1

IE 012 1

Introdução aos Sensores Microeletrônicos e Sistemas

Microeletromecânicos

Prof. Dr. Fabiano FruettFEEC CCS UNICAMP

Depto de Semicondutores Instrumentos e Fotônica

Centro de Componentes e Semicondutores

Universidade Estadual de Campinas

fabiano@dsif.fee.unicamp.br

IE 012 2

Sistemas Micro-Eletro-Mecânicos

MEMS

2

IE 012 3

Nomenclatura

Microssistemas (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

IE 012 4

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

3

IE 012 5

M icro-Electro-Mechanical Systems (MEMS ) são aintegração de elementos mecânicos, sensores atuadores (dediferentes domínios) e dispositivos eletrônicos em umsubstrato comum através da utilização da tecnologia demicrofabricação.

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

IE 012 6

Lei do Moore expandida

Fonte: Intel

4

IE 012 7

Exemplo MEMS: Monitoramento da pressão em pneus

Fonte: VW

Produção nacional de veículos em 2008: 2.8 milhões

Mercado potencial: 11 bilhões de sensores por ano

IE 012 8

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

5

IE 012 9

Sensores microeletrônicos

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

IE 012 10

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

6

IE 012 11

Natureza como fonte de inspiração para micro-sistemas

Biomimetics“Ciência que tenta copiar as estruturas prontas na

natureza”

IE 012 12

Alguns dos efeitos químicos e físicos mais utilizados em silício

Domínio do sinal

Efeito

Radiante Foto-voltaico, fotocondutivo, foto-elétrico

Mecânico Piezoresistivo, piezojunção, elétrico-acústico

Térmico Seebeck, Nerst

Magnético Hall, magneto-resistência, Suhl

Químico Galvânico, condução eletrolítica

7

IE 012 13

A correta maximização ou minimização dos efeitos

existentes nos semicondutores é a chave

para o sucesso

Todo dispositivo semicondutor é um sensor

IE 012 14

Tecnologia planar em Silicio CMOS Bipolar BiCMOS

Deposicao de filmes piezoeletricos magneticos

Desvio do processoconvencional

Micromecanica Corpo Superficie

Encapsulamento especial

Sensor

8

IE 012 15

Silício como base para microeletrônica, micro-sistemas e MEMS

IE 012 16

Propriedades favoráveis do silício

• Excelentes propriedades mecânicas• Efeitos transdutores disponíveis • Tamanho reduzido devido ao

escalonamento• Possibilidade de co-integração de

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

9

IE 012 17

Seção transversal

8 µµµµm

400 µµµµm

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

IE 012 18

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

Exemplos MEMS:

10

IE 012 19

Exemplos de microestruturas

∅ 80 µm

Fio de cabelo

IE 012 20

x

ypartefixa

massamóvel acelerômetro

filtro mecânicoatuadores ressonantes

Fonte: R.P.Ribas, UFRGS

Estrutura Comb Driver

11

IE 012 21

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

IE 012 22

Algumas estruturas realizadas no CCS

12

IE 012 23

Opções de integraçãoOpções de integraçãomicromecânica em um processo micromecânica em um 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)

IE 012 24

Frontside bulk-micromachining

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

13

IE 012 25

Algumas ferramentas

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

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

IE 012 26

Estudo de CasoSensor de Pressão micromecânica + microeletrônica

Guilherme Coraucci, IEEE Transducers 2009

14

IE 012 27

Simulação ANSYS de um diafragma em

Si

IE 012 28

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 =

0

ijijkl kl ijklmn kl mn

ρπ σ π σ σ

ρ∆

= +

15

Layout do sensor de pressão de 4 terminais.

IE 012 29

Distribuição de potencial, através de elementos finitos, do FTPS em

forma de Cruz Grega.

IE 012 30

Fonte: Dissertação de mestrado Guilherme Coraucci

16

IE 012 31

Circuito de Condicionamento

4 terminais Multi-terminais

Layout do Circuito Integrado

IE 012 32

17

IE 012 33

Pós-processamento com KOH

Fonte: Dissertação de mestrado Guilherme Coraucci

Encapsulamento

IE 012 34

18

IE 012 35

Estrutura de teste para

sensor de pressão

Fonte: LSM, F.Fruett e I. Gentini

Resultados Experimentais

IE 012 36

Multi-Terminais

19

IE 012 37

Encapsulamento de sensores

Fonte: High Density Packaging Group - ETH

Oportunidades:

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

IE 012 38

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

20

IE 012 39

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 T

q q T

kTV m V T

qT

= + η − − λ + η − −

+ η − −λ =

Vg0

[V]

T [K]

VBE

Tr

IE 012 40

Sensor de temperatura

• LM135 National Instruments

21

IE 012 41

Sensores de pressão em calçados

Fonte: MIT Medialab and Media Lab Europe

IE 012 42

Acelerômetros comerciais

22

IE 012 43

Sensores magnéticos

Placa Hall

Fonte: Popovic

IE 012 44

Placa Hall em tecnologia CMOSCMOS

Fonte: Popovic

H XH

GR I BV

t⊥=

xj [µm] n[cm-3]p-epi E15n-well 4 E15~E16

23

Escala de pHEscala de pH

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

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

VDS

ID

pH = 1

pH = 3pH = 5

pH = 6.5

Do MOSFET ao ISFETsIon-Sensitive FET

P

N N

Solução iônicaSolução iônicaTaTa22OO55

AlAl22OO33

SiSi33NN44

SiOSiO22

- - - - -

+ + +HH++ HH++ HH++

Dupla Camada ElétricaDupla Camada Elétrica

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

N

P P

Modifição de Porta com Elementos SeletivosModifição de Porta com Elementos Seletivos

Polímeros CondutoresPolímeros Condutores EnzimasEnzimas AnticorposAnticorpos DNADNA

Possibilidades com ISFETs

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

24

IE 012 47

Sensor de parâmetros sanguíneos

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

IE 012 48

Sensores Radiantes

• Fotodiodos• Fototransistores• CCDs• Bolômetros

25

IE 012 49

Thermal IR detector array (bolometer)

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

IE 012 50

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.