGa KOH TMAH EDP H2SO4 H3PO4 NH4OH Ácido Cítrico

Camada Residual Front-Side Bulk Micromachining ... open area pad transistor open area (contato + via +...) substrato

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)

Surface Micromachining ... Processo MUMP (MCNC) : HF Processo SUMMiT (Sandia) :

Surface Micromachining ... Integração de Dispositivos Eletrônicos

Resumo Formas de Micro-Usinagem ... Back-Side Bulk Micromachining Front-Side Bulk Micromachining Surface Micromachining etching etching etching substrato etching

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

Dispositivos Térmicos

Isolamento Térmico Tmax Tamb Energia Radiante ‘Heaters’ condução convecção radiação Condutividade Térmica substrato

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

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

Aplicação para Termopares ‘Heater’ : conversor AC-DC sensor de fluxo de gás sensor de vácuo Radiação : sensor infra-vermelho heater radiação CMOS GaAs

Atuador por Dilatação Térmica IDC Placa dissipadora (Tamb) Medidor de Corrente Contínua IAC Medidor de Frequência Analógica