CÁLCULO DE ERROR DE LOS RESULTADOS DE ANSYS

VALOR TEORICO VALOR DE ANSYS % DE ERROR

DEFLEXION 1.556 1.579 1.47

FRECUENCIA 1444.4 1490 3.17

ESFUERZOS 0.3023 0.29215 3.3576

DR/R -0.000309 -0.0002767 10.43

Tabla 4.11: Calculo de error

Con estos datos se puede apreciar el compromiso que existe entre las características del acelerómetro, y se ven expuestas en la grafica 4.21.

VARIACION DE PARAMETROS RESPECTO AL ESPESOR DEL VOLADIZO 0 20 40 60 80 100 120 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9

ESPESOR DE LA BASE [m icras]

Frecuencia Deflexión Sensibilidad

Figura 4.21: Resaltado de ANSYS para la relación entre las características del acelerómetro.

5 FABRICACION

El objetivo de este capitulo no es de explicar en que consisten las diversas técnicas utilizadas para la fabricación del acelerómetro, en vez de se busca describir los pasos que se deben seguir para conseguir convertir el diseño en realidad.

La fabricación de este dispositivo, como ya se mencionó, fue realizada en 1979 por Lynn Roylance y James Angell, y esta basada en la técnica de micromaquinado. Se busca difundir una resistencia en la superficie de un bloque de silicio y separar un voladizo de sus alrededores grabando (etching) desde los dos lados del bloque usando un grabado anisotrópico. El dispositivo que se desea fabricar es el mostrado en a figura 3.5.

Como se discutió en la sección 3.1, la dirección en que este orientado los cristales del silicio es muy importante, dado que los coeficientes piezorresistivos dependen de su ubicación. El material inicial será tipo n <100>.

El primer paso consiste en grabar huecos en la superficie de la galleta, para registrar los patrones deseados, es decir la vista superior e inferior del voladizo. A continuación se crece una capa de oxido en la cara superior e inferior y se realiza un proceso de fotolitografía y difusión con el propósito de formar los contactos y la resistencia que será de tipo n con un bajo dopaje para conseguir un aumento en los coeficientes piezorresistivos. El oxido de la capa superior es retirado mientras que en la posterior es dejado como mascara.

Seguido de esto se coloca una capa muy fina de oxido de silicio en la superficie para protegerla, se abren ventanas en el oxido de la capa inferior y por estas ventanas se empieza un ataque utilizando KOH, dándole la forma a la masa de prueba, hasta que se tenga el alto del área

________________________

¾ L. M. Roylance y J. B. Angell, “A batch fabricated silicon accelerometer”. IEEE Trans. Electrón Devices, vol. ED-26 no. 12 pp. 1911-1917, Diciembre 1979.

transversal del voladizo deseado la cual es de 3 µm. Además se realiza el grabado en el otro extremo de la masa de prueba para crear un soporte. El proceso es mostrado en la figura 5.1.

Región donde se colocará el vidrio

Vista superior

Vista lateral

Vista Superior

Vista Lateral

Masa

Voladizo

Vista frontal y trasera

Figura 5.1: Vistas de la masa y el voladizo.

Después de tener el voladizo con la masa y los soportes, se procede a utilizar los soportes para encapsular el sistema. Para realizar el encapsulamiento se utiliza vidrio de unos 200 µm de espesor, que sea un poco conductivo a la temperatura de enlace del silicio y cuya coeficiente de expansión iguale el del silicio. Desafortunadamente el vidrio no es tan fácil de grabar como el silicio, por lo que se debe para crear sus bordes interiores se cubren con una mascara de solución de 30 % de HNO3 (Acido Nítrico) y una mezcla un 70 % de HF (Acido Fluorhídrico) y cromo-oro a 48 °C hasta lograr crear una cavidad que sea como mínimo de 150 µm en cada tapa. Después esta mascara es retirada, se deposita aluminio en el vidrio superior y se le coloca los caminos metálicos que serán la salida del sistema.

Por ultimo se alinea el silicio y el vidrio, y se realiza una soldadura anódica1, la cual consiste en elevar la temperatura a 400 °C, y aplicar 600 V entre el vidrio y el silicio. Esta técnica reduce los esfuerzos mecánicos producidos por el encapsulado.

________________________

1 _{Para mas información sobre la soldadura anódica referirse a José Antonio Plaza Plaza, “µAcelerómetros de silicio”.}

6 CONCLUSIONES

La primera aproximación al diseño de un acelerómetro a escala micrométrica, como en la mayoría de aplicaciones MEMS, debe enfocarse en entender su principio de funcionamiento como si fuera un sistema a escala macro. De este funcionamiento, en el caso de los acelerómetros, debe quedar claro que esta basado en obtener una medida de un desplazamiento que es causado a una masa que es sometida a una aceleración. Entendido esto el diseñador, debe comparar las diversas opciones que ofrece la tecnología de MEMS para cumplir este objetivo, teniendo presente las ventajas y limitaciones que cada uno de ellos puede llegar a ofrecer a la aplicación en la cual se desempeñara el acelerómetro.

La deflexión, el esfuerzo y la frecuencia natural son las características mas importantes al diseñar un acelerómetro tipo voladizo, al todas depender del momento de inercia del área transversal del voladizo, se convierte en la herramienta fundamental para realizar la variación sus características. Existe un compromiso que obliga que al desear mayor sensibilidad, se aumentara la deflexión (por lo tanto el rango máximo de aceleración) y se disminuirá el ancho de banda.

Construir un modelo utilizando un modelo de elementos finitos consta los siguientes pasos fundamentales:

• Definición de la geometría. • Definición de los elementos.

• Definición de las propiedades de los materiales, teniendo en cuenta el análisis a realizar. • Definición del enmallado.

• Definición de las cargas. • Solución.

• Post procesamiento

En estos paso se debe tener mucho cuidado, al tener en cuenta que se esta trabajando con dimensiones muy pequeñas que pueden generar errores de procesamiento y problemas con la

forma de los elementos. Para solucionar esto se debe colocar las unidades de todo el diseño en µMKSV y además se debe tomar tiempo para dedicar al enmallado.

ANSYS presenta herramientas bastante poderosas para realizar modelos eléctro-mecánicos ya que posee una gran variedad de elementos que permiten el acople de estos dos dominios.

Se logro mostrar que ANSYS es una herramienta confiable, demostrando que los errores comparados con las aproximaciones teóricas son bastante aceptables lo cual puede ser aprovechado por los ingenieros electrónicos para simular eventos mecánicos sin necesidad de ser expertos en mecánica.

La fabricación de este tipo de dispositivos no es tan complicada, pero se debe tener demasiado cuidado en mantener las características homogéneas del material que forma el acelerómetro, para poder mantener todas las aproximaciones hechas en la teoría.