SENSORES Y ACONDICIONADORES TEMA 12 MICROSENSORES MICROSENSOR, SENSOR INTELIGENTE, SISTEMA MICROELECTROMECÁNICO, MICROSISTEMA

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1 SENSORES Y ACONDICIONADORES TEMA 12 MICROSENSORES Profesores: Enrique Mandado Pérez Antonio Murillo Roldan Tema 12-1 MICROSENSOR, SENSOR INTELIGENTE, SISTEMA MICROELECTROMECÁNICO, MICROSISTEMA INTRODUCCIÓN Los términos Microsensor (Microsensor), Sensor Inteligente (Smart Sensor), Sistema Microelectromecánico [Microelectromechanical System (MEMS)], Sistema en un Circuito Integrado [System On Chip (SOC)] y Microsistema (Microsystem) hacen referencia a: Sistemas microelectrónicos de gran complejidad que suelen contener sensores, circuitos de acondicionamiento y procesadores. No existe una definición asumida universalmente para cada uno de ellos y diferentes autores los utilizan indistintamente porque la frontera entre ellos es difusa. En este tema se utiliza preferentemente el término Microsistema. Tema 12-2

2 MICROSENSOR (MICROSENSOR) Aunque no existe una definición universalmente aceptada se puede definir como: Circuito integrado monolítico o híbrido que contiene todos los elementos de un sistema sensor, incluido a veces el propio elemento sensor. Se le ha denominado en el pasado sensor inteligente (Smart Sensor) porque uno de sus elementos es un procesador digital que le proporciona capacidad de autocalibración, autodiagnóstico y comunicaciones. Sensor Off set Auto-test A/D Amplf Filtro Control Compensación térmica Calibración Bus Interface Multiplex Diagrama de bloques de un microsensor [BALT 95] Tema 12-3 SENSOR INTELIGENTE [SMART SENSOR] DEFINICIÓN No existe un consenso generalizado pero se suele decir que un sensor es inteligente si realiza al menos alguna de las siguiente funciones: Cálculos numéricos Comunicación en red (No una simple conexión punto a punto) Autocalibración y autodiagnóstico Múltiples medidas con identificación del sensor Variable física SISTEMA SENSOR INTELIGENTE ELEMENTO SENSOR CIRCUITO ELECTRONICO ACONDICIONADOR DE LA SEÑAL Señal eléctrica normalizada PROCESADOR A otro sistema electrónico De otros acondicionadores Diagrama de bloques de un sensor inteligente Tema 12-4

3 SISTEMA MICROELECTROMECÁNICO [MICROELECTROMECHANICAL SYSTEM (MEMS)] DIVERSAS DEFINICIONES Sistema que contiene microsensores, microactuadores componentes micromecánicos y otros sistemas microensamblados. Los MEMS suelen estar constituidos por microestructuras mecánicas, microsensores, microactuadores y un procesador electrónico [CHRI 97]. Sistema que se fabrica mediante técnicas y herramientas utilizadas en la fabricación de circuitos integrados [KOVA 98]. Sistema microelectrónico que realiza una determinada función electromecánica o electroquímica y se implementa físicamente en forma de un rectángulo cuyos lados tienen una longitud comprendida aproximadamente entre 1 µm y 1 mm [TAI 02]. En Europa se le conoce por las siglas MST (Microelectromechanical Systems Technology). Tema 12-5 SISTEMA MICROELECTROMECÁNICO [MICROELECTROMECHANICAL SYSTEM (MEMS)] Contiene en general tres bloques: Un microsensor (Microsensor). Un microactuador (Microactuator). Un procesador (Processor). Se fabrica mediante herramientas y técnicas utilizadas para fabricar circuitos integrados combinadas con otras que reciben el nombre de técnicas de micromecanización (Micromachining). Tema 12-6

4 Sistema híbrido que combina varias tecnologías: Mecánica FUENTE DE ALIMENTACIÓN Óptica integrada Electroóptica Esta formado por al menos un sensor o un actuador (o ambos) y un procesador electrónico y se puede definir como: SENSOR ACONDICIONAMIENTO Y PROCESADO DE LA SEÑAL MICROSISTEMA ACTUADOR Sistema de reducidas dimensiones que contiene uno o más MEMS para realizar determinadas funciones tecnológicas. Tema 12-7 EJEMPLO Microacelerómetro ADXL276 / ADXL 250 de Analog Devices Tema 12-8

5 DIFERENCIAS ENTRE UN MICROSISTEMA Y UN CIRCUITO MICROELECTRÓNICO 1. Los microsistemas utilizan más materiales que los circuitos microelectrónicos. Además del Silicio utilizan como sustrato el Cuarzo, el AsGa, polímeros y materiales metálicos. En el encapsulado se utilizan cristales, plasticos y metales, no utilizados en Microelectrónica. 2. Realizan más funciones que los circuitos microelectrónicos, que se limitan a realizar funciones eléctricas. 3. Muchos microsistemas incluyen microválvulas, microbombas y microengranajes y en ellos se produce el movimiento de un fluido como por ejemplo en los biosensores y en los sistemas de análisis. 4. Los circuitos microelectrónicos tienen una estructura de dos dimensiones confinada a la superficie del Silicio, mientras que los microsistemas tienen una estructura de tres dimensiones. La Ingeniería Mecánica es por lo tanto una parte fundamental del desarrollo de microsistemas. Tema 12-9 DIFERENCIAS ENTRE UN MICROSISTEMA Y UN CIRCUITO MICROELECTRÓNICO 5. Los circuitos microelectrónicos están aislados del entorno una vez encapsulados. Por el contrario los microsistemas tienen elementos sensores que deben estar en contacto con el entorno, lo que crea muchos problemas de diseño y de encapsulado. 6. La fabricación y encapsulado de los circuitos microelectrónicos constituyen tecnologías maduras que se realizan de acuerdo con normas consolidadas. La fabricación de microsistemas por el contrario está lejos de estar madura y se lleva a cabo mediante tres técnicas diferentes. Además debido a la gran variedad de aspectos estructurales y funcionales de los microsistemas, su encapsulado está todavía en una fase inicial. Tema 12-10

6 Procesos electroquímicos Biología molecular Ciencias naturales: física, química y biología Física cuántica Física molecular Electrohidrodinámica Ingeniería eléctrica -Fuentes de alimentación -Circuitos para sensores -Nanoelectrónica -Nanoprocesos -Nanoperiféricos Ingeniería química -Procesos de microfabricación. -Tecnología de películas delgadas. Física de plasma Leyes de escala Ingeniería mecánica -Diseño de máquinas. -Termodinámica -Transmisión de calor. -Control inteligente. -Diseño y fabricación de equipos para microprocesos. -Mecánica computacional. -Ensamblaje. Áreas de la Ciencia y la Tecnología involucradas en el diseño y fabricación de microsistemas [TAI 02] Ingeniería de materiales -Materiales para subtratos -Materiales para sensores -Materiales para procesos de fabricación. -Materiales para semiconductores. Ingeniería industrial: -Diseño de procesos. -Control de producción. -Microensamblaje Tema INGENIERÍA DE MICROSISTEMAS Solo puede ser abordada por un equipo de expertos en diversas tecnologías. Comprende todas las tareas necesarias para realizar sistemas electrónicos cuyas funciones comienzan en el elemento sensor y acaban en un procesador conectable a un bus [MEIX 95]. Tema 12-12

7 TECNOLOGÍAS O PROCESOS DE MICROMECANIZACIÓN (MICROFABRICATION TECHNOLOGIES OR MICROMACHINING) En el proceso de fabricación de un MEM no es posible utilizar las operaciones mecánicas típicas como son las de desbastado (Machining), taladrado (Drilling), fresado (Milling), forja (Forging), fundición (Casting) y soldadura (Welding). Tres tipos de procesos de micromecanización: Eliminado de material o proceso sustractivo (Etching or Bulk micromachining). Añadiendo material o proceso aditivo (Surface micromachining). Mediante el proceso LIGA [acrónimo de los términos alemanes LIthografie (Litografía), Galvanoformung (Galvanoplastia) y Abfor-mung (Moldeado)]. Tema Protección resistente MICROMECANIZACIÓN Eliminación de material (Etching) Antes de eliminar parte del substrato Eliminado parte del substrato SUBSTRATO SUBSTRATO Tema 12-14

8 MICROMECANIZACIÓN Proceso aditivo (Surface micromachining) Tema RESULTADO DE LOS PROCESOS DE MICROMECANIZACIÓN SUSTRACTIVO Y ADITIVO PROCESO SUSTRACTIVO Consiste en eliminar algunas partes del sustrato. PROCESO ADITIVO Consiste en añadir películas delgadas a la superficie del sustrato. Película delgada depositada Capa sacrificada extraida Eliminado Substrato Substrato Tema 12-16

9 MICROMECANIZACIÓN Proceso LIGA Tema Los microsistemas suelen contener al menos un MEMS (Microelectromechanical System). Principales tipos de MEMS y microactuadores mecánicos y microactuadores ópticos de radiaciones ionizantes y microactuadores térmicos Dispositivos microfluídicos (Microfluidic Devices) de onda acústica Microbiosensores químicos y microactuadores de presión Tema 12-18

10 MICROSENSORES Y MICROACTUADORES MECÁNICOS Microengranaje (Microgear) Dimensión: 100 µm Tema ACTUADORES MICROMECÁNICOS Micromotor Tema 12-20

11 MICROSENSORES Y MICROACTUADORES MECÁNICOS Microturbina Tema EJEMPLO DE UTILIZACIÓN DE UN SENSOR MICROMECÁNICO Acelerómetro de Analog Devices ADXL-50 Tema 12-22

12 DISPOSITIVOS MICROFLUÍDICOS Microválvula Tema SENSORES INTELIGENTES La necesidad de implementar sistemas de control distribuido llevó a la realización de microsistemas que tienen: Un elemento sensor El circuito de acondicionamiento Capacidad de conversión analógica-digital Procesamiento básico (Validación, linealización, etc.) Capacidad de autoidentificación Capacidad de autodiagnóstico Procesamiento y memorización digital Comunicación con una red digital Han recibido la denominación de sensores inteligentes (Smart sensors) Tema 12-24

13 SENSORES INTELIGENTES Arquitectura general Tema SENSORES INTELIGENTES Evolución SENSORES TRANSMISOR INTELIGENTE 1 2 N M U L T I P L E X O R C A/D DSP Linealización Compensación térmica Calibración Selección sensor Diagnóstico C D/A Diagrama de bloques de un sensor inteligente de la década de 1980 Tema 12-26

14 SENSORES INTELIGENTES Normalización Búsqueda de la armonización entre diferentes tipos de sensores inteligentes y compatibilidad de comunicación. Norma IEEE-P1451: Transducer to Microprocessor Interface Divide el sensor inteligente en dos subsistemas interconectados: STIM (Smart Transducer Interface Module) NCAP (Network Capable Application Processor) Tema SENSORES INTELIGENTES Norma IEEE-P1451 INDEPENDIENTE DE LA RED STIM Contiene: El sensor o sensores SENSOR 1 SENSOR N ACONDICIONAMIENTO DE LAS SEÑALES CONVERSIÓN A/D PUERTO SERIE TEDS Al NCAP El circuito de acondicionamiento STIM El convertidor A/D Un procesador digital que tiene: Una memoria [Transducer Electronic Data Sheet (TEDS)] que almacena información sobre los sensores en forma de tabla que contiene: Datos del fabricante, parámetros de medida, margen estático y dinámico de las variables de entrada y salida, precisión, datos de calibración, etc. Un puerto serie de comunicación con el NCAP. Tema 12-28

15 SENSORES INTELIGENTES Norma IEEE-P1451 NCAP Microcontrolador que implementa el protocolo de comunicación con la red y con el STIM y ejecuta los algoritmos adecuados para configurar este último. ESPECÍFICA PARA LA RED INTERFAZ LOCAL DE USUARIO Al STIM PUERTO SERIE ALGORITMOS DE APLICACIÓN COMUNICACIÓN RED ALMACENAMIENTO DE DATOS ALGORITMO DE CORRECCIÓN NCAP Tema SENSORES INTELIGENTES Norma IEEE-P1451 Interconexión entre el STIM y el NCAP Conexión punto a punto doble simultánea en banda base mediante cuatro hilos. Dos hilos de comunicación (DIN, DOUT) Dos hilos de alimentación (+5 V y común) INDEPENDIENTE DE LA RED ESPECÍFICA PARA LA RED CONVERSIÓN A/D INTERFAZ LOCAL DE USUARIO SENSOR 1 SENSOR N ACONDICIONAMIENTO DE LAS SEÑALES PUERTO SERIE TEDS PUERTO SERIE ALGORITMOS DE APLICACIÓN ALMACENAMIENTO DE DATOS COMUNICACIÓN RED STIM ALGORITMO DE CORRECCIÓN NCAP Tema 12-30

16 SENSORES INTELIGENTES NORMA IEEE-P1451 Ejemplo Tema MICROACTUADORES En recintos muy pequeños es casi imposible utilizar la inducción electromagnética para provocar movimiento, por lo que se han desarrollado los microactuadores que no utilizan la inducción electromagnética. Los principios físicos utilizados son: Fuerzas térmicas Cristales piezoeléctricos Fuerzas electrostáticas Tema 12-32

17 SISTEMA MICROELECTROMECÁNICO [MICROELECTROMECHANICAL SYSTEM (MEMS)] EJEMPLO DE MEMS FLUÍDICO Tema SISTEMA MICROELECTROMECÁNICO [MICROELECTROMECHANICAL SYSTEM (MEMS)] EJEMPLO MECÁNICO Sensor inercial utilizado en la bolsa de aire (Air Bag) de un automóvil Tema 12-34

18 SISTEMA MICROELECTROMECÁNICO [MICROELECTROMECHANICAL SYSTEM (MEMS)] COMPONENTES MICROÓPTICOS (MICRO-OPTICAL COMPONENTS) Utilizados para transmitir señales a gran velocidad. Conmutador microóptico Tema SISTEMA MICROELECTROMECÁNICO [MICROELECTROMECHANICAL SYSTEM (MEMS)] MICROSENSORES Y MICROACTUADORES MECÁNICOS Micromotor Diámetro: 700 µm Tema 12-36

19 BIBLIOGRAFÍA [BALT 95] A. Baltes, C. Azevedo. Sensor in Microsystems. Part I; Chapter 3 of Sensors: A comprehensive survey, Volume 8. VCH Publishers [CHRI 97] W. H. Ko, M. Mehregany and C. C. Lin. Microsensors/ Microactuators in Microelectromechanical Systems (MEMS). Chapter of Electronics Engineers Handbook. D. Christiansen, Editor. McGraw Hill [KOVA 98] [MEIX 95] [TAI 02] G. Kovacs. Micromachined transducers sourcebook. McGraw Hill Hans Meixner. Sensor in Micro and Nanotechnology. Part I; Chapter 1 of Sensors: A comprehensive survey, Volume 8. VCH Publishers Tai-Ran Hsu. MEMS & Microsystems. Design and Manufacture. McGraw Hill Tema 12-37