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Introdução aos MEMS
1.1. MEMS ?
1.2. Aplicações
1.3. Importância tecnológica e comercial dos MEMS
1.4. Principais técnicas de microfabricação
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MEMS ? 1.1
Índice
• MEMS Sistemas Micro Eletro Mecânicos (ou simplesmente MEMS), são sistemas de dimensões reduzidas (desde alguns mícrometros até milímetros), fabricados por técnicas de microfabricação derivadas da microeletrônica, nos quais são implementados dispositivos e/ou circuitos microeletrônicos com elementos móveis como cantilevers, membranas, engrenagens, etc.
• MST (Micro System Technologies Europa ¤ Sistemas com estruturas de dimensões da ordem de micrometros e cuja
função técnica é dada pela forma da microestrutura. Microsistemas combinam vários microcomponentes otimizados num sistema único, para realizar uma ou varias funções especificas, em muitos casos incluindo microeletrônica. (NEXUS, European Network of Excellence in Multifunctional Microsystems)
• “Micromaquinas” Japão
Introdução
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1.1 MEMS ? Sistema “micro eletro mecânico ?
Para entender o que isso significa, considere como exemplo, a tecnologia dos Sensores de Pressão
Método tradicional :
Fonte : http://www.omega.com/literature/transactions/volume3/
Grandes dimensões
Resposta lenta
Baixa sensibilidade
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1.1 MEMS ? Sensor de pressão baseado em MEMS
baseado em MEMS : Pequenas dimensões
Microusinagem das estruturas móveis
Possibilidade de Integrar a eletrônica de controle
Baixo tempo de resposta e alta sensibilidade
Elementos piezoresistivos
Montagem
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Formas de Atuar
Eletrostática
Piezoelétrica
Térmica
Magnética
“Memory Shape”
1.1 MEMS ? Atuadores baseados em MEMS
Fe ~ ½ CV2 / x Fe ~ CV2
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Cabeçotes injetores para impressoras jato de tinta Acelerômetro e sensores de pressão para a indústria automotiva (freios
ABS, airbags, etc) : Dos ~100 sensores existentes num automóvel moderno, 30 são baseados em MEMS !
Microatuadores para cabeças de leitura/escrita de HD’s Microsistemas para óptica e opto-eletrônica
Matrizes de espelhos (projetores) Microfluídica : Sensores e atuadores para Biologia, Medicina e
Farmacologia Microcanais, microbombas e microválvulas controle de fluxo (líquido e
gasoso) Sensores de pH, sensores de pressão sangüínea, Injetores para
dosificação de remédios
Micro-robótica e sistemas complexos Estudo de fenômenos físicos e desenvolvimento de novas tecnologias :
Caracterização de materiais, Nanotecnologia (Nano MEMS ou NEMS)
Aplicações dos MEMS 1.2 Introdução
Índice
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Exemplos de utilização de MEMS
MEMS em automóveis
1.2 Aplicações
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Acelerômetros, ADXL (Analog Devices Inc.)
Micro espelhos móveis, DMD (Texas Instruments Inc.)
Cabeças Leitura/Escrita HD’s (Hitachi, 2007)
“Lab on a Chip” (Caltech, 2007)
Exemplos
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Micro máquinas (Sandia Lab)
Micropontas para AFM
1.2 Aplicações
10 Índice
Pelo fato de serem fabricados por técnicas bem estabelecidas e oriundas da tecnologia dos circuitos integrados, os MEMS baseados em Si experimentaram uma evolução extraordinária, tanto do ponto de vista tecnológico como comercial. Isso originou :
• uma Indústria florescente, dinâmica e em franca expansão, particularmente na área de microestruturas, sensores e atuadores
• Interesse em áreas muito diversas : industria automotiva, farmacêutica, telecomunicações, eletrônica de consumo, biotecnologia e medicina, microeletrônica e opto-eletrônica.
Devido a suas características intrínsecas e à relação com a Microeletrônica, os MEMS de Si apresentam :
• Alta sensibilidade e Baixo tempo de resposta • Baixo custo e Confiabilidade • Alta reprodutibilidade
¤ Microsistemas complexos
¤ Microfluídica
¤ Nanotecnologia
Importância tecnológica e comercial dos MEMS 1.3
Importância científica, no estudo de novos fenômenos físicos :
Mercado Total de MEMS (por produto) 1.3 Mercado
CAGR : 13%
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Mercado Total de MEMS 1.3 Mercado
13 Índice
1.1 MEMS ?
• Como já mencionado, o sucesso comercial dos MEMS se deve, em grande parte, à infra-estrutura já estabelecida na industria de CI’s e de microeletrônica em geral. Pelo mesmo motivo, o Silício e materiais a ele correlacionados (como o SiO2 e Si3N4, por exemplo) têm sido os mais utilizados no desenvolvimento comercial de MEMS. Por outro lado, no meio científico e acadêmico diversos novos materiais têm sido estudados e utilizados para explorar novas e diversas aplicações :
Diversidade de áreas de aplicação
Diversidade de dispositivos
Diversidade de materiais
Diversidade de processos
MEMS : Materiais & Processos
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1.1 MEMS ?
MEMS
Diversidade de processos
• Propriedades Físicas : dureza, modulo de elasticidade, condutividade térmica e elétrica, stress interno, etc.
• Propriedades Químicas : composição, estabilidade química, etc.
• Propriedades Tecnológicas : seletividade na corrosão, crescimento conforme, etc.
Diversidade de materiais
• Temperatura dos processos : por exemplo, em materiais poliméricos, orgânicos,etc.
• Estruturação 3D : alta relação de aspecto, processos de polimento, ....
• Dimensões : de micrômetros a centímetros ...
• Encapsulamento : manipulação de gases, líquidos, etc.
MEMS : Materiais & Processos
15 Índice
1.1 MEMS ? MEMS vs. Microeletronica
Microeletrônica
• Circuito lógicos • Computadores, • Processadores digitais
• Amplificadores • Hi-Fi, • telecomunicações RF e Wire less,
• Memorias • DRAM, SRAM, ...
• CCD’s • Câmaras Digitais
MEMS
• Eletrônica • Cabeçotes para leitura e
escrita em HD’s • Cabeçote para impressão
Jato de tinta
• Industria Automotiva
• Acelerômetros (Airbags, freios ABS)
• Sensores de pressão • Sensores de navegação
• Medicina e • Meio Ambiente
• Sensores de pressão sanguinea
• Dosificação deremédios
• Tele Comunicações
• Câmaras Digitais
• Filtros e reles de RF • Componentes para redes
de fibra óptica
• Defesa
Exemplos Área Exemplos Área
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• “Lei dos MEMS” :
MEMS vs. Microeletrônica
• baseada principalmente num único dispositivo : o transistor
• baseada quase totalmente em Si e SiO2
• baseada principalmente numa única tecnologia : quase 80% de toda a microeletrônica se baseia na tecnologia CMOS.
• Estruturas 2D
Microeletrônica
• Diversos dispositivos
• Diversos materiais
• Diversas tecnologias, algumas especificas de MEMS, em especial para estruturação 3D
MEMS
Introdução
Uma tecnologia para cada microsistema
17 Índice
• 1798 - A Litografia é inventada • 1855 - Adolf Fick estabelece a teoria da Difusão • 1918 - Czochralski introduz a técnica que leva seu nome para crescimento de cristais • 1925 - É introduzida a técnica de Bridgman para crescimento de cristais • 1952 - A dopagem por difusão é introduzida (por Pfann) como método de dopagem de Si • 1957 - O Fotoresiste começa a ser utilizado (por Andrus); O mascaramento com SiO2 começa a ser utilizado (por Frosch e Derrick)
O Crescimento Epitaxial é desenvolvido por Sheftal et al. • 1958 - Shockley propõe o uso da Implantação Ionica como processos de dopagem • 1959 - J. Kilby e Noyce inventam o Circuito Integrado • 1963 - O conceito CMOS é proposto por Wanlass and Sah • 1967 - As memorias DRAM são inventadas (por Dennard) • 1969 - A utilização de portas de poli-Si auto-alinhamento (por Kerwin et al.) A técnica MOCVD é desenvolvida (por Manasevit and Simpson) • 1971 - A técnicas de “Dry Etching” é desenvolvida por Irving et al.; A técnica BEM é desenvolvida (por Cho) A Intel fabrica seus primeiros microprocesadores • 1982 - A tecnologia de isolação por “Trench” é introduzida (por Rung et al.) • 1989 - A técnica de polimento quimico-mecanico (CMP) é desenvolvida (por Davari et al.) • 1993 - Introdução da Interconexão de Cobre em substituição do Al (por Paraszczak et al.)
1.2 Aspectos históricos MEMS : Processos de Microfabricação (cronologia) :
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• 1948 : Transistor (J. Bardeen, W. H. Brattain e W. Shockley Bell Lab) • 1954 : C.S. Smith : "Piezoresistance Effect in Ge and Si" • 1958 : Comercialização dos primeiros sensores de esforço de Si • 1958 : 1er Circuito Integrado (de Ge) (Jack Kilby, da Texas Instruments • 1959 : R. Feynman : “There’s plenty of room at the bottom” • 1961 : Demonstração dos primeiros sensores de pressão • 1967 : H.C.Nathanson R : “The Resonant gate transistor” • 1967-68 : Deep Anisotropic Etching, bulk micromachining e anodic bonding • 1970 : Demonstração dos primeiros acelerometros de Silício • 1979 : Demonstração das primeiras bocais microusinados • 1982 : K.Petersen : “Silicon as a mechanical Material” • 1983 : Comercialização dos primeiros sensores de pressão integrados
(Honeywell) • 1988 : Desenvolvimento da tecnologia LIGA (W. Ehrfeld et. Al.) • 1986 : Silicion bonding • 1988 : Primeira conferencia de MEMS • 1988 : Processamento em lote utilizando “wafer bonding” (Nova Sensor) • 1990’s : Década dos Sensores
MEMS : Introdução
Volta
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• Epitaxia • Oxidação e Crescimento de filmes • Dopagem • Fotolitografia • Corrosão • Soldagem direta de Si (SOI)
• Soldagem Anôdica • Polimento Mecânico e Químico
(CMP) • Secagem Supercrítica • Eletrodeposição e Moldagem (LIGA) • Processos Não litográficos
Processos derivados da tecnologia do Si
Processos da tecnologia dos MEMS
• Corrosão
Técnicas de Microfabricação
Índice
1.4
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Técnicas de Microfabricação :
Deposição alternada de filmes Estruturais e de Sacrifício
• Microfabricação em Substrato
• Microfabricação em Superfície
• Processos envolvendo Deep RIE + “Fusion Bonding”
MEMS de Si
A combinação de diversos processos de fabricação, sejam derivados da microeletrônica ou desenvolvidos especialmente para MEMES, dão origem a diferentes “técnicas de microfabricação”. Em geral, estas técnicas não são descritas em termos muito rígidos e dependem dos materiais utilizados. No que concerne aos MEMS baseados em Si, podemos destacar :
Remoção parcial ou total do substrato de Si
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Microfabricação em substrato
Microestruturas
Método Simples e Barato
Sensores de Pressão
Técnicas de Microfabricação
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Microfabricação em superfície Técnicas de Microfabricação
SIO2
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Propriedades requeridas importantes Propriedades elétricas : condutividade, gap de energia,
piezorresistividade, piezoeletricidade...
Propriedades Mecânicas : Módulo de Elasticidade, Dureza, Tensão mecânica e gradiente de tensão ...
Propriedades Térmicas : Condutividade térmica e coeficiente de expansão térmica,
Propriedades Ópticas e Químicas : Absorção óptica, refletividade, índice de refração, molhabilidade
Propriedades Tecnológicas : Resistência e Seletividade em processos de corrosão e Compatibilidade processos de Microeletrônica,
Introdução Materiais para MEMS
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Materiais para MEMS Introdução
25 Índice
1. Introdução aos MEMS
Ler :
* “There’s plenty of room at the bottom”, Richard Feynman, 1959.
* Status of the MEMS Industry : Evolution of MEMS Market and of the Industrial Infrestruture”, J.C. Eloy, Sensors & Transducers Journal, Vol.86, Issue 12 (2007) 1771-1777.
* Cap.1 do livro “An Introduction to Microelectromechanical Systems Engineering”, N. Maluf and K. Williams, 2a Ed., 2004. Disponível como e-Book no Dedalus (http://200.144.190.234/F)
A leitura é obrigatória : O conteúdo destes e outros textos indicados no futuro, será cobrado em exercícios e provas.
Trabalho 1