Diseño de un acelerómetro basado en tecnología MEMS

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Samuel Maidana Henríquez
hace 6 años
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1 Práctica de Microsistemas Diseño de un acelerómetro basado en tecnología MEMS Antonio Luque Estepa Dpto. Ingeniería Electrónica

2 Contenido 1. Introducción 2. Modelo del acelerómetro 3. Especificaciones 4. Documentación a entregar 5. Datos disponibles 6. Ejemplo de proceso 7. Más información

3 Introducción Diseño de un acelerómetro capacitivo Proceso de diseño completo: Cálculo de dimensiones y parámetros Proceso de fabricación Dibujo de máscaras Presupuesto de fabricación

4 Funcionamiento general La aceleración provoca un movimiento en el sensor El movimiento provoca un cambio en la capacidad de dos condensadores El circuito hace que cambie la tensión de salida

5 Contenido 1. Introducción 2. Modelo del acelerómetro 3. Especificaciones 4. Documentación a entregar 5. Datos disponibles 6. Ejemplo de proceso 7. Más información

6 Modelo del acelerómetro

7 Modelo matemático Aceleración del marco de referencia (sistema no inercial) equivale a una fuerza sobre la masa en el marco fijo donde a es la aceleración que se desea medir

8 Función de transferencia Nos interesa el funcionamiento cuasi-estático (s=0)

9 Función de transferencia Frecuencia natural Factor de calidad

10 Sensores capacitivos Vamos a medir el desplazamiento mediante un cambio en la capacidad. Tengamos dos electrodos fijos y uno móvil:

11 Estructura del acelerómetro Combinación de varios sensores capacitivos. Estructura en peine

Deformación de una viga Viga apoyada en los

12 Deformación de una viga Viga apoyada en los extremos, con fuerza aplicada en el centro Con E módulo de Young (propiedad del material), W ancho, H espesor, y L longitud total. OJO! En el acelerómetro hay dos vigas que sostienen a la masa (con efecto sobre la k total)

13 Contenido 1. Introducción 2. Modelo del acelerómetro 3. Especificaciones 4. Documentación a entregar 5. Datos disponibles 6. Ejemplo de proceso 7. Más información

14 Especificaciones Sensibilidad Fondo de escala (rango). Limitado por el margen de movimiento de los electrodos Ancho de banda

15 Criterios de diseño Optimización Económica En espacio De las características Cualquier decisión de diseño debe justificarse Siempre cumpliendo las especificaciones mínimas

16 Contenido 1. Introducción 2. Modelo del acelerómetro 3. Especificaciones 4. Documentación a entregar 5. Datos disponibles 6. Ejemplo de proceso 7. Más información

17 Documentación a entregar Breve memoria del proceso de diseño Proceso de fabricación, con el formato especificado Dibujos de las máscaras, con marcas de alineación (marcas de referencia) Prespuestos para 1, 1000 y uds. Hoja de características: dimensiones, sensibilidad, rango, frecuencia de resonancia y ancho de banda.

18 Datos disponibles Lista de materiales que se pueden usar Propiedades de los materiales: densidad, módulo de Young, resistividad, tensión de rotura Lista de procesos, con costes Tasas de grabado No todos los datos y procesos son necesarios

19 Contenido 1. Introducción 2. Modelo del acelerómetro 3. Especificaciones 4. Documentación a entregar 5. Datos disponibles 6. Ejemplo de proceso 7. Más información

20 Ejemplo de flujo de proceso Viga suspendida Pasos previos Deposiciones aislante y capa de sacrificio Fotolitografía apoyos Apertura apoyos Deposición cantilever Fotolitografía cantilever Formación cantilever Liberación de la estructura Pruebas y medidas

21 Ejemplo de flujo de proceso

22 1. Pasos previos Silicio <100>, SSP, 380 um, 100mm Elección del tipo de sustrato Parámetros: espesor, resistencia mecánica, resistividad, diámetro,... Limpieza previa del sustrato

23 2. Deposición SiN Espesor necesario Método de deposición 200 nm, LPCVD, 20 min Tiempo de deposición Deposición siempre sobre todo el sustrato (ambos lados)

24 2. Deposición BPSG Espesor necesario Método de deposición Tiempo de deposición 2 um, PECVD, 40 min

25 S1818, 1.8 um 3. Deposición fotorresina Tipo de fotorresina (positiva/negativa) Espesor y modelo suelen estar normalizados

26 3. Exposición UV 18 s, máscara con fondo opaco Máscara fabricada previamente, acorde al tipo de resina El tiempo suele ser estándar Atención a la polaridad de la máscara!

27 3. Revelado Proceso totalmente estándar, no hay parámetros que definir

28 4. Grabado BPSG BHF (húmedo), 3 min Profundidad deseada Selectividad respecto a otros materiales afectados Tipo de ataque (iso/aniso, húmedo/seco) Tiempo

29 4. Eliminación fotorresina Proceso estándar, sin apenas parámetros que definir Stripper, 1 min

30 5. Deposición Al Espesor necesario Método de deposición Evaporador efecto Joule, 0.5 um, 100 min Tiempo de deposición Deposición siempre en toda la superficie del sustrato

31 6. Fotolitografía Mismos pasos que en la fotolitografía anterior Tipo de fotorresina y polaridad de la máscara Máscara con fondo transparente

32 7. Grabado Al Al etch (húmedo), 45 s Profundidad deseada Selectividad respecto a otros materiales afectados Tipo de ataque (iso/aniso, húmedo/seco) Tiempo

33 8. Grabado BPSG BHF (húmedo), 3 min Profundidad deseada Selectividad respecto a otros materiales afectados Tipo de ataque (iso/aniso, húmedo/seco) Tiempo Peligro en el secado

34 9. Pruebas y medidas Verificación óptica Imágenes SEM Medidas de resistividad, espesores, frecuencias,... Pruebas de comportamiento

35 Otros procesos posibles Contactos eléctricos desde el cantilever. Se puede hacer cambiando las máscaras Acceso eléctrico al sustrato. Hay que añadir pasos al proceso

36 Resultado final

37 Contenido 1. Introducción 2. Modelo del acelerómetro 3. Especificaciones 4. Documentación a entregar 5. Datos disponibles 6. Ejemplo de proceso 7. Más información

38 Acelerómetros existentes

39 Acelerómetros existentes

40 Acelerómetros existentes

41 Acelerómetros existentes

42 Acelerómetros existentes

43 Más información Plazo de entrega Lunes 6 de junio de 2005 Enunciado y presentación en

44 Más información Profesor de prácticas: Antonio Luque Estepa Ubicación del despacho: L2-P1-S62

45 Bibliografía Marc J. Madou, Fundamentals of Microfabrication, CRC Press, 1997 N. Yazdi et al., Micromachined inertial sensors, Proc. IEEE, vol. 86, pp , 1998 Stephen D. Senturia, Microsystem design, Kluwer Academic, 2001

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