Introdução aos Microssistemas

Apresentação em tema: "Introdução aos Microssistemas"— Transcrição da apresentação:

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

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

3 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, ...

4 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

5 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

6 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)

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

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

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

10 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)

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

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

13 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)

14 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, ...)

15 CMOS ES2 1.0um AsGa PML HEMT 0.2um

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

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

18 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)

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

20 Surface Micromachining ... Integração de Dispositivos Eletrônicos

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

22 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

23 Dispositivos Térmicos

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

25 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

26 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

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

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