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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


3. Especificaciones





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


3. Especificaciones





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


3. Especificaciones





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


3. Especificaciones





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




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




• 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




• ⇒Tiempo

Al etch (húmedo), 45 s

8. Grabado BPSG




• ⇒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


3. Especificaciones





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 [email protected]

• 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

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