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Diseño de un acelerómetro basado en tecnología MEMS
Antonio Luque Estepa
Dpto. Ingeniería Electrónica
Práctica de Microsistemas
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Contenido
1. Introducción
2. Modelo del acelerómetro
3. Especificaciones
4. Documentación a entregar
5. Datos disponibles
6. Ejemplo de proceso
7. Más información
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Introducción
• Diseño de un acelerómetro capacitivo
• Proceso de diseño completo:– Cálculo de dimensiones y parámetros
– Proceso de fabricación
– Dibujo de máscaras
– Presupuesto de fabricación
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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
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Contenido
1. Introducción
2. Modelo del acelerómetro
3. Especificaciones
4. Documentación a entregar
5. Datos disponibles
6. Ejemplo de proceso
7. Más información
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Modelo del acelerómetro
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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
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Función de transferencia
Nos interesa el funcionamiento cuasi-estático (s=0)
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Función de transferencia
Frecuencia natural
Factor de calidad
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Sensores capacitivos
Vamos a medir el desplazamiento mediante un cambio en la capacidad.
Tengamos dos electrodos fijos y uno móvil:
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Estructura del acelerómetroCombinación de varios sensores capacitivos.Estructura en “peine”
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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)
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Contenido
1. Introducción
2. Modelo del acelerómetro
3. Especificaciones
4. Documentación a entregar
5. Datos disponibles
6. Ejemplo de proceso
7. Más información
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EspecificacionesSensibilidad
Fondo de escala (rango). Limitado por el margen de movimiento de los electrodos
Ancho de banda
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Criterios de diseño
• Optimización– Económica
– En espacio
– De las características
• Cualquier decisión de diseño debe justificarse
• Siempre cumpliendo las especificaciones mínimas
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Contenido
1. Introducción
2. Modelo del acelerómetro
3. Especificaciones
4. Documentación a entregar
5. Datos disponibles
6. Ejemplo de proceso
7. Más información
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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.
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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
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Contenido
1. Introducción
2. Modelo del acelerómetro
3. Especificaciones
4. Documentación a entregar
5. Datos disponibles
6. Ejemplo de proceso
7. Más información
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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
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Ejemplo de flujo de proceso
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1. Pasos previos
• Elección del tipo de sustrato– Parámetros: espesor,
resistencia mecánica, resistividad, diámetro,...
• Limpieza previa del sustratoSilicio <100>, SSP, 380
um, 100mm
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2. Deposición SiN
• Espesor necesario
• Método de deposición
• ⇒ Tiempo de deposición
• Deposición siempre sobre todo el sustrato (ambos lados)
200 nm, LPCVD, 20 min
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2. Deposición BPSG
• Espesor necesario
• Método de deposición
• ⇒ Tiempo de deposición
2 um, PECVD, 40 min
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3. Deposición fotorresina
• Tipo de fotorresina (positiva/negativa)
• Espesor y modelo suelen estar normalizados
S1818, 1.8 um
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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
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3. Revelado
• Proceso totalmente estándar, no hay parámetros que definir
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4. Grabado BPSG
• Profundidad deseada
• Selectividad respecto a otros materiales afectados
• Tipo de ataque (iso/aniso, húmedo/seco)
• ⇒Tiempo
BHF (húmedo), 3 min
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4. Eliminación fotorresina
• Proceso estándar, sin apenas parámetros que definir
Stripper, 1 min
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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
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6. Fotolitografía
• Mismos pasos que en la fotolitografía anterior
• Tipo de fotorresina y polaridad de la máscara
Máscara con fondo transparente
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7. Grabado Al
• Profundidad deseada
• Selectividad respecto a otros materiales afectados
• Tipo de ataque (iso/aniso, húmedo/seco)
• ⇒Tiempo
Al etch (húmedo), 45 s
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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
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9. Pruebas y medidas
• Verificación óptica
• Imágenes SEM
• Medidas de resistividad, espesores, frecuencias,...
• Pruebas de comportamiento
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Otros procesos posibles
• Contactos eléctricos desde el cantilever. Se puede hacer cambiando las máscaras
• Acceso eléctrico al sustrato. Hay que añadir pasos al proceso
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Resultado final
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Contenido
1. Introducción
2. Modelo del acelerómetro
3. Especificaciones
4. Documentación a entregar
5. Datos disponibles
6. Ejemplo de proceso
7. Más información
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Acelerómetros existentes
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Acelerómetros existentes
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Acelerómetros existentes
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Acelerómetros existentes
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Acelerómetros existentes
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Más información
• Plazo de entrega– Lunes 6 de junio de 2005
• Enunciado y presentación en http://www.gte.us.es/ASIGN/SEA
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Más información
• Profesor de prácticas: Antonio Luque Estepa [email protected]
• Ubicación del despacho: L2-P1-S62
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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