Diseño de un acelerómetro basado en tecnología MEMS

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Diseño de un acelerómetro

basado en tecnología MEMS

Antonio Luque Estepa

Dpto. Ingeniería Electrónica Práctica de Microsistemas

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Contenido

1. Introducción

2. Modelo del acelerómetro 3. Especificaciones

4. Documentación a entregar 5. Datos disponibles

6. Ejemplo de proceso 7. Más información

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Introducción

• Diseño de un acelerómetro capacitivo • Proceso de diseño completo:

– Cálculo de dimensiones y parámetros – Proceso de fabricación

– Dibujo de máscaras

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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

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Contenido

1. Introducción

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Modelo matemático

Aceleración del marco de referencia (sistema no inercial) equivale a una fuerza sobre la masa en el marco fijo

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Función de transferencia

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Función de transferencia

Frecuencia natural

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Sensores capacitivos

Vamos a medir el desplazamiento mediante un cambio en la capacidad.

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Estructura del acelerómetro

Combinación de varios sensores capacitivos. Estructura en “peine”

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Deformación de una viga

Con E módulo de Young (propiedad del material), W

ancho, H espesor, y L longitud total.

Viga apoyada en los extremos, con fuerza aplicada en el centro

¡OJO! En el acelerómetro hay dos vigas que sostienen a la

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Contenido

1. Introducción

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Especificaciones

Sensibilidad

Fondo de escala (rango). Limitado por el margen de movimiento de los electrodos

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Criterios de diseño

• Optimización

– Económica – En espacio

– De las características

• Cualquier decisión de diseño debe justificarse

• Siempre cumpliendo las especificaciones mínimas

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Contenido

1. Introducción

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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 1000000 uds. • Hoja de características: dimensiones,

sensibilidad, rango, frecuencia de resonancia y ancho de banda.

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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

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Contenido

1. Introducción

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Ejemplo de flujo de proceso

•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 Viga suspendida

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1. Pasos previos

• Elección del tipo de sustrato

– Parámetros: espesor, resistencia mecánica, resistividad, diámetro,...

• Limpieza previa del sustrato

Silicio <100>, SSP, 380 um, 100mm

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2. Deposición SiN

• Espesor necesario • Método de deposición • _⇒ Tiempo de deposición • Deposición siempre sobre todo el sustrato (ambos lados)

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2. Deposición BPSG

• Espesor necesario

• Método de deposición • _⇒ Tiempo de

deposición

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3. Deposición fotorresina

• Tipo de fotorresina (positiva/negativa) • Espesor y modelo suelen estar normalizados S1818, 1.8 um

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3. Exposición UV

• Máscara fabricada

previamente, acorde al tipo de resina

• El tiempo suele ser estándar

• ¡Atención a la polaridad de la máscara!

18 s, máscara con fondo opaco

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3. Revelado

• Proceso totalmente estándar, no hay

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4. Grabado BPSG

• Profundidad deseada • Selectividad respecto a otros materiales afectados • Tipo de ataque (iso/aniso, húmedo/seco) • _⇒Tiempo BHF (húmedo), 3 min

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4. Eliminación fotorresina

• Proceso estándar, sin apenas parámetros que definir

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5. Deposición Al

• Espesor necesario • Método de deposición • _⇒ Tiempo de deposición • Deposición siempre en toda la superficie del sustrato

Evaporador efecto Joule, 0.5 um, 100 min

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6. Fotolitografía

• Mismos pasos que en la fotolitografía anterior

• Tipo de fotorresina y polaridad de la máscara

Máscara con fondo transparente

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7. Grabado Al

• Profundidad deseada • Selectividad respecto a otros materiales afectados • Tipo de ataque (iso/aniso, húmedo/seco) • _⇒Tiempo Al etch (húmedo), 45 s

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8. Grabado BPSG

• Profundidad deseada • Selectividad respecto a otros materiales afectados • Tipo de ataque (iso/aniso, húmedo/seco) • _⇒Tiempo • Peligro en el secado BHF (húmedo), 3 min

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9. Pruebas y medidas

• Verificación óptica • Imágenes SEM • Medidas de resistividad, espesores, frecuencias,... • Pruebas de comportamiento

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Otros procesos posibles

• Contactos eléctricos desde el cantilever. Se puede hacer cambiando las máscaras

• Acceso eléctrico al

sustrato. Hay que añadir pasos al proceso

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Contenido

1. Introducción

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Más información

• Plazo de entrega

– Lunes 6 de junio de 2005

• Enunciado y presentación en

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Más información

• Profesor de prácticas: Antonio Luque Estepa

[email protected]

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Bibliografía

• Marc J. Madou, Fundamentals of Microfabrication, CRC Press, 1997 • N. Yazdi et al., “Micromachined

inertial sensors”, Proc. IEEE, vol. 86, pp. 1640-1659, 1998

• Stephen D. Senturia, Microsystem design, Kluwer Academic, 2001