diseño de mems - sivea.uson.mx
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DISEÑO DE
MEMSRESPONSABLE: DR. ANTONIO RAMOS CARRAZCO
CONTACTO: ANTONIO.RAMOS@UNISON.MX
COLABORADORES:
DR. DAINET BERMAN MENDOZA
DRA. ALICIA VERA MARQUINA
DR. ROBERTO GOMEZ FUENTES
DRA. ANA LILIA LEAL CRUZ
INGENIERÍA EN TECNOLOGÍA ELECTRÓNICA
DEPARTAMENTO DE INVESTIGACIÓN EN FÍSICA
INTRODUCCIÓN A LOS CONCEPTOS DE LOS SISTEMAS MICRO-ELECTRO-MECÁNICOS (MEMS) Y EJERCICIOS
TEMARIO
TEMA 1: CONCEPTO DE MEMS , ESCALAMIENTO Y FUNDAMENTOS
TEMA 2: PROPIDEDAS DE LOS MATERIALES EN MEMS: SILICIO
TEMA 3: RESISTIVIDAD DE HOJA EN MEMS
TEMA 4: EFECTO DE LA ORIENTACIÓN CRISTALINA EN LOS MEMS
TEMA 5: FUNDAMENTOS Y CONCEPTOS DEL CANTILEVER
TEMA 1: CONCEPTO: MICRO-ELECTRO MECHANICAL SYSTEMS (MEMS)
Integración
Sensores
Elementos mecánicos
Actuadores
Electrónica (sobre silicio)
COMPARACIÓN DISPOSITIVOS ELECTRÓNICOS VS MEMS
Electrónica
Fabricación usando
secuencia del proceso
de circuitos integrados
MEMs
Fabricación usando procesos
de micro-maquinado
compatibles con las obleas de
silicio
SYTEMS ON A CHIP: FUTURO DE MEMS
CARACTERÍSTICAS DE MEMS
Estrictamente son dispositivos pequeños
No necesariamente son dispositivos hechos en silicio
Debe ser atractivo para aplicaciones mecánicas
Las partes del sistema MEM se conciben como procesos y materiales
El análisis del sistema MEM se hace virtualmente
ERRORES COMUNES EN EL ANÁLISIS DE MEMS
Si la información del material es errónea, se verá reflejado en la
simulación del sistema MEM
El software utilizado es ideal para obtener resultados positivos
Es posible utilizar diseños de PRUEBA-ERROR
ESTADO ACTUAL DE LA INVESTIGACIÓN
Los mayores restos
de MEMs
1. Diseño concurrente de dispositivos y procesos
2. Empaquetamiento
3. Falta de estándares a través de la industria
4. Metodología para el diseño y madurez de sus
herramientas
SOFTWARE PARA ANÁLISIS DE DISEÑO DE MEMS
MEMCAD COVENTOR
INTELLISUITE MEMSCAP
SOFTWARE PARA ANÁLISIS DE DISEÑO DE MEMS
NUEVOS
SISTEMAS PARA
DISEÑOY
SIMULACIÓN
DE MEMS
COMSOL
MULTIPHYSICS
FUNDAMENTOS DE MEMS
Minimizar componentes: pocas mascaras, pasos de fabricación
Desarrollar diseños modulares: componentes con interfaces estándar
que se ensambles a otros más complejos
Uso de componentes estándar: pasos de fabricación y empaquetamiento
estándar (EVITAR PARTES HECHAS A LE MEDIDA)
Diseñar partes para multi-uso
Diseño para fácil manufactura: empleando materiales existentes,
procesos, etc.
TIPOS DE REQUISITOS PARA CAD
Fase de diseño conceptual
Fase de nivel de producto
PROCESOS
MEMS
SELECCIÓN DE
MATERIAL
PARA LOS
PROCESOS
DISEÑO DE MEMS: CAD (COMPUTER-AIDED DESIGN)
RESUMEN DE
CAD PARA
MEMS Y
HERRAMIENTAS
DE
SIMULACIÓN
METODOLOGÍA
DEL DISEÑO DE
MEMS
RICHARD P.
FEYNMAN
1959
PROPUESTA
DE TRABAJAR
EN PEQUEÑAS
ESCALAS:
CAPACIDAD DEL SER HUMANO
400,000 AÑOS
ATRÁS….
El hombre ha construido objetos:
Dos ordenes de magnitud mas
grandes de su tamaño
O dos ordenes de magnitud mas
pequeñas
ESCALA DE LAS
COSAS EN
METROS:
CLASIFICACIÓN
DE OBJETOS
SEGÚN LA
ESCALA:
MEMS
Se refieren a dispositivos
que tienen una longitud
característica menor a 1
mm y mayor a 1 µm
Tienen escalas menores en
comparación al diámetro de
un cabello.
MEMS MÁS CONOCIDOS
ACTUALIDAD:
NEMS
LOS FENÓMENOS EN CADA ESCALA
Fuerza de gravedad
EFECTO DE LA
GRAVEDAD ENTRE
OBJETOS
ESCALA Y
UNIDADES
FACTOR DE
ESCALA S
EN EL
MICRODOMINIO
INVESTIGACIÓN
Como se afectan los siguientes parámetros cuando la escala se reduce:
a) Volumen
b) Tensión superficial
c) Fuerza electrostática
d) Fuerzas magnéticas
e) Fuerzas gravitacionales
TEMA 2: PROPIEDADES DE LOS MATERIALES EN MEMS:
SILICIO
DEFINICIONES
SISTEMAS COMPATIBLES CON EL MATERIAL SILICIO: MEMS
Silicon
Silicon oxides
Silicon nitrides
Silicon carbides
MANUFACTURA DE SILICIO
MECÁNICAMENTE
EL SILICIO ES UN
MATERIAL
ELÁSTICO AND
ROBUSTO
EN LA ACTUALIDAD…
Obleas de silicio de ultra-
alta pureza son utilizadas
en MEMSObleas silicio de grado
electrónico para algunas
aplicaciones
OBLEAS DE RELATIVAMENTE BAJO COSTO
10 dlls
100 mm (4 pulgadas)
diámetro
15 dlls
150 mm (6 pulgadas)
diámetro
Nota: Diámetros mayores es considero injustificable para MEMS
FUNDAMENTOS: SILICIOCOMO ELEMENTO
EXISTE EN 3 DIFERENTESESTRUCTURAS:
Usualmente
depositados como
películas delgadas substrato
Espesor < 5 µm
Nota: cuando 5 micrómetros eran considerados una película delgada!
EN UNA OBLEA: LAS MUECAS SON PRIMARIAS AND SECUNDARIAS
ILUSTRATACIÓN IDENTIFICANDO VARIOS PLANOS EN UNA OBLEA DE ORIENTACIÓN {100}
VISTA DE LA PERSPECTIVA DE UNA OBLEA {100} Y DE ATAQUE QUÍMICO CON KOH EN PLANOS {111}
Conductividad térmica del Silicio
Mayor que la de otros metales
y aproximadamente 100 veces
mayor que la del vidrio.
APLICACIÓN:
DISPIRADOR
OBTENIDO CON
SILICIO
POR OTRO
LADO: SILICIO
NO ES
MATERIAL
EMISOR DE LUZ
EL SILICIO IS
EFECTIVO
UNICAMENTE
EN LA
DETECCIÓN DE
LUZ
REFLECTIVIDAD
DE SILICIOY
ALGUNOS
METALES
El Silicio mantiene su integridad mecánica a temperaturas de
alrededor de 700 °C
A temperaturas más altas, el silicio empieza a suavizarse y una
deformación plástica puede ocurrir bajo condiciones de carga
La superficie del silicio se oxida inmediatamente bajo la
exposición con el oxigeno del aire (Oxido Nativo)
El espesor del oxido se auto-limita a algunas cuantos de
nanómetros a temperatura ambiente.
Para MEMS: Procesos
de Películas delgadas
metálicas
Depósito de
películas metálicas
sputtering
Depósito por vapor químico
Evaporación térmica
Electroplatedo:
• Oro
• Níquel
• Permalloy (NiFe)
METALESY
COMPUESTOS
CONDUCTIVOS
Para conexiones eléctricas, el aluminio es el más común pero su operación está
limitada a ambientes no corrosivos y temperaturas por debajo de 300 °C
ALUMINIO: CONEXIONES
ELECTRICAS
ALUMINIO ES
RELATIVEMENTE
SIMPLE DEPOSITAR
POR SPUTTERING
Los iones en el plasma son
acelerados hacia el cátodo, los
cuales bombardean átomos
neutros desde la superficie del
cátodo
Los átomos expulsados son
colectados sobre todas las
superficies incluyendo la del
substrato
DIAGRAMA ESQUEMATICO DE UN SISTEMA
SPUTTERING
USO DE
POLÍMEROS:
MEMS
Espesores variados desde algunos nanómetros hasta to
cientos de micrómetros
La foto resina es ampliamente usada para realizar
procesos de aplicaciones de máscaras
TEMA 3:
RESISTIVIDAD DE
HOJA EN MEMS
DIFERENCIAS ENTRE LA
RESISTIVIDAD VS LA RESISTIVIDAD
DE LA SUPERFICIE
La conductividad eléctrica de un semiconductor depende del número de las cargas en el
volumen:
La concentración de electrones:
“n” [electrones/cm3]
La concentración de huecos:
“p” [huecos/cm3]
CAMPO
ELÉCTRICO
MOVILIDAD Y CONCENTRACIÓN DE PORTADORES EN EL
SILICIO: MEMS
Para materiales intrínsecos:
La magnitud de ni es una función de la
energía de la banda prohibida y la
temperatura:
A temperatura ambiente
ni = 1.5 X 1010 /cm3
EN DISPOSITIVOS
MEMS:
Los semiconductores contaminados tipo extrínseco son usados.
Nd: Concentración de donadores
Na: Concentración de aceptores
El proceso de contaminación controlado
La inyección de átomos en un volumen:
Concentración of cargas negativas:
• Electrones
• Átomos aceptores Ionizados (Na-)
La neutralidad de carga se mantiene siempre
Concentración de cargas positivas:
• Huecos
• Átomos donadores Ionizados (Nd+)
La condición de neutralidad de carga
Para la concentración
de electrones:
Para la concentración
de huecos:
TAREA: Calculo de la concentración de portadores:
Considere una pieza de silicio a temperatura ambiente y en equilibrio térmico.
Este semiconductor está contaminado con Boro con una concentración de 1016 átomos/cm3.
Encuentre: concentración de huecos y electrones . Asuma que los átomos contaminantes
están ionizados.
Conductividad and resistividad
Conductividad
electrones
huecos
+Conductividad
total
Derrape de
portadores
Portadores de carga libres
Influencia de un campo
eléctrico
¿Qué tan rápido puede moverse un
portador de carga libre?
Portador de carga
libre
Cuando colisiona con los
átomos de la red
movimiento
modificado
Velocidad promedio (V)
Movilidad = V / E
V/mm/s
• Concentración de contaminantes
• Temperatura
• Orientación cristalina
¿De que depende?
Camino libre medio(d)
Distancia promedio que un portador de carga viaja entre dos colisiones sucesivas
El tiempo promedio entre dos colisiones sucesivas es llamado el
tiempo promedio libre (t)
d = V x t
Conociendo la concentración de portadores y su velocidad:
Podemos obtener una expresión para la
conductividad del semiconductor en volumen
A partir de la ley de Ohm:
“La resistividad en volumen (𝜌) asociada con un material es
proporcionalmente constante entre un campo eléctrico aplicado y la
densidad de corriente J”
E = 𝜌J
Conductividad en términos de E y J
J / E = 𝜎
Análisis de un elemento
Resistor hecho de un
semiconductor
Corriente I bajo un
voltaje aplicado V
Ejercicio: Define la conductividad contribuida
por electrones en el elemento resistor basado
en semiconductor
• Limitar el análisis a una caja de aislada
del volumen semiconductor
• La longitud de la caja es paralela a la
dirección del movimiento de las
cargas
• La longitud es elegida como el
camino libre promedio de los
electrones
• Las densidades de corriente de la caja
y del volumen del semiconductor son
idénticas.
Consideraciones:
Análisis de la caja para el elemento resistor:
1. La densidad de corriente asociad a la caja es la carga
total pasando en un periodo de tiempo dividida en la
sección transversal (A)
2. El monto total de carga dentro del volumen en
cualquier instante Q, se iguala al producto:
concentración de portadores, volumen de la caja y
carga unitaria, q.
3. Debido a que la longitud de la caja es d, estas cargas
deben pasar por la sección en un tiempo t.
La conductividad contribuida
por electores:
La conductividad contribuida
por huecos:
La conductividad total:
TAREA: Cálculo de la conductividad and resistividad
La concentración de portadores intrínseco (ni) del silicio a temperatura ambiente es de 1.5 X 1010 /cm3. Una
pieza de silicio esta contaminada con fosforo con una concentración de 1018 cm-3. La movilidad de los electrones
y huecos en el silicio son de aproximadamente 1350 cm2/V-s y de 480 cm2/V-s, respectivamente.
Encontrar la resistividad del silicio en volumen.
La resistencia está definida por la relación entre la caída de voltaje y la
corriente de la carga:
La caída de voltaje total es el
producto del campo y la longitudLa corriente es el producto de la
densidad de corriente y la
sección transversal
Resistividad de superficie
o de hoja
TAREA 2: Resistividad de hoja
Continuando con el problema anterior, si una capa contaminada tiene un espesor de 1 micrómetro y tiene un
espesor contaminado uniforme en la capa, encuentre la resistividad de hoja. Un elemento resistor está
definido usando la capa contaminada con las geometrías de la siguiente figura:
¿Cuál es la resistencia del elemento en (a)? ¿Qué tanto calor será generado por el elemento resistivo cuando
una corriente de 1 mA pasa a través de éste? ¿Cuál es el valor de la resistencia para el elemento de la figura (b)?
Resistividad de hoja
Planos cristalinos y orientaciones
Átompos de silicio en la red cristalina están ordenados
Vistas de la
sección
transversal
TEMA 4: EFECTO DE LA ORIENTACIÓN CRISTALINA EN MEMS
Propiedades de los
materiales
• Modulo de elasticidad
• Movilidad
• Piezoresistividad
Ataque químico
Depende de la
orientación
Densidad de Empaquetamiento Atómico
Diferente de acuerdo con los planos Anisotropia cristalina para las
propiedades eléctricas y
mecánicas
Las Obleas de silicio comerciales usadas en:
Dispositivos
electrónicosOrientación
Metal-oxido-
semiconductor
<100>
Transistor Bipolar
<100> MEMs
<111>
Tensión y deformación
La tensión mecánica se puede dividir en dos
categorías:
A) Tensión normal
B) Tensión Cortante
Las tres leyes de Newton:
La tensión es desarrollada en
respuesta a la carga mecánica
Para casos simples del análisis de la
tensión normal:
Considera una barra
con sección transversal
sujeta a una carga
Si jalamos la barra en dirección longitudinal: se experimentará tensión y la
longitud de la barra incrementará
• La tensión interna es
expuesta si se hace un corte
imaginario
• Una fuerza es encontrada
actuando sobre el área
completa
La intensidad de esta fuerza es conocida como Tensión
Si la tensión actúa en la dirección perpendicular a la sección transversal:
TENSIÓN NORMAL
TENSIÓN NORMAL (σ)
Fuerza aplicada
área
Unidades:
N/m2 or Pa
TENSIÓN
NORMAL
TENSIÓN
CORTANTE
La unidad de elongación de la barra representa la deformación:
DEFORMACIÓN
UNITARIA
La deformación resultante
(ε o s)
Suponga que la barra de acero
tiene una longitud original
denotada como L0:
La tensión aplicada a lo
largo del eje x no
únicamente produce una
elongación longitudinal
SE OBTIENE UNA REDUCCIÓN DE LA
SECCION TRANSVESAL
La tensión y la deformación están relacionadas directamente
Bajo una pequeña deformación, los términos de tensión y deformación son
proporcionales de acuerdo con :
Modulo de elasticidad
(Modulo de Young)
Ejercicio: Deformación y Tensión
Un cilindro de silicio es tensado desde sus dos extremos con una fuerza de 10 mN.
Éste tiene dimensiones de 1 mm de largo y 100 µm de diámetro. Encuentre la tensión y
la deformación en la dirección longitudinal del cilindro.
La tensión se calcula de acuerdo:
Deformación
Tensión cortante
Se puede desarrollar bajo diferentes condiciones de carga:
La manera mas simple
para generar una carga
cortante
En este caso, la magnitud de la tensión cortante está definida
como:
Considerando un paralelepípedo rectangular deformado en
uno oblicuo, la deformación cortante resultante (γ):
EN MEMS: los metales muestran diferentes comportamientos mecánicos:
Curvas de tensión vs deformación para
diferentes clases de materiales
INVESTIGACIÓN : USANDO LA MATRIZ DE RIGIDEZ DEL SILICIO
La matriz de rigidez y de
conformidad incorporan
información importante acerca
del modulo de Young y la
relación de Poisson en el espacio
tridimensional. Encuentre el
modulo de Young del silicio en la
direction [100] basandose sobre
la matriz de rigidez:
TEMA 5: FUNDAMENTOS Y
CONCEPTOS DEL CANTILEVER
Las vigas flexurales son comúnmente
encontradas en MEMS como elementos de
resorte/soporte
El análisis de estos elementos se hace según:
• Tipos de vigas mecánicas y condiciones de frontera
• Distribución de la tensión y deformación
longitudinal
• Calculo de la deflexión y la constante del resorte
de la viga
Tipos de vigas: Cantiléver
Los cantiléver son usualmente descritos por la manera en la cual están
soportadas:
Nota: las condiciones de
frontera definen el tipo
de Cantiléver
Los Cantiléver pueden ser asociados de acuerdo con la
combinación de 2 condiciones de frontera mecánicas:
EJEMPLO: Un cantiléver fijo a uno de
sus extremos y otro libre es
convenientemente referido como:
cantiléver fixed-free1 CANTILEVER
1 Los conceptos en inglés se implementarán para una mejor comprensión al momento de realizar actividades de
investigación y ejercicios de tarea.
(a) Fixed-free cantiléver: paralelo al
substrato con la punta libre y capaz de
moverse en una dirección normal al
substrato.
Estructuras de cantiléver comúnmente usadas sobre substrato
(b) fixed-fixed cantiléver (puente):
paralelo al substrato
Estructuras de cantiléver comúnmente usadas sobre substrato
(c) Hay dos formas de clasificar este
cantiléver:
a) 1. fixed-fixed cantiléver con un bloque
en medio
b) 2 cantiléver fixed-guided unidos en
paralelo para soportar una parte rígida
Estructuras de cantiléver comúnmente usadas sobre substrato
(d) Fixed-free cantiléver con un lado
libre y capaz de moverse perpendicular
al substrato.
Estructuras de cantiléver comúnmente usadas sobre substrato
(e) Fixed-free cantiléver con un
extremo libre y capaz de movimiento
con el plano del substrato.
Estructuras de cantiléver comúnmente usadas sobre substrato
(f) Fixed-fixed cantiléver (Puente)
Estructuras de cantiléver comúnmente usadas sobre substrato
(g) Fixed-fixed cantiléver portando un
objeto al final de su extremo.
El objeto no experimenta doblamiento
debido al espesor.
Estructuras de cantiléver comúnmente usadas sobre substrato
(h) Este cantiléver es muy similar al caso
(c) excepto por la fabricación del
método
Estructuras de cantiléver comúnmente usadas sobre substrato
(i) Fixed-free cantiléver con longitud
plegada
Estructuras de cantiléver comúnmente usadas sobre substrato
(j) 2 fixed-free cantiléver conectados en
paralelo. El resorte combinado es más
duro que cualquier brazo de la
estructura.
Estructuras de cantiléver comúnmente usadas sobre substrato
(k) 4 fixed-guided cantiléver
conectados a una estructura rígida
el cual permite moverse en el plano
del substrato con movimiento
restringido en el movimiento
traslacional fuera del plano.
Estructuras de cantiléver comúnmente usadas sobre substrato
Tarea: Momento de inercia de 2 Cantiléver
Dos cantiléver del mismo material y longitud, uno con una sección transversal de 100 µm
X 5 µm y el segundo de 50 µm X 8 µm.
¿Cuál es mas resistente al doblamiento (es decir, mas rígido)?
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