MEMS TECHNOLÓGIÁK MEMS-EK ALKALMAZÁSI PÉLDÁI

Átírás

1 MEMS TECHNOLÓGIÁK MEMS-EK ALKALMAZÁSI PÉLDÁI Dr. Bonyár Attila, adjunktus Budapest, BUDAPEST UNIVERSITY OF TECHNOLOGY AND ECONOMICS DEPARTMENT OF ELECTRONICS TECHNOLOGY

2 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 ( MEMSEdu, SENSEdu. Ajánlott irodalom: Harsányi G. Érzékelők, beavatkozók 2/33

3 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. Si 3 N 4, dielektrikum: pl. SiO 2, PSG, BPSG (bór-foszfoszilikát üveg), vezetőréteg: pl. Cu, poli-si. Epitaxiális rétegnövesztés. Szilícium-dioxid (SiO 2 ) növesztés száraz oxidáció, nedves oxidáció. 4) Litográfiai (mintázatkialakítási) eljárások 3/33

4 1. CMOS technológia CMOS inverter 4/33

5 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. Si szeletek bondolása (összekötése). LÁSD: SENSEDU: technologies/semiconductor technologies MEMSEDU: technologies Létrehozható alakzatok (példák) 5/33

6 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

7 2. Felületi és tömbi mikromechanika Az anizotróp maratás megállítása 1) p + stop réteg 2) elektrokémiai stop 7/33

8 2. Felületi és tömbi mikromechanika Felületi micromechanika áldozati réteggel áldozati oxid leválasztása poli-si leválasztása (2 mm) áldozati oxid marása Tipikus hibák: Felhajlás Letapadás SiO 2 áldozati réteg Poli-Si konzol (cantilever) Létrehozható alakzatok: híd, félhíd (konzol). 8/33

9 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

10 2. Felületi és tömbi mikromechanika Kombinált CMOS és MEMS technológia CMOS MEMS 10/33

11 2. Felületi és tömbi mikromechanika Si szeletek anodikus bondolása Si szelet bondolása üveghez Si szelet bondolása egy másik Si szelethez (Si-Si, ill. SiO 2 -SiO 2 ) 11/33

12 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

13 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

14 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

15 2. Nyomásérzékelő - kapacitív 15/33

16 3. Gyorsulásérzékelő piezorezisztív 16/33

17 3. Gyorsulásérzékelő kapacitív/tömbi 17/33

18 3. Gyorsulásérzékelő kapacitív/felületi Interdigitális struktúra! (IDT) Beavatkozóként is alkalmazható (lásd később) 18/33

19 3. Gyorsulásérzékelő termodinamikus Eldöntve: Dőlésszög érzékelő 19/33

20 4. Rezgésérzékelő 20/33

21 5. Giroszkóp Felfüggesztett IDT Forgó síkok 21/33

22 6. Termikus sugárzás érzékelők Átismételt alapfogalmak (SENSEDU/Effects/thermal effects): 1. Termorezisztivitás - Termisztor, PTC, NTC, TK stb. - Ellenállás hőmérő - Terjedési ellenállás hőmérő ( Si termisztor, lásd a képen) 2. Termoelektromos jelenség - Seeback feszültség, - Hidegpont, melegpont - Termoelem 3. Piroelektromos jelenség 22/33

23 6. Termikus sugárzás érzékelők Bolométer és termopile 23/33

24 7. Beavatkozók elektrosztatikus mikroszelep és mikropumpa mikroszelep mikropumpa 24/33

25 7. Beavatkozók fésűs meghajtó Comb-drive 25/33

26 8. Beavatkozók optikai kapcsoló 26/33

27 8. Beavatkozók optikai kapcsoló 27/33

28 8. Többállapotú, forgótükrös optikai kapcsoló 28/33

29 9. Beavatkozók mikromotor 29/33

30 10. Beavatkozók elektrosztatikus meghajtású deformálható tükör 30/33

31 11. Beavatkozók Digital Micromirror Array Pl. megjelenítőkben Pl. fényszóróban 31/33

32 Összefoglalás 32/33

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