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Ejemplos de dispositivos
Antonio Luque EstepaDpto. Ingeniería Electrónica
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Índice
● Introducción● Conceptos y principio físico● Diseño del dispositivo● Fabricación del dispositivo
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Proceso de creación● Necesidad● Idea● Diseño y modelado del dispositivo● Simulación● Diseño de la fabricación● Fabricación● Pruebas y medidas
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Sensor de presión. Aplicaciones● Automoción: presión de aceite, de aire, de gases
de escape,...● Médicas: respiración artificial, bombas de aire,
diálisis,...● Laboratorio: cromatografía de gases,
acondicionamiento de aire,...● Control de procesos● Robótica● etc.
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Índice
● Introducción● Conceptos y principio físico● Diseño del dispositivo● Fabricación del dispositivo
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Efectos físicos posibles
● Variación de capacidad● Frecuencia de resonancia● Piezoresistencia● Deformación y reflexión luminosa● etc.
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Piezorresistencia
● La resistencia varía con la deformación● Muy alta en el silicio monocristalino● La variación en las bandas de energía debida a la
tensión mecánica aplicada hace que la resistividad del cristal se modifique
● Es una propiedad anisotrópica● Se puede medir con un puente de Wheatstone
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Creación de piezorresistencia
● Crecimiento epitaxial de una fina capa n en un sustrato p
● Difusión de la resistencia tipo p en la capa n
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Puente de Wheatstone
● Se aplica tensión entre a y c y se mide entre b y d
● Tensiones habituales entre 5 y 10 V
● Sensibilidad del montaje del orden de 1 mV/kPa
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Índice
● Introducción● Conceptos y principio físico● Diseño del dispositivo● Fabricación del dispositivo
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Diseño del dispositivo
● 4 piezorresistencias variables sobre una membrana
● La membrana se deforma bajo la acción de la presión
● Las variaciones de resistencia se miden como variaciones de tensión en el puente de Wheatstone
● Se puede añadir una fuente de intensidad
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Diseño básico
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Simulación del comportamientoSoftware de CAD orientado a MEMS
Simulación de esfuerzos y deformaciones
Diferentes efectos físicos acoplados
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Simulación
Comprobación de que la tensión máxima es asumible por el material que formará la membrana (en este caso, silicio)
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Construcción de la membrana
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Índice
● Introducción● Conceptos y principio físico● Diseño del dispositivo● Fabricación del dispositivo
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Sustrato inicial
Oblea de silicio <100>Dopado pDouble Side Polished400 um de espesor
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Sustrato inicial
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Capa n
Crecimiento epitaxial de una capa tipo n entre 8 y 10 um
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Capa n
Crecimiento epitaxial
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Fotolitografía
Deposición de resina fotosensible positiva1.8 um
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Fotolitografía
Deposición de fotorresina
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Fotolitografía
Exposición a UV
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Fotolitografía
Alineador de máscaras e insoladora
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Fotolitografía
Revelado
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Resistencias
Difusión de resistencias tipo p
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Fotolitografía
Eliminación de fotorresina
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Metalizado
Deposición de Al
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MetalizadoDeposición LPCVD de aluminio
Temperatura de 400 a 500 ºC
Tiempo entre 10 y 30 minutos
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Metalizado
Fotolitografía y grabado húmedo del Al
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Creación de la membrana
Fotolitografía en la cara inferior
Aplicación de fotorresina positiva
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Creación de la membrana
Iluminación a través de la máscara
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Creación de la membrana
Revelado
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Creación de la membrana
Ataque húmedo anisotrópico
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Creación de la membrana
Ataque húmedo
Atacante: KOH
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Creación de la membrana
Eliminación de fotorresina
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Cavidad resultante
Imagen de la cavidad creada
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Sustrato de vidrio
Microperforación del orificio de entrada de presión mediante láser
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Pegado al sustrato
Unión anódica con sustrato de vidrio
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Producto final
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Electrónica integrada
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Encapsulado
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Encapsulado
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Capacidad variable
● Introducción● Soluciones existentes● Solución MEMS● Actuador térmico● Proceso de fabricación● Encapsulado flip-chip
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● Objetivo: conseguir un condensador de capacidad variable de alta Q
Capacidad variable
● Muy útil en aplicaciones RF, filtros, sintonizadores, etc.
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Soluciones existentes
● Varactores: diodos polarizados en inversa, la capacidad parásita varía con la tensión inversa
● La capacidad se determina por el dopado en la capa de deplexión
● Valores típicos < 300 pF
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Soluciones existentes
● Un mejor factor de calidad (Q) se consigue mejorando el material dieléctrico del condensador
● Los varactores tienen muy mal Q a altas frecuencias
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La aproximación MEMS
● Control de la separación (gap) entre los electrodos
● Por ejemplo, para un condensador de placas planas:
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Actuación electrostáticaMicrosistema con membrana.
La diferencia de potencial entre la membrana y el sustrato hace que se atraigan
Aislante para evitar el cortocircuito
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Actuación electrostática
Tensión de pull-in: tensión a la cual el actuador colapsa
Hace difícil usar el actuador como condensador variable
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Actuación indirecta
Fuerza no relacionada con la distancia
Linealización del comportamiento electromecánico
¿Cómo conseguir el movimiento?
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Actuador térmico
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Actuador térmico● Cada brazo presenta diferente
resistencia a la corriente● El brazo de arriba se calienta
más que el de abajo● El brazo caliente se dilata más
que el frío● Movimiento del conjunto hacia
abajo
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Actuador térmico● Algunos valores típicos:
– Caliente: 2.5 x 240 um– Frío: 16 x 200 um– Flexor: 2,5 x 40 um– Separación: 2 um– Agujeros de 4 um para prevenir el pegado en el
secado
● Con esto se consigue:– Movimiento de 16 um para actuación de 3V y 3.5 mA
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Layout del sistema
Actuador
Muelle
Placa superior
Electrodo
Electrodo
Anclas del actuador
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Proceso de fabricación
● Deposición de aislante● Deposición de capa de sacrificio● Mecanizado capa de sacrificio● Deposición del electrodo● Mecanizado del electrodo y actuadores● Liberación de la estructura
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Deposición de aislante
Capa de SiN, 0.5 um
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Mecanizado de aislante
Apertura de los contactos eléctricos con el electrodo inferior
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Deposición de capa de sacrificio
BPSG, 0.2 um. Define la separación mínima entre los electrodos del condensador
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Mecanizado de la capa de sacrificio
Apertura de anclas del actuador y contactos eléctricos del electrodo superior
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Deposición del electrodo
Poly, 2.5 um, que sirve de electrodo superior y de actuador térmico
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Mecanizado del poly
Máscara que da forma a los actuadores térmicos y al electrodo superior
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Deposición de aislante
Aislante que evita que el electrodo superior haga contacto con los actuadores
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Mecanizado de aislante
Sólo queda lo necesario para dar consistencia al conjunto
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Liberación del electrodo
El electrodo se puede mover mediante los actuadores térmicos
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Funcionamiento del dispositivo
● Actuación indirecta para conseguir un condensador de separación variable
● Variación de capacidad de 2.6 pF cuando la separación varía entre 0.2 y 2 um
● Factor de calidad muy alto para frecuencias altas (~ 30 Ghz)
● Pero: Si es semiconductor y no se comporta bien como electrodo de un condensador
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Encapsulado flip-chip
● Se le da la vuelta al chip y se pega a otro sustrato● Así podemos conseguir que el otro electrodo no
sea de silicio
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Encapsulado flip-chip
● Incluso se puede eliminar completamente la necesidad del silicio en el producto terminado
Eliminación de la capa de sacrificio después del pegado
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Ejemplo de flip-chip
Estructura liberada después del pegado
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Comportamiento del condensador
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Conclusiones
● Sistema para conseguir una capacidad variable● Diferentes formas de actuación para conseguir el
movimiento● El tipo de pegado y encapsulado afectan al
funcionamiento