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Introdução aos Microssistemas Curso CCS-UNICAMP ©R.P.Ribas

Introdução aos MicrossistemasIntrodução aos Microssistemas

Jacobus W. SwartSubstituindo o

Prof. Renato P. Ribas


SumárioSumário

• Introdução e Conceitos Básicos

• Fabricação de Micro-Estruturas

• Dispositivos e Aplicações

• Ferramentas de Auxílio a Projeto


Mercado :

Evolução dos MicrossistemasEvolução dos Microssistemas

• 1996 : 1,3 bilhões de unidades (US$ 12 bilhões)• 2002 : 5,4 bilhões de unidades (US$ 34 bilhões)• Sensor de pressão : crescimento de 18% ao ano• Acelerômetro : crescimento de 15% ao ano

Áreas de Interesse :• Indústria automobilística• Telecomunicações• Médica e biomédica• Instrumentação, automação, aeronáutica, ...


MotivaçãoMotivação

• Miniaturização : tamanho e peso

• Custo de fabricação : produção em grande escala

• Flexibilidade de projeto : soluções personalizadas

• Consumo e desempenho : soluções monolíticas

• Reprodutibilidade e confiabilidade


Estrutura dos MicrossistemasEstrutura dos Microssistemas

AmbienteExterior

SensoresAtuadores

ControleDigital

InterfaceAnalógica

• Componentes discretos

• Dispositivos eletrônicos

• Estruturas micro-usinadas

• Conversores A/D e D/A

• Amplificadores

• Moduladores Sigma-Delta

• DSP

• Registro de dados

• Interface digital


NomenclaturaNomenclatura

• 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)

• Micromachining =: processo de fabricação (usinagem)

• Etching =: corrosão, ataque, gravação (gravura)


Corrosão (Corrosão (EtchingEtching))

substrato

Corrosão : úmida (líquida) e seca (plasma)

SeletivaAnisotrópicaIsotrópica


CHIP único

CHIP 2 - circuito eletrônicoCHIP 1

ImplementaçãoImplementaçãoHíbrida x MonolíticaHíbrida x Monolítica

AmbienteExterior

SensoresAtuadores

ControleDigital

InterfaceAnalógica


Fabricação de MicrossistemasFabricação de Microssistemas

AmbienteExterior

SensoresAtuadores

ControleDigital

InterfaceAnalógica

Solução Monolítica

• Processos compatíveis com microeletrônica• Processos específicos para micro-usinagem : LIGA, SCREAM


1. 1. Back-Side Bulk MicromachiningBack-Side Bulk Micromachining

ataque

substrato

Características :

• corrosão vertical e profunda (plasma)

• ataque anisotrópico (pouca corrosão lateral)

• ataque seletivo em relação à camada inferior suspensa

• dificuldade de alinhamento da abertura de gravura (máscara)

Tipos de Usinagem :


dispositivos suspensos

membranagravura back-side

• sensor de pressão• isolamento térmico de dispositivos

Interesse :

Back-Side Bulk Micromachining ...


Etching de Si para micro-usinagem

(trabalho no CCS)


substrato

Características :

• corrosão lateral (underetching) úmida

• ataque isotrópico ou anisotrópico

• ataque seletivo em relação à camadas presentes na superfície

• facilidade de alinhamento da abertura de gravura (máscara)

2. 2. Front-Side Bulk MicromachiningFront-Side Bulk Micromachining

Tipos de Usinagem :


Uso de Processos EstandaresUso de Processos Estandares

substrato

pad

transistor

passivaçãodielétrico

soluçãode ataque

open area(contato + via +...)

Características :

• uso de processos industriais para fabricação de CIs• compatibilidade com a eletrônica• adaptação das aplicações às características processo disponível• prototipagem de microssistemas juntamente com CIs (CMP, MOSIS, ...)

Front-Side Bulk Micromachining ...


CMOS ES2 1.0um

AsGa PML HEMT 0.2um


Ataque AnisotrópicoAtaque AnisotrópicoCMOS x GaAsCMOS x GaAs

Silicon (CMOS) AsGa

Soluções de Ataque (úmido)

• CMOS

• AsGa

KOHTMAHEDP

H2SO4

H3PO4

NH4OHÁcido Cítrico


substrato

pad

transistor open area(contato + via +...)

Camada ResidualCamada Residual

Front-Side Bulk Micromachining ...


substrato

Características :

• corrosão lateral com ataque seletivo (uso de camada sacrificial)• estruturas largas e pouco espessas• maior flexibilidade para a construção de estruturas mecânicas• problema de colagem com ataque úmido (capilaridade)

soluçãode ataque

3. 3. Surface MicromachiningSurface Micromachining

Tipos de Usinagem :


• Processo MUMP (MCNC) :

Surface Micromachining ...Surface Micromachining ...

• Processo SUMMiT (Sandia) :

HF


Surface Micromachining ...Surface Micromachining ...

Integração de Dispositivos EletrônicosIntegração de Dispositivos Eletrônicos


ResumoResumo

Formas de Micro-Usinagem ...

substrato

Back-SideBulk

Micromachining

Front-SideBulk

Micromachining

SurfaceMicromachining

etching

etching

etching etching


Dispositivos e AplicaçõesDispositivos e Aplicações

• dispositivos térmicos• dispositivos para sistemas ópticos• micro-estruturas mecânicas• componentes para circuitos microondas

Exploração das estruturas micro-usinadas para sensação de estímulos, acionamento e melhora do desempenho de componentes eletrônicos.


Dispositivos TérmicosDispositivos Térmicos


Isolamento TérmicoIsolamento TérmicoEnergia

Radiante

‘Heaters’

Tmax

Tamb conduçãoconvecçãoradiação

CondutividadeTérmica

substrato


Isolamento Térmico...

Componentes Passivos (Resistor)Componentes Passivos (Resistor)

V+

V-

Vout

R1

R2i

• TCR = (1/o)(d/dT)Bolômetro (CMOS)

• Sensor Infra-Vermelho (matriz de pixels)

Poly-Si


Termopares IntegradosTermopares Integrados

T1 T T2

Efeito Seebeck :

V1 = 1 . T

V = (1 - 2) . T

Termopar :

Termopilha :

...V = n . (1 - 2) . T

Caracteristicas :

• não há consumo• fácil leitura (voltímetro)• não há offset no sinal de saída• insensível à variações no processo

Micro-usinagem :

T1

T2V


Aplicação para TermoparesAplicação para Termopares

CMOS GaAs

heater

‘Heater’ :• conversor AC-DC• sensor de fluxo de gás• sensor de vácuo

Radiação :• sensor infra-vermelho

radiação


Atuador por Dilatação TérmicaAtuador por Dilatação Térmica

IDC

Placa dissipadora (Tamb)

• Medidor de Corrente ContínuaIAC

• Medidor de Frequência Analógica

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