MEMS TECHNOLÓGIÁK MEMS-EK ALKALMAZÁSI PÉLDÁI
Dr. Bonyár Attila, adjunktus
[email protected]
Budapest, 2015.10.13.
BUDAPEST UNIVERSITY OF TECHNOLOGY AND ECONOMICS DEPARTMENT OF ELECTRONICS TECHNOLOGY
Tematika MEMS: Micro Electro-Mechanical Systems I.
Az alkalmazott technológiák áttekintése CMOS technológia, felületi és tömbi mikromechanika.
II. MEMS eszközök, alkalmazási példák érzékelők, beavatkozók. Online tananyag (www.ett.bme.hu): MEMSEdu, SENSEdu.
Ajánlott irodalom: Harsányi G. – Érzékelők, beavatkozók
2/33
1. CMOS technológia A CMOS (Complementer Metal-Oxide Semiconductor) technológia főbb technológiai lépései (ismétlés): 1) Si egykristály szelet előállítása: polikristályos Si előállítása homokból, Si egykristály húzási eljárások, in situ adalékolási eljárások. 2) Si adalékolási technológiák: diffúzió, ionimplantáció. 3) Rétegtechnológiák: CVD: kémiai gőzfázisú leválasztás (chemical vapour deposition), maszk-réteg: pl. Si3N4 , dielektrikum: pl. SiO2, PSG, BPSG (bór-foszfoszilikát üveg), vezetőréteg: pl. Cu, poli-Si. Epitaxiális rétegnövesztés. Szilícium-dioxid (SiO2) növesztés száraz oxidáció, nedves oxidáció. 4) Litográfiai (mintázatkialakítási) eljárások 3/33
1. CMOS technológia
CMOS inverter
4/33
2. Felületi és tömbi mikromechanika Alapvető szilícium mikromegmunkálási technológiák Anizotróp maratás, Tömbi mikromechanika, Maratás p+-stop réteggel, Elektrokémiailag megállított maratás. Felületi mikromechanika áldozati réteggel. LIGA eljárás. Kombinált CMOS és MEMS technológia. Létrehozható alakzatok (példák) Si szeletek bondolása (összekötése). LÁSD: SENSEDU: technologies/semiconductor technologies MEMSEDU: technologies
5/33
2. Felületi és tömbi mikromechanika Anizotróp maratás A KOH kristályorientációtól függő sebességgel marja az Si szeletet (leglassabb az <111> (legsűrűbb) irányban.
Létrehozható alakzatok: árok, membrán, híd, félhíd (konzol). A Si szelet orientációjának megválasztása fontos (MEMS -> (100))
6/33
2. Felületi és tömbi mikromechanika Az anizotróp maratás megállítása 1) p+ stop réteg
2) elektrokémiai stop
7/33
2. Felületi és tömbi mikromechanika Felületi micromechanika áldozati réteggel SiO2 áldozati réteg
áldozati oxid leválasztása
Poli-Si konzol (cantilever)
poli-Si leválasztása (2 mm) áldozati oxid marása Tipikus hibák:
Felhajlás
Letapadás
Létrehozható alakzatok: híd, félhíd (konzol).
8/33
2. Felületi és tömbi mikromechanika LIGA eljárás Német eredetű elnevezés (Lithografie Galvanoformung Abformung), Nagy magasság-szélesség arányú struktúrához.
(Érdeklődőknek további technológiák MEMSEduban (pl. SIMPLE, SCREAM)).
9/33
2. Felületi és tömbi mikromechanika Kombinált CMOS és MEMS technológia 1.
6.
2.
7.
3.
8.
4.
9.
5.
10.
CMOS
MEMS 10/33
2. Felületi és tömbi mikromechanika Si szeletek anodikus bondolása Si szelet bondolása üveghez
Si szelet bondolása egy másik Si szelethez (Si-Si, ill. SiO2-SiO2)
11/33
II. MEMS érzékelők, beavatkozók 1. Ismétlés: szenzorikai alapfogalmak -
érzékenység, detektálási küszöb (LOD), ofszet, ideális karakterisztika, nemlinearitás, hiszterézis, generátor/modulátor, precizitás/helyesség, ismételhetőség, reprodukálhatóság, szelektivitás, fizikai/kémiai/bioérzékelők.
12/33
2. Nyomásérzékelő - piezorezisztív Ismétlés: piezoelektromos jelenség szigetelő anyagokban fordul elő, mechanikai feszültség/deformáció az anyagban polarizáció változást hoz létre, elemi dipólusok dipolmomentuma megváltozik <-> töltéssúlypont eltolódás, szimmetriaviszonyoktól függ, pl. centrálszimmetrikus kristályszerkezet esetén nics.
Pl. kvarc, BaTiO3, PZT
13/33
2. Nyomásérzékelő - piezorezisztív Elméleti áttekintés! - piezoelektromosság - piezorezisztivitás (Gauge faktor, Poisson tényező, a piezorezisztivitás fizikai okai különböző anyagtípusok esetén) LÁSD: SENSEDU: effects/mechanical /piesoresistive effect
14/33
2. Nyomásérzékelő - kapacitív
15/33
3. Gyorsulásérzékelő – piezorezisztív
16/33
3. Gyorsulásérzékelő – kapacitív/tömbi
17/33
3. Gyorsulásérzékelő – kapacitív/felületi
Interdigitális struktúra! (IDT) Beavatkozóként is alkalmazható (lásd később) 18/33
3. Gyorsulásérzékelő – termodinamikus
Eldöntve: Dőlésszög érzékelő
19/33
4. Rezgésérzékelő
20/33
5. Giroszkóp
Felfüggesztett IDT
Forgó síkok
21/33
6. Termikus sugárzás érzékelők Átismételt alapfogalmak (SENSEDU/Effects/thermal effects): 1. 2. 3.
Termorezisztivitás Termisztor, PTC, NTC, TK stb. Ellenállás hőmérő Terjedési ellenállás hőmérő („Si termisztor”, lásd a képen) Termoelektromos jelenség Seeback feszültség, Hidegpont, melegpont Termoelem Piroelektromos jelenség
22/33
6. Termikus sugárzás érzékelők Bolométer és termopile
23/33
7. Beavatkozók – elektrosztatikus mikroszelep és mikropumpa
mikroszelep
mikropumpa
24/33
7. Beavatkozók – fésűs meghajtó Comb-drive
25/33
8. Beavatkozók – optikai kapcsoló
26/33
8. Beavatkozók – optikai kapcsoló
27/33
8. Többállapotú, forgótükrös optikai kapcsoló
28/33
9. Beavatkozók – mikromotor
29/33
10. Beavatkozók – elektrosztatikus meghajtású deformálható tükör
30/33
11. Beavatkozók – Digital Micromirror Array Pl. megjelenítőkben
Pl. fényszóróban
31/33
Összefoglalás
32/33
Ellenőrző kérdések:
1. Ismertesse részletesen az alábbi Si mikromegmunkálási technológiát: a) tömbi mikromechanika (anizotróp maratás és megállítása), b) felületi mikromechanika áldozati réteggel, c) LIGA technológia. 2. Ismertesse részletesen az alábbi MEMS érzékelő kialakítását és működését: a) piezorezisztív vagy a kapacitív elvű nyomásmérő, b) ~ gyorsulásmérők, c) termikus sugárzásmérők. 3. Ismertesse az alábbi MEMS beavatkozó kialakítását és működését: a) fésűs meghajtó (comb drive), b) elektrosztatikus mikroszelep/pumpa, c) optikai kapcsoló, d) elektosztatikus meghajtású deformálható tükör (és DMA), e) Si mikromotor. 33/33
