Laboratório de Dinâmica SEM 545 SEM 545 –– SISTEMAS ...· 1 eesc usp universidade de universidade

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    USPUSPUSPUSP

    Pr o fs. Ma r c e l o,Pr o fs. Ma r c e l o, Va r o t oVa r o t o ee L e o p o l d oL e o p o l d oUNIVERSIDADE DE UNIVERSIDADE DE SO PAULOSO PAULO

    ESCOLA DE ENGENHARIA DE SO CARLOSESCOLA DE ENGENHARIA DE SO CARLOSDEPARTAMENTO DE ENGENHARIA MECNICADEPARTAMENTO DE ENGENHARIA MECNICA

    SEM 545 SEM 545 SISTEMAS MICROELETROMECNICOSSISTEMAS MICROELETROMECNICOS

    Resp.: Paulo S. VarotoResp.: Paulo S. VarotoMarcelo A. TrindadeMarcelo A. Trindade

    Laboratrio de DinmicaLaboratrio de Dinmica

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    Pr o fs. Ma r c e l o,Pr o fs. Ma r c e l o, Va r o t oVa r o t o ee L e o p o l d oL e o p o l d oOBJETIVOS DO CURSO OBJETIVOS DO CURSO

    SEM 545SEM 545 tem como objetivos principais: Apresentar aspectos introdutrios de Projeto, Modelagem eFabricao de MEMS (MMicro-EElectro-MMechanical SSystems) Discutir aplicaes de MEMS no contexto da Eng. Mecatrnicacom especial ateno para os microsensores e atuadores. responder s perguntas:

    o que so, como so projetados e fabricados?

    Considera-se como requisitos fundamentais conhecimentos em:

    Fundamentos da mecnica dos slidos (SET 183SET 183) Viso sistmica, modelagem e leis fsicas (SEM 533, 535, 172SEM 533, 535, 172) Bons conhecimentos em equaes diferenciais ordinrias, Laplace

    autovalores e autovetores (SMA 304 e SMA 127SMA 304 e SMA 127 ) Ferramentas computacionais (MATLAB, MathCad, Ansys, etc. )

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    Pr o fs. Ma r c e l o,Pr o fs. Ma r c e l o, Va r o t oVa r o t o ee L e o p o l d oL e o p o l d oO QUE SO MEMS O QUE SO MEMS (ou (ou MicrosystemsMicrosystems))? ?

    Integrao total de sensores, atuadores, processadores, controle, potncia em uma micro escala objetivando diminuio de custo, aumento de desempenho, miniaturizao de componentes e mquinas.

    Aplicao em sensores, atuadores e micro componentes: - Sensores Inerciais - Sensores de Presso- Sistemas de micro posicionamento (espelhos) - Chaveamento ptico (switches) - RF MEMS

    Princpios de Transduo - Mecnicos - Eletrostticos - Trmicos - Piezoeltrico - Fludico

    1.94mm

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    Pr o fs. Ma r c e l o,Pr o fs. Ma r c e l o, Va r o t oVa r o t o ee L e o p o l d oL e o p o l d oO PAPEL DA ELETRNICA EM MEMS O PAPEL DA ELETRNICA EM MEMS

    Aquisio e condicionamento de sinais

    Molas eletrostticas

    Reduo de rudo

    Aumento de preciso na manufatura

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    Pr o fs. Ma r c e l o,Pr o fs. Ma r c e l o, Va r o t oVa r o t o ee L e o p o l d oL e o p o l d oREDUO DE RUDOREDUO DE RUDO

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    Pr o fs. Ma r c e l o,Pr o fs. Ma r c e l o, Va r o t oVa r o t o ee L e o p o l d oL e o p o l d oTOLERNCIAS DE FABRICAOTOLERNCIAS DE FABRICAO

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    Pr o fs. Ma r c e l o,Pr o fs. Ma r c e l o, Va r o t oVa r o t o ee L e o p o l d oL e o p o l d oELEMENTOS BSICOS DA ELETRNICA EM SENSORESELEMENTOS BSICOS DA ELETRNICA EM SENSORES

    Interfaces Capacitivas- Aquisio de sinais - Gerao de esforos

    Circuitos Capacitivos- Sensores de Posio - Exigncias de acuidade: sensvel a 10-18 F !

    Ressonadores Mecnicos- Amplificadores mecnicos

    Feedback- Melhoria de desempenho - Confere complexidade

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    Pr o fs. Ma r c e l o,Pr o fs. Ma r c e l o, Va r o t oVa r o t o ee L e o p o l d oL e o p o l d oVISO SISTMICA EM MEMS VISO SISTMICA EM MEMS

    Mundo Real

    TransdutoresMEMS

    ProcessamentoDigital dos Sinais,Armazenamento,

    Clculos

    Sensor

    Atuador

    Mecnicoptico

    FludicoTrmico

    ...

    Sinais Eltricos

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    Pr o fs. Ma r c e l o,Pr o fs. Ma r c e l o, Va r o t oVa r o t o ee L e o p o l d oL e o p o l d oPROJETO DE MEMS PROJETO DE MEMS

    Categorias de produtos:

    Demonstrators: Components or systems intended to drive development or test concepts (usually related to fabrication technology) Research tools: mostly components, intended to enable research of perform a highly specialized task, such as a specific measurement (quantitative accuracy is required) Commercial produrct: Components and full systems intended for commercial manufacturing and sale. Precision and accuracy depend on the application.

    Ciclo de desenvolvimento

    Mercado: necessidade, tamanho, velocidade de crescimetno. Impacto: representa uma mudana de paradigma, ou abre caminhos?Tecnologia: existe a tecnologia necessaria para fabricar, montar, manipular?Processo de fabricao: custo/volume.

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    Pr o fs. Ma r c e l o,Pr o fs. Ma r c e l o, Va r o t oVa r o t o ee L e o p o l d oL e o p o l d oPROJETO DE MEMS PROJETO DE MEMS

    Evoluo de mercado:

    MEMS device / application 1996 2003

    Inertial measurements: accel, gyros, 300-500 700-1400

    Microfluidics: inkjet, mass flow, 400-500 3000-4450

    Optics: optical switches, displays 20-40 440-950

    Pressure measurements: automotive, medic, 400-800 1000-2000

    RF devices: cell phone components, radar, 0 40-120

    Others: microrelays, sensors, disk heads 500-1000 1200-2500

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    Pr o fs. Ma r c e l o,Pr o fs. Ma r c e l o, Va r o t oVa r o t o ee L e o p o l d oL e o p o l d oPROJETO DE MEMS PROJETO DE MEMS

    Arquiteturado sistema

    SubsistemasMEMS

    Estrutura Fsica Dispositivo

    ManufaturaCusto

    Processo de Fabricao

    Mtodo de Transduo

    Outros Subsistemas

    Aspectos de montagem

    Detalhamentodo Projeto

    Detalhamentodo Projeto

    Requerim

    entos

    Cap

    acid

    ades

    e L

    imit

    ae

    s

    Compromissos

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    Pr o fs. Ma r c e l o,Pr o fs. Ma r c e l o, Va r o t oVa r o t o ee L e o p o l d oL e o p o l d oEXEMPLOS (ATUADORES ELETROSTTICOS)EXEMPLOS (ATUADORES ELETROSTTICOS)

    Comb Drive Single Crystal Silicon MicroActuators

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    Pr o fs. Ma r c e l o,Pr o fs. Ma r c e l o, Va r o t oVa r o t o ee L e o p o l d oL e o p o l d oEXEMPLOS (MOTOR VELOCIDADE/TORQUE)EXEMPLOS (MOTOR VELOCIDADE/TORQUE)

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    Pr o fs. Ma r c e l o,Pr o fs. Ma r c e l o, Va r o t oVa r o t o ee L e o p o l d oL e o p o l d oEXEMPLOS (MICROESPELHO PISOTEADO)EXEMPLOS (MICROESPELHO PISOTEADO)

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    Pr o fs. Ma r c e l o,Pr o fs. Ma r c e l o, Va r o t oVa r o t o ee L e o p o l d oL e o p o l d oEXEMPLOS (TRANSMISSO DE TORQUE)EXEMPLOS (TRANSMISSO DE TORQUE)

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    Pr o fs. Ma r c e l o,Pr o fs. Ma r c e l o, Va r o t oVa r o t o ee L e o p o l d oL e o p o l d oEXEMPLOS (MICROENGRENAGENS)EXEMPLOS (MICROENGRENAGENS)

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    Pr o fs. Ma r c e l o,Pr o fs. Ma r c e l o, Va r o t oVa r o t o ee L e o p o l d oL e o p o l d oEXEMPLOS (HYDROPHOBIC ACTUATORS)EXEMPLOS (HYDROPHOBIC ACTUATORS)

    Silicon Chiplet on Hydrophobic Binding Site Immersed in Water

    Hydrophilic PZT chip on Hydrophobic Substrate

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    Pr o fs. Ma r c e l o,Pr o fs. Ma r c e l o, Va r o t oVa r o t o ee L e o p o l d oL e o p o l d oESCOPO E CONTEDO ESCOPO E CONTEDO

    A disciplina SEM 545 apresenta o seguinte contedo

    Introduo

    Reviso de conceitos bsicos - Sistemas mecnicos - Mecnica dos slidos- Transferncia de calor- Mecnica do fluidos - Eletromagnetismo

    Princpios de Transduo e Atuao - Sistemas trmicos- Sistemas termo-elsticos- Sistemas eletrostticos - Sistemas magnticos - Sistemas fludicos

    Fabrio de MEMS - Materiais - Processos de fabricao

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    Pr o fs. Ma r c e l o,Pr o fs. Ma r c e l o, Va r o t oVa r o t o ee L e o p o l d oL e o p o l d oBIBLIOGRAFIA BIBLIOGRAFIA

    Pelesko, J. A., Bernstein, D. H., Modeling MEMS and NEMS, Chapman & HallCRC, 2003. (disponvel na EESC)

    Senturia, S. D., Microsystem Design, Kluwer, 2001.

    Artigos Selecionados

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    Pr o fs. Ma r c e l o,Pr o fs. Ma r c e l o, Va r o t oVa r o t o ee L e o p o l d oL e o p o l d oCRITRIO DE AVALIAO CRITRIO DE AVALIAO

    O critrio de avaliao de SEM545 ser composto de:

    Exerccios distribudos ao longo do semestre (E)

    Uma prova no final do semestre (Pr) => 18/06/2007

    MEMS Symposium (Sm) com participao obrigatria

    100Pr40Sm35E25

    Mdia++=