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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
Introdução aos Microssistemas Curso CCS-UNICAMP ©R.P.Ribas
SumárioSumário
• Introdução e Conceitos Básicos
• Fabricação de Micro-Estruturas
• Dispositivos e Aplicações
• Ferramentas de Auxílio a Projeto
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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, ...
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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
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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
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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)
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Corrosão (Corrosão (EtchingEtching))
substrato
Corrosão : úmida (líquida) e seca (plasma)
SeletivaAnisotrópicaIsotrópica
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CHIP único
CHIP 2 - circuito eletrônicoCHIP 1
ImplementaçãoImplementaçãoHíbrida x MonolíticaHíbrida x Monolítica
AmbienteExterior
SensoresAtuadores
ControleDigital
InterfaceAnalógica
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Fabricação de MicrossistemasFabricação de Microssistemas
AmbienteExterior
SensoresAtuadores
ControleDigital
InterfaceAnalógica
Solução Monolítica
• Processos compatíveis com microeletrônica• Processos específicos para micro-usinagem : LIGA, SCREAM
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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 :
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dispositivos suspensos
membranagravura back-side
• sensor de pressão• isolamento térmico de dispositivos
Interesse :
Back-Side Bulk Micromachining ...
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Etching de Si para micro-usinagem
(trabalho no CCS)
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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 :
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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 ...
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CMOS ES2 1.0um
AsGa PML HEMT 0.2um
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Ataque AnisotrópicoAtaque AnisotrópicoCMOS x GaAsCMOS x GaAs
Silicon (CMOS) AsGa
Soluções de Ataque (úmido)
• CMOS
• AsGa
KOHTMAHEDP
H2SO4
H3PO4
NH4OHÁcido Cítrico
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substrato
pad
transistor open area(contato + via +...)
Camada ResidualCamada Residual
Front-Side Bulk Micromachining ...
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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 :
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• Processo MUMP (MCNC) :
Surface Micromachining ...Surface Micromachining ...
• Processo SUMMiT (Sandia) :
HF
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Surface Micromachining ...Surface Micromachining ...
Integração de Dispositivos EletrônicosIntegração de Dispositivos Eletrônicos
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ResumoResumo
Formas de Micro-Usinagem ...
substrato
Back-SideBulk
Micromachining
Front-SideBulk
Micromachining
SurfaceMicromachining
etching
etching
etching etching
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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.
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Dispositivos TérmicosDispositivos Térmicos
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Isolamento TérmicoIsolamento TérmicoEnergia
Radiante
‘Heaters’
Tmax
Tamb conduçãoconvecçãoradiação
CondutividadeTérmica
substrato
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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
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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
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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
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Atuador por Dilatação TérmicaAtuador por Dilatação Térmica
IDC
Placa dissipadora (Tamb)
• Medidor de Corrente ContínuaIAC
• Medidor de Frequência Analógica