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Introdução aos Microssistemas
Jacobus W. Swart
Substituindo o
Prof. Renato P. Ribas
Introdução aos Microssistemas
Curso CCS-UNICAMP
©R.P.Ribas
Sumário
• Introdução e Conceitos Básicos
• Fabricação de Micro-Estruturas
• Dispositivos e Aplicações
• Ferramentas de Auxílio a Projeto
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Evolução dos Microssistemas
Mercado :
• 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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Motivação
• 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 Microssistemas
Ambiente
Exterior
Sensores
Atuadores
Interface
Analógica
Controle
Digital
• Componentes discretos
• Conversores A/D e D/A
• DSP
• Dispositivos eletrônicos
• Amplificadores
• Registro de dados
• Estruturas micro-usinadas
• Moduladores Sigma-Delta
• Interface digital
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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)
• Micromachining =: processo de fabricação (usinagem)
• Etching =: corrosão, ataque, gravação (gravura)
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Corrosão (Etching)
substrato
Isotrópica
Anisotrópica
Seletiva
Corrosão : úmida (líquida) e seca (plasma)
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Implementação
Híbrida x Monolítica
Ambiente
Exterior
Sensores
Atuadores
CHIP 1
Interface
Analógica
Controle
Digital
CHIP 2 - circuito eletrônico
CHIP único
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Fabricação de Microssistemas
Ambiente
Exterior
Sensores
Atuadores
Interface
Analógica
Controle
Digital
Solução Monolítica
• Processos compatíveis com microeletrônica
• Processos específicos para micro-usinagem : LIGA, SCREAM
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Tipos de Usinagem :
1. Back-Side Bulk Micromachining
substrato
Características :
ataque
• 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)
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Back-Side Bulk Micromachining ...
dispositivos suspensos
membrana
gravura back-side
Interesse :
• sensor de pressão
• isolamento térmico de dispositivos
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Etching de Si para micro-usinagem
(trabalho no CCS)
ETCHING IN KOH+IPA
ETCHING IN KOH
MEMBRANA CIRCULAR
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PAREDE
(54,7°)
/ SUPERFÍCIE PLANAS
MICROPIRÂMIDES (KOH+IPA)
Tipos de Usinagem :
2. Front-Side Bulk Micromachining
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)
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Front-Side Bulk Micromachining ...
Uso de Processos Estandares
solução
de ataque
passivação
dielétrico
pad
open area
(contato +
via +...)
transistor
substrato
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, ...)
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CMOS
ES2 1.0um
AsGa
PML HEMT 0.2um
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Ataque Anisotrópico
CMOS x GaAs
Silicon (CMOS)
AsGa
• CMOS
KOH
TMAH
EDP
• AsGa
H2SO4
H3PO4
NH4OH
Ácido Cítrico
Soluções de Ataque
(úmido)
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Front-Side Bulk Micromachining ...
Camada Residual
pad
transistor
open area
(contato + via +...)
substrato
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Tipos de Usinagem :
3. Surface Micromachining
solução
de ataque
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)
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Surface Micromachining ...
• Processo MUMP (MCNC) :
HF
• Processo SUMMiT (Sandia) :
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Surface Micromachining ...
Integração de Dispositivos Eletrônicos
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Formas de Micro-Usinagem ...
Resumo
Back-Side
Bulk
Micromachining
Front-Side
Bulk
Micromachining
etching
Surface
Micromachining
etching
etching
substrato
etching
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Dispositivos e Aplicações
Exploração das estruturas micro-usinadas
para sensação de estímulos, acionamento e
melhora do desempenho de componentes
eletrônicos.
• dispositivos térmicos
• dispositivos para sistemas ópticos
• micro-estruturas mecânicas
• componentes para circuitos microondas
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Dispositivos Térmicos
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Isolamento Térmico
Energia
Radiante
‘Heaters’
Tmax
Condutividade
Térmica
Tamb
substrato
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condução
convecção
radiação
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Isolamento Térmico...
Componentes Passivos (Resistor)
• TCR = (1/o)(d/dT)
Bolômetro (CMOS)
• Sensor Infra-Vermelho
(matriz de pixels)
V+
R1
Poly-Si
Vout
i
R2
VIntrodução aos Microssistemas
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Termopares Integrados
Efeito Seebeck :
Caracteristicas :
• não há consumo
• fácil leitura (voltímetro)
• não há offset no sinal de saída
• insensível à variações no processo
V1 = 1 . T
Termopar :
V = (1 - 2) . T
T1
T
Micro-usinagem :
T2
T2
Termopilha :
..
.
V = n . (1 - 2) . T
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V
T1
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Aplicação para Termopares
‘Heater’ :
• conversor AC-DC
• sensor de fluxo de gás
• sensor de vácuo
radiação
heater
Radiação :
• sensor infra-vermelho
CMOS
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GaAs
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Atuador por Dilatação Térmica
• Medidor de Corrente Contínua
IDC
• Medidor de Frequência Analógica
IAC
Placa dissipadora (Tamb)
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