Diseño de un acelerómetro basado en tecnología MEMS

Antonio Luque Estepa

Dpto. Ingeniería Electrónica

Práctica de Microsistemas

Contenido

1. Introducción

2. Modelo del acelerómetro

3. Especificaciones

4. Documentación a entregar

5. Datos disponibles

6. Ejemplo de proceso

7. Más información

Introducción

• Diseño de un acelerómetro capacitivo

• Proceso de diseño completo:– Cálculo de dimensiones y parámetros

– Proceso de fabricación

– Dibujo de máscaras

– Presupuesto de fabricación

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

Contenido

1. Introducción

2. Modelo del acelerómetro

3. Especificaciones

4. Documentación a entregar

5. Datos disponibles

6. Ejemplo de proceso

7. Más información

Modelo del acelerómetro

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

Función de transferencia

Nos interesa el funcionamiento cuasi-estático (s=0)

Función de transferencia

Frecuencia natural

Factor de calidad

Sensores capacitivos

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

Tengamos dos electrodos fijos y uno móvil:

Estructura del acelerómetroCombinación de varios sensores capacitivos.Estructura en “peine”

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 masa (con efecto sobre la k total)

Contenido

1. Introducción

2. Modelo del acelerómetro

3. Especificaciones

4. Documentación a entregar

5. Datos disponibles

6. Ejemplo de proceso

7. Más información

EspecificacionesSensibilidad

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

Ancho de banda

Criterios de diseño

• Optimización– Económica

– En espacio

– De las características

• Cualquier decisión de diseño debe justificarse

• Siempre cumpliendo las especificaciones mínimas

Contenido

1. Introducción

2. Modelo del acelerómetro

3. Especificaciones

4. Documentación a entregar

5. Datos disponibles

6. Ejemplo de proceso

7. Más información

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.

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

Contenido

1. Introducción

2. Modelo del acelerómetro

3. Especificaciones

4. Documentación a entregar

5. Datos disponibles

6. Ejemplo de proceso

7. Más información

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

Ejemplo de flujo de proceso

1. Pasos previos

• Elección del tipo de sustrato– Parámetros: espesor,

resistencia mecánica, resistividad, diámetro,...

• Limpieza previa del sustratoSilicio <100>, SSP, 380

um, 100mm

2. Deposición SiN

• Espesor necesario

• Método de deposición

• ⇒ Tiempo de deposición

• Deposición siempre sobre todo el sustrato (ambos lados)

200 nm, LPCVD, 20 min

2. Deposición BPSG

• Espesor necesario

• Método de deposición

• ⇒ Tiempo de deposición

2 um, PECVD, 40 min

3. Deposición fotorresina

• Tipo de fotorresina (positiva/negativa)

• Espesor y modelo suelen estar normalizados

S1818, 1.8 um

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

3. Revelado

• Proceso totalmente estándar, no hay parámetros que definir

4. Grabado BPSG

• Profundidad deseada

• Selectividad respecto a otros materiales afectados

• Tipo de ataque (iso/aniso, húmedo/seco)

• ⇒Tiempo

BHF (húmedo), 3 min

4. Eliminación fotorresina

• Proceso estándar, sin apenas parámetros que definir

Stripper, 1 min

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

6. Fotolitografía

• Mismos pasos que en la fotolitografía anterior

• Tipo de fotorresina y polaridad de la máscara

Máscara con fondo transparente

7. Grabado Al

• Profundidad deseada

• Selectividad respecto a otros materiales afectados

• Tipo de ataque (iso/aniso, húmedo/seco)

• ⇒Tiempo

Al etch (húmedo), 45 s

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

9. Pruebas y medidas

• Verificación óptica

• Imágenes SEM

• Medidas de resistividad, espesores, frecuencias,...

• Pruebas de comportamiento

Otros procesos posibles

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

• Acceso eléctrico al sustrato. Hay que añadir pasos al proceso

Resultado final

Contenido

1. Introducción

2. Modelo del acelerómetro

3. Especificaciones

4. Documentación a entregar

5. Datos disponibles

6. Ejemplo de proceso

7. Más información

Acelerómetros existentes

Acelerómetros existentes

Acelerómetros existentes

Acelerómetros existentes

Acelerómetros existentes

Más información

• Plazo de entrega– Lunes 6 de junio de 2005

• Enunciado y presentación en http://www.gte.us.es/ASIGN/SEA

Más información

• Profesor de prácticas: Antonio Luque Estepa aluque@gte.esi.us.es

• Ubicación del despacho: L2-P1-S62

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