descripciones de mems

MICROFABRICACIÓN DE DETECTORES DE TEMPERATURA TIPO MEMS, APLICADOS

ESPECÍFICAMENTE A LA INDUSTRIA MINERA CHILENA

PROFESOR GUÍA:

Dr. Ernesto Gramsch, profesor Universidad Santiago de Chile.

UNIVERSIDAD DE SANTIAGO DE CHILEFACULTAD DE CIENCIA

DEPARTAMENTO DE FISICA

AUTOR Y EXPOSITOR: María José del Carmen Yáñez Aguilera

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Tabla de contenidos.• Introducción.

– ¿Qué es un MEMS?– Motivación– Historia acerca de MEMS.– Aplicaciones.– Introducción a la microfabricación.

• Materiales y métodos.– Procesos: Sala limpia, Recubridor de giro y alineador de mascara.– Métodos: Fotolitografía.

• Desarrollo y resultados Experimental.– Corte y mediciones de Resistencia de los MEMS.– Procesos de soldadura.– Mediciones realizadas por el MEMS.

• Análisis, Conclusiones y trabajo futuro.

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Objetivos Generales

• Diseño y Construcción de microsistemas electromecánicos conocidos como MEMS (Micro electromechanical Systems).

• Construir sala limpia clase 10.000 o mejor.• Construir los equipos necesarios para la microfabricación de los

sensores.• Diseñar y construir microdispositivos MEMS para la medición de

temperatura y flujo de calor que puedan ser aplicados a procesos pirometalúrgicos, específicamente a hornos convertidores Pierce-Smith.

• Evaluar el rendimiento de los sensores tipo MEMS, en condiciones de laboratorio similares a los procesos reales.

OBJETIVOS

Objetivos Específicos

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CAP. 1 INTRODUCCION

• ¿Qué es un MEMS?• Motivación.• Historia acerca de MEMS• Diversas aplicaciones de MEMS• Introducción a la microfabricación.

CAP. 1 INTRODUCCION 5

¿QUE ES UN MEMS?• MEMS

Micro electromechanical systemsUn dispositivo miniaturizado combinando componentes

eléctricas y mecánicas que se fabrica utilizando técnicas de procesamiento por lotes basado en IC.

– Miniaturización de transductores, estructuras, maquinas complejas y dispositivos.

– Microfabricación de técnicas de construcción sobre los actuales infraestructuras existentes de la industria IC.

– Tecnología Interdisciplinaria, aplicable a medicina, física, química, biología…

– Ventajas: pequeño tamaño, usa pocos recursos, decrece el costo.

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Motivación.• Situación.• Ventajas e inconvenientes.• Procesos.

Substratode S i

M icroresistencia Contacto e léctrico

10 mm

CAP. 1 INTRODUCCION

Flujo de Calor

Horno

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Tamaño de un MEMS

1m 1mm 1µm 1nm

OBLEAS (10cm)

CHIP (~1cm)

CELULA(~10µm)PELO

(~100µm)

MEMS(1µm – 1mm)

VIRUS(~10nm)

ADN(~1nm)

CAP. 1 INTRODUCCION


Historia acerca de MEMS(Evolución)

1980 1990 2000

1° Transistor 1947


Diversas aplicaciones de MEMS

• Sensor inercial: acelerómetros.• Ink-jet para impresoras.• Giroscopios.• Micro fluidos.• Micrófonos (micro cámara,

laptop, celulares)• Sistemas de radio frecuencia.• Sensor de presión.• Microdisplays.


Introducción a la microfabricación.

• Circuitos integrados.– Características.– Similitudes con los MEMS.

• Micro Mecanizado de superficie.• Micro Mecanizado de Volumen.


Micro Mecanizado de superficieCaracterísticas.


Micro Mecanizado de volumen.Características.Obleas SOI y Grabado DRIE

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CAP. 2 MATERIALES Y MÉTODOS.

EQUIPOS• La sala limpia.• El recubridor de Giro.• El alineador de máscara.

MÉTODOS• Fotolitografía.

CAP. 2 MATERIALES Y METODOS 14

La sala limpia ¿PORQUE?CARACTERISTICAS:• Son clasificadas por el numero de partículas• Clases típicas: 10.000- 1.000- 100- 10• Una clase 1000 significa no mas de 1000

partículas (mas pequeñas que 0,5µm) en un pie cubico de aire.

• El aire debe ser cambiado 60 veces en una hora.


Construcción de la Sala Limpia en Chile.

• N° partículas • Estructura.• Suministro de aire

limpio.• Bajo costo.• Capacidad de trabajo

para dos personas.

3000.10 Pie

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Estructura.• Características de la estación húmeda.

CAP. 2 MATERIALES Y METODOS

17CAP. 2 MATERIALES Y METODOS


Características de la sala limpia obtenida.


Sistema de escape de ventilación.


Mediciones y resultados.• Realizando la medición en la sala:

– Flujo volumétrico 0,5 m3/s.– Dado el volumen de la sala 5,7 m3, el

caudal involucra 300 cambios de aire por hora.

– En el ambiente el número de partículas fue constante 3x105 > 0,5 micrones y 3x103 > 5,0 micrones.

13:00 14:00 14:30 15:05 15:55

4,389

1,136

31 94 94

PARTICULAS <5µ 5u

HORA13:00 14:00 14:30 15:05 15:55

191,431

78,568

22,7813,884 3,284

PARTICULAS <0.5µ0.5u

HORA


Costos de la construcciónÍtem

Costos (Pesos Chilenos)

Costos (Dólares US)

Ventilador centrifugo $ 180.000 $ 325Hoja de acero inoxidable $ 18.000 $ 32Filtros $ 186.000 $ 335Caja de filtros $ 180.000 $ 324Hoja de PVC (0,30 mm de espesor) $ 50.000 $ 90Tubo de PVC (1 / 2 pulgadas de diámetro. $ 8.800 $ 16PVC tubo de escape (12 pulgadas de diámetro.) $ 245.000 $ 441Pegamento, epoxi, cintas, cierres $ 20.000 $ 36Total Costos $ 887.800 $ 1.598


El recubridor de Giro.

• Características del equipo.• Construcción del equipo.

Los costos totales de la construcción de este equipo son de $19.400 pesos.


El alineador de mascara.

• Características del equipo.• Construcción del equipo.• Alineador de máscara.• Diseño del sensor.• Lámpara de exposición UV.


Diseño del sensor.• Características de la

foto mascara.Resolución y tamaño. Impresión.Resultados.


• Resultados de la construcción.

Alineaciones e inclinaciones.Soporte y caja.Lámpara UV.Radiación UV.


FOTOLITOGRAFÍA• Características.• Procesos previos.• Pasos de fotolitografía:

– Materiales.•Plato calefactor.•Recubridor de Giro.•Alineador de mascara.•Pinzas para obleas.

Químicos:•Acetona.•Isopropanol.•agua Deionizada.•Hidrogeno peróxido 30%.•Agua Regia.•HMDS.•Fotoresist AZ-5214.*•Desarrollador AZ-400K.*

Limpieza (USACH)

Oxidación (WSU)

Metalización (WSU)

Fotoresist (WSU)

Alineación y exposición (WSU)

Desarrollo y grabado (WSU)

CAP. 3 DESARROLLO Y RESULTADOS 28

CAP. 3 DESARROLLO Y RESULTADOS EXPERIMENTALES.

• Corte y mediciones de resistencia de los MEMS.

• Proceso de soldadura del MEMS.• Mediciones realizadas por el MEMS.

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Corte y mediciones de resistencia de los MEMS.• Pasos:

Conociendo las orientaciones de las obleas se procede a cortar.

Los valores de la resistencia fluctúan entre 24 – 30 Ω y 50 – 63 Ω a 25°C.

CAP. 3 DESARROLLO Y RESULTADOS

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Proceso de soldadura del MEMS.

Soldadura convencional. Soldadura de joyería.


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Mediciones realizadas por el MEMS.

EXPERIENCIA 1: máx. 100°C • Características:

Se utiliza un circuito convencional para registrar el valor del Voltaje en el MEMS, con los cambios de T°.

Se trabaja directamente para verificar los cambios de Resistencia en el MEMS con los cambios de T°.

EXPERIENCIA 2: máx. 300°C.• Características:

Nuevo montaje, contacto directo con bornes, método muy invasivo.

Mismas consideraciones del exp. 1.

Se crean nuevos contactos, buscando no dañar los MEMS.

Se registran resultados, alcanzando el máximo valor 300°C.


32CAP. 3 DESARROLLO Y RESULTADOS

MONTAJE:

• RESULTADOS:

EXPERIENCIA 1:

33CAP. 3 DESARROLLO Y RESULTADOS

MONTAJE:

• RESULTADOS:EXPERIENCIA 2:

CAP. 4 ANALISIS Y CONCLUSIONES 34

CAP. 4 ANALISIS, CONCLUSIONES Y APLICACIONES POSTERIORES

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Análisis. La resistencia y proceso de

soldadura del MEMS.

• La medición de la Resistencia.

• La soldadura.

• Pruebas sin éxito.

Mediciones en el proceso de caracterización.

La primera experiencia. muestra comportamiento lineal.

La segunda experiencia genero:

• Mayor certeza, • Comportamiento lineal.• Mayor rango de temperatura.

En general El MEMS se comporta de manera lineal con la temperatura, mostrando resultados favorables para las próximas aplicaciones y con un error que es prácticamente despreciable.

CAP. 4 ANALISIS Y CONCLUSIONES

CAP. 4 ANALISIS Y CONCLUSIONES 36

Conclusiones. Se realizo la microfabricación exitosamente. Las mediciones realizadas por el MEMS, fueron posibles, pero

bajo ciertas condiciones, por ejemplo:Alcanzó como máxima temperatura 300°C. Posee tecnología muy avanzada para los productos que

hay en Chile. Sus resultados son lineales a los cambios de temperatura.

Se esperaba construir una sala limpia clase 10000, pero se logro construir una sala clase 3000. Se destaca su bajo costo.

Los materiales y equipos necesarios para la fotolitografía en Chile, están funcionando con éxito.

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Trabajo futuro. Actualmente se trabaja en la construcción de todos los implementos para realizar el

proceso de microfabricación en Chile. Por ejemplo: Obleas Oxidación, Metalización Fotolitografía. Micro mecanizado de superficie.

En cuanto a las mediciones se seguirá midiendo el MEMS a temperaturas consideradas extremas para verificar la linealidad del MEMS.

Se buscara la forma de medir a temperaturas reales considerando las conexiones y la entrega de datos de manera digital, automatizando este proceso.

Se incorporara el medidor de flujo de calor, donde el diseño del ensamble debe considerar las extremas temperaturas y la dificultad de sus contactos.

Para terminar el ensamble del medidor de flujo de calor, se necesita es buscar la manera de soldar el MEMS con algún método (Wire bonding), y la otra manera de realizar esta conexión es mecánicamente

Por último como proyección futura se espera que los MEMS se masifiquen en Chile, como instrumentos de medición para diferentes áreas de la tecnología.

CAP. 4 ANALISIS Y CONCLUSIONES

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FINAGRADECIMIENTOS

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