TPSEM - CURS 8*MICROSISTEME ELECTROMECANICESunt sisteme integrate de dimensiuni mici si foarte mici (de la cativa micrometri pana la milimetri) care combina in structura lor elemente electrice si mecanice.

TPSEM - CURS 8

TPSEM - CURS 8*MICROSISTEME ELECTROMECANICEAcronim:MEMS in SUAMST (Microsystems technology) in EuropaMicromachines in Japonia

Sunt fabricate utilizand tehnica de realizare a circuitelor integrate combinata cu microprelucari ale suportului respectiv materialelor utilizate.

In timp ce circuitele integrate sunt proiectate exploatand proprietatile electrice ale siliconului, MEMS utilizeaza atat proprietatile electrice si mecanice ale acestuia.

Intr-o forma generala, MEMS constau in microstructuri mecanice, microsenzori, microactuatoare si microelectronica, toate integrate pe acelasi chip.

MEMS se constituie ca un mod de proiectare si creare a unor dispozitive mecanice si sisteme complexe integrand electronica aferenta la nivel micro si nano.

TPSEM - CURS 8

TPSEM - CURS 8*MICROSISTEME ELECTROMECANICEMICROSISTEME ELECTROMECANICETRADUCTOARE dispozitiv care face transformarea unui semnal in energie de miscare, fie inversSENZOR dispozitiv care masoara informatia din mediu si produce la iesire un semnal proportional cu marimea masurata (mecanice, termice, chimice, radiative, magnetice, electrice)ACTUATOR dispozitiv care realizeaza conversia unui semnal electric in actiune

TPSEM - CURS 8

TPSEM - CURS 8*MICROSISTEME ELECTROMECANICE

ELECTRONICAMEDICINACOMUNICATIICap de citire driverSenzori de masurare a tensiunii arterialeComponente ale retelei de fibre opticeCap imprimanta cu jet de cernealaSisteme de stimulare a muschilorRelee, comutatoare si filtreProiectoare de televiziuneSenzori de tensiune arteriala implantatiDisplay-uri ale portabilelorSenzori pentru cutremureMicroinstrumenteOscilatoare controlate in tensiuneSenzori de presiuneProtezeSisteme de stocare de dateStimulatoare cardiaceLaser

TPSEM - CURS 8

TPSEM - CURS 8*MICROSISTEME ELECTROMECANICE

APARARETRANSPORTGhidarea munitieiSenzori de navigatieSupraveghereSenzori pentru aer conditionatSisteme de armareAccelerometre pentru controlul fortei de franare si al suspensieiSenzori Senzori de presiune (vapori si combustibil)Stocare de dateSenzori pentru airbag-uriControl de trafic aerianAnvelope inteligente

TPSEM - CURS 8

TPSEM - CURS 8*MICROSISTEME ELECTROMECANICESISTEM DE DESCHIDERE A AIRBAG-ULUI LA AUTOVEHICULEStructuraSenzor inteligent care masoara deceleratiile rapide la coliziunea vehicului cu un obiectAccelerometru de tip capacitiv sau piezoeletricO unitate de control (electronica) care trimite semnalul preluat de la senzor catre un triggerSistem de deschidere a airbag-ului

Mod de functionare

Deceleratie rapidaActioneaza asupra materialului de umplereSe modifica dimensiunea unor placi senzitiveSemnalul apare sub forma unei tensiuni

TPSEM - CURS 8

TPSEM - CURS 8*MICROSISTEME ELECTROMECANICEAccelerometru modernMicrosistemul in ansambluPrimul accelerometru analog (1 cm2)

TPSEM - CURS 8

TPSEM - CURS 8*MICROSISTEME ELECTROMECANICEObservatii:

In ultimii 10 ani s-au vandut peste 60 de milioane de dispozitive

Un exemplu de succes il constituie echiparea BMW 740i cu peste 70 de microsisteme electromecanice care sunt incluse in:Suspensiile active sistemul de control al navigatieiMonitorizarea vibratiilorSenzori la combustibili

Alte aplicatii:Detectarea cutremurelor de pamantJocuro videoStimulatoare cardiacesisteme de armare ale armelor

TPSEM - CURS 8

TPSEM - CURS 8*SENZORI DE PRESIUNE IN MEDICINASe utilizeaza la microsisteme de masurare a tensiunii arterialeSunt introduse intravenos si monitorizeaza tensiunea arterialaSunt mai ieftine decat sistemele existente

Sangele actioneaza asupra membranei de siliconDeformarea membranei actioneaza asupra elementului piezoelectricElementul piezoelectric transforma deformarea mecanica in semnal electricMICROSISTEME ELECTROMECANICEPastile piezoelectricePresiuneMembran silicon

Substrat

TPSEM - CURS 8

TPSEM - CURS 8*Senzor de masurare a tensiunii arteriale introdus in circuitul intravenosSisteme de masurare a tensiunii arteriale existente pe piataSenzor tip cateter intracardiac de masurare a tensiunii arteriale MICROSISTEME ELECTROMECANICE

TPSEM - CURS 8

TPSEM - CURS 8*CAP DE IMPRIMARE LA IMPRIMANTE CU JET DE CERNEALAVarianta cu cap termic utilizeaza expansiunea termica a vaporilor de cerneala

MICROSISTEME ELECTROMECANICERezistorii sunt incalziti prin comanda de la microprocesor cu pulsuri electronice de cateva ms (

TPSEM - CURS 8*Principiu de functionare

Incalzire rapida si producerea vaporilor

Formarea si expansiunea bulelor de cerneala

Spargerea bulelor si inceperea procesului de reumplere

Finalizarea procesului de reumplere

MICROSISTEME ELECTROMECANICE

TPSEM - CURS 8

TPSEM - CURS 8*MICROSISTEME ELECTROMECANICEVarianta cu cap piezoelectricPrezinta cristale piezoelectrice incorporate

Placa metalicaadezivCanal pentru cernealadiafragmaTraductor piezoelectriccernealaDeformarea diafragmeiEjectarea picaturiiReumplere

TPSEM - CURS 8

TPSEM - CURS 8*MICROSISTEME ELECTROMECANICEBIOMICROSISTEME ELECTROMECANICEExemple:Sisteme tip lab-on-a-chipSenzori chimiciControlere de debitMicrovalve Se utilizeaza in special pentru sisteme de monitorizare la domiciliu

Microsistem de supraveghere a globulelor rosii

TPSEM - CURS 8

TPSEM - CURS 8*MICROSISTEME ELECTROMECANICEFabricarea microsistemelor electromecanicen proiectarea i realizarea MEMS trebuie avute n vedere urmtoarele:

Frecrile sunt mai mari dect ineriile; forele capilare, electrostatice i atomice la nivel micro pot fi semnificative.

Cldura dezvoltat n astfel de sisteme are valori relativ ridicate, ceea ce poate pune probleme n ceea ce privete transportul i disiparea cldurii.

Pentru microsistemele hidraulice, spaiile mici de lucru i transport ale fluidului sunt predispuse la blocaje, dar n acelai timp pot regulariza curgerea fluidului.

TPSEM - CURS 8

TPSEM - CURS 8*MICROSISTEME ELECTROMECANICEProprietile de material (modulul Young, raportul Poisson, etc) i teoria mecanicii la nivel micro.

Utilizarea MEMS pe structura unui circuit integrat este complex i specific fiecrui microsistem n parte.

Realizarea i testarea MEMS nu este uoar; anumii microsenzori necesit contactul direct cu mediul, ceea ce presupune asigurarea proteciei acestora la perturbaii exetrioare, iar testarea este mai costisitoare dect n cazul circuitelor integrate clasice.

TPSEM - CURS 8

TPSEM - CURS 8*MICROSISTEME ELECTROMECANICETehnologiile utilizate n realizarea MEMS:

Fotolitogravura este o tehnic fotografic utilizat la transferul modelului pe suprafaa unui subtrat-suport, de obicei siliciu.

Acesta se acoper cu o pelicul subire din dioxid de siliciu. Utiliznd un procedeu asemntor developrii filmelor foto se pot obine succesiv diferite straturi care duc n final la structura 3D a MEMS Dac n cazul circuitelor integrate stratul de dioxid de siliciu serveste ca suport n procesul de dopare cu impuriti (n scopul modificrii conductibilitii locale), n MEMS acesta constituie stratul asupra cruia se intervine prin prelucrri sau prin depuneri de alte substraturi n vederea obinerii structurii finale a MEMS.

Microprelucrarea implic ndeprtarea unor pri din substratul suport utiliznd ageni de lucru pentru obinerea unor guri, caneluri sau canale.

Prelucrarea se poate face n mediu umed (pentru substrat suport de siliciu sau cuar) sau uscat (pentru substrat de siliciu, metal, plastic sau material ceramic).

TPSEM - CURS 8

TPSEM - CURS 8*Metode de prelucrare a microsistemelor electromecanice MICROSISTEME ELECTROMECANICESM (surface micromachining) implic aciunea la suprafaa substratului-suport, utilizndu-l ca fundaie.

Etapele de realizare a unei microgrinzi.Substrat suportDepunerea unui strat de oxidDepunerea unui strat de polimerForma finala

TPSEM - CURS 8

TPSEM - CURS 8*MICROSISTEME ELECTROMECANICEHARM (high-aspect-ratio micromachining) este o tehnologie de fabricaie a MEMS ce implic microprelucrarea ca un prim pas, pentru obinerea unei caviti cu o anumit configuraie, urmat de formarea microstructurii prin injectarea de material n cavitatea respectiv.

Substratul de PMMAFotolitogravuraCavitatea obinutUmplerea cavitiiMicropinionulEtapele de realizare a unui micropinion utiliznd tehnica LIGA.

TPSEM - CURS 8

TPSEM - CURS 8*MICROSISTEME ELECTROMECANICEAsamblare i integrare de sistemDe-a lungul anilor s-au dezvoltat diferite moduri de abordare n ceea ce privete integrarea de sistem a MEMS:O prim variant const n realizarea i integrarea elementelor de microelectronic, dup care se trece la realizarea elementelor mecanice prin metodele prezentate anterior. Este o metod relativ simpl, dar n produsul final apar o serie de tensiuni interne reziduale. Pentru a evita tratamentele termice de coacere pentru ndeprtarea tensiunilor interne se prefer folosirea metalelor refractare n componentele circuitelor integrate.

O a doua variant se refer la realizarea concomitent a microelectronicii i a microelementelor mecanice, variant utilizat n cazul accelerometrelor pentru aibag-uri.Procesarea monolit, ca i numrul redus de elemente permit obinerea unei structuri compacte de fiabilitatea sporit i pre redus. Problema const n complexitatea dispozitivului ceea ce determin un flux tehnologic rigid. Pentru o eficien economic mare este deci necesar un volum mare de produse.

TPSEM - CURS 8

TPSEM - CURS 8*MICROSISTEME ELECTROMECANICEO a treia variant apeleaz la realizarea microelementelor mecanice naintea microelectronicii. n SUA a fost dezvoltat tehnologia iMEMS (Integrated Microelectromechanical Systems), patentat de Sandia National Laboratories, care presupune fabricarea MEMS utiliznd una din metodele prezentate anterior, urmnd ca elementele de microelectronic s fie procesate pe aceeai plachet de siliciu.

TPSEM - CURS 8

TPSEM - CURS 8*ConcepieCAD, Modelare i simulareGenerarea modelului (mtii)

Substrat de siliciuDepunerea straturilor adiionaleTransferul modeluluindeprtarea straturilor de umplutur

ControlSecionare

Plachet individual

Asamblare

ncapsulare i testare

Tehnici de fotolitogravurCicluri multipleCICLUL COMPLET DE FABRICAIE A MEMS.MICROSISTEME ELECTROMECANICE

TPSEM - CURS 8