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Introdução aos Sensores Microeletrônicos

Prof. Fabiano FruettFEEC CCS UNICAMP

fabiano@dsif.fee.unicamp.br

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Sumário

• Passado, Presente e Futuro da Microeletrônica

• Mercado Mundial de Sensores • Panorama Nacional• Sistemas Micro-Eletro-Mecânicos• Sensores Integrados• Exemplos de Aplicações

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Passado, Presente e Futuro da Microeletrônica

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Primeiro Transistor

John Bardeen and Walter Brattain

Bell Labs

16 de Dezembro de 194716 de Dezembro de 1947

3

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Evolução …

Primeiro circuito integrado

Jack S. Kilby, Texas InstrumentsContinha cinco componentes, três tipos:

Transistores, resistores e capacitores

19581958 19611961

Primeiro circuito integrado Planar

Fairchild and Texas Instruments apresentam este CI que continha funções lógicas simples

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Evolução …

PenrynPrimeiro processador 45 nm

Intel Core 2

20062006

Intel Pentium IIClock: 233MHz

Número de transistors: 7.500.000Gate Length: 0.35 µm

19971997

PenrynPenrynPenryn

Penryn die photo

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Lei de Moore em ação

Fonte: Intel

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Escalonamento l

Fonte: http://download.intel.com/research/silicon/Gordon_Moore_ISSCC_021003.pdf

5

IE 012 9Previsão: Roadmap SIA 1997• Dado \ Ano 1997 1999 2001 2003 2006 2009 2012

• LMIN.(nm) 250 180 150 130 100 70 50

• DRAM (bits) 256M 1G - 4G 16G 64G 256G

• Área chip DRAM (mm2) 280 400 480 560 790 1120 1580

• Diâmetro / lâmina (mm) 200 300 300 300 300 450 450

• Níveis de metal (lógica) 6 6-7 7 7 7-8 8-9 9

• Compr. metal (lógica) (m) 820 1480 2160 2840 5140 10000 24000

• VDD(V) 2.5 1.8 1.5 1.5 1.2 0.9 0.6

• VT(V) 0.45 0.40 0.35 0.30 0.25 0.20 0.15

• FMAX de relógio (MHz) 750 1250 1500 2100 3500 6000 10000

• Número máscaras 22 23 23 24 25 26 28

• Espess. Óxido 6.5 5.0 4.5 4.0 3.5 2.7 2.0

• Defeitos (m-2)*** 2080 1455 1310 1040 735 520 370

• Custo/bit DRAM inicial (µc)120 60 30 15 5.3 1.9 0.66

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Qual o limite para a tecnologia CMOS?

A evolução encontra-se perto dos limites físicos.

Já foi demonstrado experimentalmente o funcionamento de transistores isolados, com dimensões mínimas menores que 10 nm.

O limite real da tecnologia CMOS só o futuro determinará.

Sobrevida estimada de 20 anos.

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Forte tendência ...Evolução do ASIC (Aplication Specific IntegratedCircuits), incorporando maiores capacidades.

Concentração de sistemas em um só Chip (SoC), cada vez mais compacto e com software embutido.

Aproximação com outras especialidades:Mecânica, química, ótica, biologia etc

Física

Química

Mecânica

Eletrônica

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Ciclo da indústria de semicondutores

Novos produtos

Desenvolvimentode Mercado

Expansãode Mercado

Redução deCustos

Volume deprodução

InvestimentoTecnológico

Fonte: Ansys solutions, Vol. 7 Issue I 2006

7

IE 012 13Evolução da Engenharia “Eletrônica”

Primeiro Transistor Primeiro CI Intel Pentium II

Micro máquinas Nano sistemas Nano tubos de carbono

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E depois?

Tubes Semiconductors

MOS CMOS

Transistor IC ULSI ?????

1950 1960 2000

plastic electronics

optics

nanoelectronics

MEMS

biosensors

molecular nanotechnology

magnetoelectronics

2030

Fonte: IMEC

SENSORS

8

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Mercado mundial de sensores

IE 012 16

0102030405060

1998 2003 2008

ano

US

$ B

ilhõe

s

Fonte: Intechno Consulting

Crescimento do mercado Mundial de Sensores

9

IE 012 17Desenvolvimento do mercado mundial para sensores até 2008: Segmentação

por indústrias

0

2

4

6

8

10

12

14

Machinery Mfgs& Suppliers

ProcessIndusties

Motor Vehicles Aircraft &Shipbuilding

Building Sector Consumer &Office Eletronics

Other Industries

US

$ B

illio

n

1998

2008

Fonte: http://www.intechnoconsulting.com

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O mercado mundial, para os dez tipos de sensores com o rank dos maiores volumes de mercado:

1- Sensores de temperatura2- Sensores de pressão3- Sensores de fluxo4- Sensores de posição binária5- Sensores de posição6- Sensores químicos para medidas em líquidos7- Sensores de nível8- Sensores de velocidade/rpm9- Sensores químicos para medidas em gases10- Detector de chama e gases inflamáveis

Fonte: http://www.intechnoconsulting.com

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IE 012 19Desenvolvimento do mercado mundial de sensores por paises e regiões em 1998

10,9%

5,3%

4,0%

3,7%

7,8%

31,0%

6,1%

19,4%

8,8%3,0%

Alemanha França Reino UnidoItália Outros paises da Europa ocidental Estados UnidosOutros paises Americanos Japão Outros paises da Ásia/PacíficoResto do mundo

Fonte: http://www.intechnoconsulting.com

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Fonte: http://www.intechnoconsulting.com

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Exemplos de Centros de P&D colaborativos

• Multi-Project Circuits CMP (França) http://cmp.imag.fr/

• Interuniversity MicroElectronics Center IMEC (Bélgica) http://www.imec.be

• MOSIS (USA) http://www.mosis.org/

Objetivos: Aproximação com a indústria microeletrônica e acordos com universidades. Prototipagem e projetos colaborativos.

IE 012 22Circuits Multi - Projects CMP

http://cmp.imag.fr/

O CMP atua como um escritório de apoio, atendendo as universidades e laboratórios de pesquisa na prototipagem de CIs e MEMS

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IMEC (InteruniversityMicroElectronics Center)

• O IMEC é um centro de pesquisa, prestador de serviços, no campo da microeletrônica e nanotecnologia que está localizado na Bélgica.

http://www.imec.be

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Prototipagem microeletrônica

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Atores NacionaisUniversidades

• EESC/USP, São Carlos, SP • EFEI, Itajubá, MG• EPUSP, São Paulo, SP• LAC/COPEL, Curitiba, PR• UFMG, Belo Horizonte, MG• UFPB, Campina Grande, PB

• UFRGS, Porto Alegre, RS• UFRJ, Rio de Janeiro, RJ• UFSC, Florianópolis, SC• UNESP, SP• UNICAMP, Campinas, SP• UnB, Brasília, DF

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PNM CI-Brasil

NSCADUFRGSFINEP

CCSUNICAMP

LSI-TECUSP C.E.S.A.R.

Wernher von Braun

CENPRA

LINCS

CETENE

CT-PIM

Atores NacionaisCentros de pesquisa e apoio

Programas Nacionais

GeniunsEldorado

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Sistemas Micro-Eletro-Mecânicos

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NomenclaturaMicrossistemas (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)

NEMS

NOEMS

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Por que MEMS?

• Tecnologia beneficiada pelas vantagens da microeletrônica– Fabricação em escala (baixo custo)– Tamanho reduzido– Consumo de potência baixo– Boa reprodutibilidade– “Simbiose” com microeletrônica– Novas possibilidades

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Micro-Electro-Mechanical Systems (MEMS) é a integração de elementos mecânicos, sensores atuadores (de diferentes domínios) e dispositivos eletrônicos em um substrato comum através da utilização da tecnologia de microfabricação.

O que é exatamente um O que é exatamente um MEMS?MEMS?

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IE 012 31

Lei do Moore expandida

Fonte: Intel

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Exemplo MEMS: Monitoramento da pressão em pneus

Fonte: VW

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Exemplo MEMS: Projeto Silicon RadioIntel

Objetivos: • Integrar todos os componentes de um rádio em um único chip• Aumentar a flexibilidade e oportunidade de aplicações dos produtos Intel (wireless systens).

Fonte: Intel

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Sensores microeletrônicos

• Sensor: Dispositivo que responde a um estímulo físico ou químico (tal como calor, luz, som, pressão, campo magnético, movimento) e transmite o resultado para um sistema de medida ou controle. [Webster´s Collegiate Dictionary]

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Conversão de sinais

em sensores eletrônicos

Radiante

Mecânico

Elétrico

Magnético

Químico

Térmico

Pressão

Aceleração

Vibração

Temperatura

Campo magnético

Radiação luminosa

P.h.

Fluxo

Concentração

Umidade

Potência Elétrica

Deslocamento

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Natureza como fonte de inspiração para micro-sistemas

Biomimetics“Ciência que tenta copiar as estruturas prontas na

natureza”

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Alguns dos efeitos químicos e físicos maisutilizados em silício

Galvânico, condução eletrolítica Químico

Hall, magneto-resistência, SuhlMagnético

Seebeck, NerstTérmico

Piezoresistivo, piezojunção, elétrico-acústico

Mecânico

Foto-voltaico, fotocondutivo, foto-elétrico

Radiante

EfeitoDomínio do sinal

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A correta maximização ou minimização dos efeitos

existentes nos semicondutores é a chave

para o sucesso

Todo dispositivo semicondutor é um sensor

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Tecnologia planar em Silicio CMOS Bipolar BiCMOS

Deposicao de filmes piezoeletricos magneticos

Desvio do processoconvencional

Micromecanica Corpo Superficie

Encapsulamento especial

Sensor

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Silício como base para microeletrônica, micro-sistemas e MEMS

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IE 012 41

Propriedades favoráveis do silício

• Excelentes propriedades mecânicas• Efeitos transdutores disponíveis • Tamanho reduzido• Possibilidade de co-integração de

sensores e eletrônica.• Baixo custo para alta escala de produção

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Seção transversal

8 µm

400 µm

Fonte: R. Feynman “There is Plenty of Room at the Bottom”,anual meeting of the American Physical Society at the California Institute of Technology. 1959

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IE 012 43

• sensores de pressão• acelerômetros• sensores de fluxo• inkjet printers• espelhos deformáveis• sensores de gás• micro-motores• microengrenagens• lab-on-a-chip systems

Exemplos MEMS:

IE 012 44Exemplos de microestruturas

∅ 70 µm

Fio de cabelo

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IE 012 45

x

ypartefixa

massamóvel acelerômetro

filtro mecânicoatuadores ressonantes

Fonte: R.P.Ribas, UFRGS

Estrutura Comb Driver

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substrato

Back-SideBulk

Micromachining

Front-SideBulk

Micromachining

SurfaceMicromachining

etching

etching

etching etching

Resumo dos métodos mais utilizados de Micro-Usinagem

Fonte: R.P.Ribas, UFRGS

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Algumas estruturas realizadas no CCS

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OpçõesOpções de de integraçãointegraçãomicromecânica em micromecânica em um um processo processo

microeletrônicomicroeletrônico• Usando etapas/camadas existentes do

processo microeletrônico padrão• Adicionando etapas/camadas em um

processo de microeletrônica padrão• Pré-processamento (antes da

microeletrônica)• Pós-processamento (após a

microeletrônica)

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Frontside bulk-micromachining

http://cmp.imag.fr/MemService/bulk.html

IE 012 50

Algumas ferramentas

• Análise, modelamento (multifísico)– ANSYS, FemLAB, MatLAB

• Projeto do dispositivo– Mentor Graphics, Cadence, L-Edit, SPICE

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IE 012 51Estudo de CasoSensor de Pressãomicromecânica + microeletrônica

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Simulação ANSYS de um diafragma em

Si

Fonte; Vitor Garcia, tese de mestrado, FEEC UNICAMP

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IE 012 53

Efeito Piezoresistivo

y

x

z σzz

σzyσzx

σyy

σyz

σyx

σxx

σxy

σxz

[100][110]

[010]

[001]

[100]

[110]

λ σ

σ

[110]ϕ

ρWH

LR =0ij

ijkl kl ijklmn kl mn

ρπ σ π σ σ

ρ∆

= +

IE 012 54

Layout do sensor de pressão piezoresistivo

IREFVOUT

R+∆R R-∆R

R-∆R R+∆R

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IE 012 55

Circuito de Condicionamento

http://www.sensorsmag.com/isensors/

IE 012 56

Estrutura de teste para

sensor de pressão

Fonte: LSM, F.Fruett e I. Gentini

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Encapsulamento de sensores

Fonte: High Density Packaging Group - ETH

Oportunidades:

• Encapsulamento específico• Alto valor agregado• Maquinário de baixo custo

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Radiante

Mecânico

Elétrico

Magnético

Químico

Térmico

Pressão

Aceleração

Vibração

Temperatura

Campo magnético

Radiação luminosa

P.h.

Fluxo

Concentração

Umidade

Exemplos de aplicações de sensores

microeletrônicos e micro-sistemas

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IE 012 59

Efeito térmico em junções

VBE versus temperatura

2 mV/Kλ

( ) ( ) ( )

( ) ( )

0

0

ln

rBE g r

r

rg BE r

r

kT k TV T V m T m T T Tq q T

kTV m V Tq

T

= + η− − λ + η− −

+ η− −λ =

Vg0

[V]

T [K]

VBE

Tr

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Sensor de temperatura

• LM135 National Instruments

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Sensores de pressão em calçados

Fonte: MIT Medialab and Media Lab Europe

IE 012 62

Acelerômetros comerciais

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Sensores magnéticos

Placa Hall

Fonte: Popovic

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Placa Hall em tecnologia CMOS

Fonte: Popovic

H XH

GR I BVt

⊥=xj [µm] n[cm-3]

p-epi E15n-well 4 E15~E16

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EscalaEscala de pHde pH

00 77 1414HH++>>OH>>OH-- HH++ = OH= OH-- HH++<<OH<<OH--

VVGSGS > V> VTT VVGSGS < V< VTTVVGSGS ≈≈ VVTT

VDS

ID

pH = 1

pH = 3pH = 5

pH = 6.5

Do MOSFET ao ISFETsIon-Sensitive FET

P

N N

SoluSoluçãção io iôônicanicaTaTa22OO55

AlAl22OO33

SiSi33NN44

SiOSiO22

- - - - -+ + +

HH++ HH++ HH++

Dupla Camada ElDupla Camada Eléétricatrica

Fonte: Kisner A. e Kubota L. T., IQ Unicamp

N

P P

ModifiModifiçãçãoo dede PortaPorta comcom Elementos SeletivosElementos Seletivos

PolPolíímeros Condutoresmeros Condutores EnzimasEnzimas AnticorposAnticorpos DNADNA

Possibilidades com ISFETs

Fonte: Kisner A. e Kubota L. T., IQ Unicamp

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IE 012 67Sensor de parâmetros sanguíneos

Fonte: S. Middelhoek and P. French, TU Delft, Holanda

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Sensores Radiantes

• Fotodiodos• Fototransistores• CCDs• Bolômetros

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Thermal IR detector array (bolometer)

Fonte: http://www.geog.ucsb.edu and http://www.afrc.af.mil/newsreleases

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5. Conclusões

1) Ramo da ciência com evolução muito rápida

2) Área multidisciplinar

3) Enorme importância econômica

4) É primordial a soma de esforços. Não há espaço para ilhas isoladas, dada a complexidade e multidisciplinaridade.

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FIM