Post on 04-Feb-2018
Diseño de un acelerómetro basado en tecnología MEMS
Antonio Luque Estepa
Dpto. Ingeniería Electrónica
Práctica de Microsistemas
Contenido
1. Introducción
2. Modelo del acelerómetro
3. Especificaciones
4. Documentación a entregar
5. Datos disponibles
6. Ejemplo de proceso
7. Más información
Introducción
• Diseño de un acelerómetro capacitivo
• Proceso de diseño completo:– Cálculo de dimensiones y parámetros
– Proceso de fabricación
– Dibujo de máscaras
– Presupuesto de fabricación
Funcionamiento general
• La aceleración provoca un movimiento en el sensor
• El movimiento provoca un cambio en la capacidad de dos condensadores
• El circuito hace que cambie la tensión de salida
Contenido
1. Introducción
2. Modelo del acelerómetro
3. Especificaciones
4. Documentación a entregar
5. Datos disponibles
6. Ejemplo de proceso
7. Más información
Modelo del acelerómetro
Modelo matemático
Aceleración del marco de referencia (sistema no inercial) equivale a una fuerza sobre la masa en el marco fijo
donde a es la aceleración que se desea medir
Función de transferencia
Nos interesa el funcionamiento cuasi-estático (s=0)
Función de transferencia
Frecuencia natural
Factor de calidad
Sensores capacitivos
Vamos a medir el desplazamiento mediante un cambio en la capacidad.
Tengamos dos electrodos fijos y uno móvil:
Estructura del acelerómetroCombinación de varios sensores capacitivos.Estructura en “peine”
Deformación de una viga
Con E módulo de Young (propiedad del material), W ancho, H espesor, y L longitud total.
Viga apoyada en los extremos, con fuerza aplicada en el centro
¡OJO! En el acelerómetro hay dos vigas que sostienen a la masa (con efecto sobre la k total)
Contenido
1. Introducción
2. Modelo del acelerómetro
3. Especificaciones
4. Documentación a entregar
5. Datos disponibles
6. Ejemplo de proceso
7. Más información
EspecificacionesSensibilidad
Fondo de escala (rango). Limitado por el margen de movimiento de los electrodos
Ancho de banda
Criterios de diseño
• Optimización– Económica
– En espacio
– De las características
• Cualquier decisión de diseño debe justificarse
• Siempre cumpliendo las especificaciones mínimas
Contenido
1. Introducción
2. Modelo del acelerómetro
3. Especificaciones
4. Documentación a entregar
5. Datos disponibles
6. Ejemplo de proceso
7. Más información
Documentación a entregar• Breve memoria del proceso de diseño
• Proceso de fabricación, con el formato especificado
• Dibujos de las máscaras, con marcas de alineación (marcas de referencia)
• Prespuestos para 1, 1000 y 1000000 uds.
• Hoja de características: dimensiones, sensibilidad, rango, frecuencia de resonancia y ancho de banda.
Datos disponibles
• Lista de materiales que se pueden usar
• Propiedades de los materiales: densidad, módulo de Young, resistividad, tensión de rotura
• Lista de procesos, con costes
• Tasas de grabado
• No todos los datos y procesos son necesarios
Contenido
1. Introducción
2. Modelo del acelerómetro
3. Especificaciones
4. Documentación a entregar
5. Datos disponibles
6. Ejemplo de proceso
7. Más información
Ejemplo de flujo de proceso
•Pasos previos•Deposiciones aislante y capa de sacrificio•Fotolitografía apoyos•Apertura apoyos•Deposición cantilever•Fotolitografía cantilever•Formación cantilever•Liberación de la estructura•Pruebas y medidas
Viga suspendida
Ejemplo de flujo de proceso
1. Pasos previos
• Elección del tipo de sustrato– Parámetros: espesor,
resistencia mecánica, resistividad, diámetro,...
• Limpieza previa del sustratoSilicio <100>, SSP, 380
um, 100mm
2. Deposición SiN
• Espesor necesario
• Método de deposición
• ⇒ Tiempo de deposición
• Deposición siempre sobre todo el sustrato (ambos lados)
200 nm, LPCVD, 20 min
2. Deposición BPSG
• Espesor necesario
• Método de deposición
• ⇒ Tiempo de deposición
2 um, PECVD, 40 min
3. Deposición fotorresina
• Tipo de fotorresina (positiva/negativa)
• Espesor y modelo suelen estar normalizados
S1818, 1.8 um
3. Exposición UV
• Máscara fabricada previamente, acorde al tipo de resina
• El tiempo suele ser estándar
• ¡Atención a la polaridad de la máscara!
18 s, máscara con fondo opaco
3. Revelado
• Proceso totalmente estándar, no hay parámetros que definir
4. Grabado BPSG
• Profundidad deseada
• Selectividad respecto a otros materiales afectados
• Tipo de ataque (iso/aniso, húmedo/seco)
• ⇒Tiempo
BHF (húmedo), 3 min
4. Eliminación fotorresina
• Proceso estándar, sin apenas parámetros que definir
Stripper, 1 min
5. Deposición Al
• Espesor necesario
• Método de deposición
• ⇒ Tiempo de deposición
• Deposición siempre en toda la superficie del sustrato
Evaporador efecto Joule, 0.5 um, 100 min
6. Fotolitografía
• Mismos pasos que en la fotolitografía anterior
• Tipo de fotorresina y polaridad de la máscara
Máscara con fondo transparente
7. Grabado Al
• Profundidad deseada
• Selectividad respecto a otros materiales afectados
• Tipo de ataque (iso/aniso, húmedo/seco)
• ⇒Tiempo
Al etch (húmedo), 45 s
8. Grabado BPSG
• Profundidad deseada
• Selectividad respecto a otros materiales afectados
• Tipo de ataque (iso/aniso, húmedo/seco)
• ⇒Tiempo
• Peligro en el secado
BHF (húmedo), 3 min
9. Pruebas y medidas
• Verificación óptica
• Imágenes SEM
• Medidas de resistividad, espesores, frecuencias,...
• Pruebas de comportamiento
Otros procesos posibles
• Contactos eléctricos desde el cantilever. Se puede hacer cambiando las máscaras
• Acceso eléctrico al sustrato. Hay que añadir pasos al proceso
Resultado final
Contenido
1. Introducción
2. Modelo del acelerómetro
3. Especificaciones
4. Documentación a entregar
5. Datos disponibles
6. Ejemplo de proceso
7. Más información
Acelerómetros existentes
Acelerómetros existentes
Acelerómetros existentes
Acelerómetros existentes
Acelerómetros existentes
Más información
• Plazo de entrega– Lunes 6 de junio de 2005
• Enunciado y presentación en http://www.gte.us.es/ASIGN/SEA
Más información
• Profesor de prácticas: Antonio Luque Estepa aluque@gte.esi.us.es
• Ubicación del despacho: L2-P1-S62
Bibliografía
• Marc J. Madou, Fundamentals of Microfabrication, CRC Press, 1997
• N. Yazdi et al., “Micromachined inertial sensors”, Proc. IEEE, vol. 86, pp. 1640-1659, 1998
• Stephen D. Senturia, Microsystem design, Kluwer Academic, 2001