Post on 08-Nov-2018
1
IE 012 1
Introdução aos Sensores Microeletrônicos
Prof. Fabiano FruettFEEC CCS UNICAMP
fabiano@dsif.fee.unicamp.br
IE 012 2
Sumário
• Passado, Presente e Futuro da Microeletrônica
• Mercado Mundial de Sensores • Panorama Nacional• Sistemas Micro-Eletro-Mecânicos• Sensores Integrados• Exemplos de Aplicações
2
IE 012 3
Passado, Presente e Futuro da Microeletrônica
IE 012 4
Primeiro Transistor
John Bardeen and Walter Brattain
Bell Labs
16 de Dezembro de 194716 de Dezembro de 1947
3
IE 012 5
Evolução …
Primeiro circuito integrado
Jack S. Kilby, Texas InstrumentsContinha cinco componentes, três tipos:
Transistores, resistores e capacitores
19581958 19611961
Primeiro circuito integrado Planar
Fairchild and Texas Instruments apresentam este CI que continha funções lógicas simples
IE 012 6
Evolução …
PenrynPrimeiro processador 45 nm
Intel Core 2
20062006
Intel Pentium IIClock: 233MHz
Número de transistors: 7.500.000Gate Length: 0.35 µm
19971997
PenrynPenrynPenryn
Penryn die photo
4
IE 012 7
Lei de Moore em ação
Fonte: Intel
IE 012 8
Escalonamento l
Fonte: http://download.intel.com/research/silicon/Gordon_Moore_ISSCC_021003.pdf
5
IE 012 9Previsão: Roadmap SIA 1997• Dado \ Ano 1997 1999 2001 2003 2006 2009 2012
• LMIN.(nm) 250 180 150 130 100 70 50
• DRAM (bits) 256M 1G - 4G 16G 64G 256G
• Área chip DRAM (mm2) 280 400 480 560 790 1120 1580
• Diâmetro / lâmina (mm) 200 300 300 300 300 450 450
• Níveis de metal (lógica) 6 6-7 7 7 7-8 8-9 9
• Compr. metal (lógica) (m) 820 1480 2160 2840 5140 10000 24000
• VDD(V) 2.5 1.8 1.5 1.5 1.2 0.9 0.6
• VT(V) 0.45 0.40 0.35 0.30 0.25 0.20 0.15
• FMAX de relógio (MHz) 750 1250 1500 2100 3500 6000 10000
• Número máscaras 22 23 23 24 25 26 28
• Espess. Óxido 6.5 5.0 4.5 4.0 3.5 2.7 2.0
• Defeitos (m-2)*** 2080 1455 1310 1040 735 520 370
• Custo/bit DRAM inicial (µc)120 60 30 15 5.3 1.9 0.66
IE 012 10
Qual o limite para a tecnologia CMOS?
A evolução encontra-se perto dos limites físicos.
Já foi demonstrado experimentalmente o funcionamento de transistores isolados, com dimensões mínimas menores que 10 nm.
O limite real da tecnologia CMOS só o futuro determinará.
Sobrevida estimada de 20 anos.
6
IE 012 11
Forte tendência ...Evolução do ASIC (Aplication Specific IntegratedCircuits), incorporando maiores capacidades.
Concentração de sistemas em um só Chip (SoC), cada vez mais compacto e com software embutido.
Aproximação com outras especialidades:Mecânica, química, ótica, biologia etc
Física
Química
Mecânica
Eletrônica
IE 012 12
Ciclo da indústria de semicondutores
Novos produtos
Desenvolvimentode Mercado
Expansãode Mercado
Redução deCustos
Volume deprodução
InvestimentoTecnológico
Fonte: Ansys solutions, Vol. 7 Issue I 2006
7
IE 012 13Evolução da Engenharia “Eletrônica”
Primeiro Transistor Primeiro CI Intel Pentium II
Micro máquinas Nano sistemas Nano tubos de carbono
IE 012 14
E depois?
Tubes Semiconductors
MOS CMOS
Transistor IC ULSI ?????
1950 1960 2000
plastic electronics
optics
nanoelectronics
MEMS
biosensors
molecular nanotechnology
magnetoelectronics
2030
Fonte: IMEC
SENSORS
8
IE 012 15
Mercado mundial de sensores
IE 012 16
0102030405060
1998 2003 2008
ano
US
$ B
ilhõe
s
Fonte: Intechno Consulting
Crescimento do mercado Mundial de Sensores
9
IE 012 17Desenvolvimento do mercado mundial para sensores até 2008: Segmentação
por indústrias
0
2
4
6
8
10
12
14
Machinery Mfgs& Suppliers
ProcessIndusties
Motor Vehicles Aircraft &Shipbuilding
Building Sector Consumer &Office Eletronics
Other Industries
US
$ B
illio
n
1998
2008
Fonte: http://www.intechnoconsulting.com
IE 012 18
O mercado mundial, para os dez tipos de sensores com o rank dos maiores volumes de mercado:
1- Sensores de temperatura2- Sensores de pressão3- Sensores de fluxo4- Sensores de posição binária5- Sensores de posição6- Sensores químicos para medidas em líquidos7- Sensores de nível8- Sensores de velocidade/rpm9- Sensores químicos para medidas em gases10- Detector de chama e gases inflamáveis
Fonte: http://www.intechnoconsulting.com
10
IE 012 19Desenvolvimento do mercado mundial de sensores por paises e regiões em 1998
10,9%
5,3%
4,0%
3,7%
7,8%
31,0%
6,1%
19,4%
8,8%3,0%
Alemanha França Reino UnidoItália Outros paises da Europa ocidental Estados UnidosOutros paises Americanos Japão Outros paises da Ásia/PacíficoResto do mundo
Fonte: http://www.intechnoconsulting.com
IE 012 20
Fonte: http://www.intechnoconsulting.com
11
IE 012 21
Exemplos de Centros de P&D colaborativos
• Multi-Project Circuits CMP (França) http://cmp.imag.fr/
• Interuniversity MicroElectronics Center IMEC (Bélgica) http://www.imec.be
• MOSIS (USA) http://www.mosis.org/
Objetivos: Aproximação com a indústria microeletrônica e acordos com universidades. Prototipagem e projetos colaborativos.
IE 012 22Circuits Multi - Projects CMP
http://cmp.imag.fr/
O CMP atua como um escritório de apoio, atendendo as universidades e laboratórios de pesquisa na prototipagem de CIs e MEMS
12
IE 012 23
IMEC (InteruniversityMicroElectronics Center)
• O IMEC é um centro de pesquisa, prestador de serviços, no campo da microeletrônica e nanotecnologia que está localizado na Bélgica.
http://www.imec.be
IE 012 24
Prototipagem microeletrônica
13
IE 012 25
Atores NacionaisUniversidades
• EESC/USP, São Carlos, SP • EFEI, Itajubá, MG• EPUSP, São Paulo, SP• LAC/COPEL, Curitiba, PR• UFMG, Belo Horizonte, MG• UFPB, Campina Grande, PB
• UFRGS, Porto Alegre, RS• UFRJ, Rio de Janeiro, RJ• UFSC, Florianópolis, SC• UNESP, SP• UNICAMP, Campinas, SP• UnB, Brasília, DF
IE 012 26
PNM CI-Brasil
NSCADUFRGSFINEP
CCSUNICAMP
LSI-TECUSP C.E.S.A.R.
Wernher von Braun
CENPRA
LINCS
CETENE
CT-PIM
Atores NacionaisCentros de pesquisa e apoio
Programas Nacionais
GeniunsEldorado
14
IE 012 27
Sistemas Micro-Eletro-Mecânicos
IE 012 28
NomenclaturaMicrossistemas (Microsystems) - Europa
Micro-máquinas (Micromachines) - Ásia
MEMS (Micro-Electro-Mechanical Systems) - EUA
MOEMS (Micro-Opto-Electro-Mechanical Systems)
MST (Microsystems Technology)
Sensores Inteligentes (Smart Sensors)
NEMS
NOEMS
15
IE 012 29
Por que MEMS?
• Tecnologia beneficiada pelas vantagens da microeletrônica– Fabricação em escala (baixo custo)– Tamanho reduzido– Consumo de potência baixo– Boa reprodutibilidade– “Simbiose” com microeletrônica– Novas possibilidades
IE 012 30
Micro-Electro-Mechanical Systems (MEMS) é a integração de elementos mecânicos, sensores atuadores (de diferentes domínios) e dispositivos eletrônicos em um substrato comum através da utilização da tecnologia de microfabricação.
O que é exatamente um O que é exatamente um MEMS?MEMS?
16
IE 012 31
Lei do Moore expandida
Fonte: Intel
IE 012 32
Exemplo MEMS: Monitoramento da pressão em pneus
Fonte: VW
17
IE 012 33
Exemplo MEMS: Projeto Silicon RadioIntel
Objetivos: • Integrar todos os componentes de um rádio em um único chip• Aumentar a flexibilidade e oportunidade de aplicações dos produtos Intel (wireless systens).
Fonte: Intel
IE 012 34
Sensores microeletrônicos
• Sensor: Dispositivo que responde a um estímulo físico ou químico (tal como calor, luz, som, pressão, campo magnético, movimento) e transmite o resultado para um sistema de medida ou controle. [Webster´s Collegiate Dictionary]
18
IE 012 35
Conversão de sinais
em sensores eletrônicos
Radiante
Mecânico
Elétrico
Magnético
Químico
Térmico
Pressão
Aceleração
Vibração
Temperatura
Campo magnético
Radiação luminosa
P.h.
Fluxo
Concentração
Umidade
Potência Elétrica
Deslocamento
IE 012 36
Natureza como fonte de inspiração para micro-sistemas
Biomimetics“Ciência que tenta copiar as estruturas prontas na
natureza”
19
IE 012 37
Alguns dos efeitos químicos e físicos maisutilizados em silício
Galvânico, condução eletrolítica Químico
Hall, magneto-resistência, SuhlMagnético
Seebeck, NerstTérmico
Piezoresistivo, piezojunção, elétrico-acústico
Mecânico
Foto-voltaico, fotocondutivo, foto-elétrico
Radiante
EfeitoDomínio do sinal
IE 012 38
A correta maximização ou minimização dos efeitos
existentes nos semicondutores é a chave
para o sucesso
Todo dispositivo semicondutor é um sensor
20
IE 012 39
Tecnologia planar em Silicio CMOS Bipolar BiCMOS
Deposicao de filmes piezoeletricos magneticos
Desvio do processoconvencional
Micromecanica Corpo Superficie
Encapsulamento especial
Sensor
IE 012 40
Silício como base para microeletrônica, micro-sistemas e MEMS
21
IE 012 41
Propriedades favoráveis do silício
• Excelentes propriedades mecânicas• Efeitos transdutores disponíveis • Tamanho reduzido• Possibilidade de co-integração de
sensores e eletrônica.• Baixo custo para alta escala de produção
IE 012 42
Seção transversal
8 µm
400 µm
Fonte: R. Feynman “There is Plenty of Room at the Bottom”,anual meeting of the American Physical Society at the California Institute of Technology. 1959
22
IE 012 43
• sensores de pressão• acelerômetros• sensores de fluxo• inkjet printers• espelhos deformáveis• sensores de gás• micro-motores• microengrenagens• lab-on-a-chip systems
Exemplos MEMS:
IE 012 44Exemplos de microestruturas
∅ 70 µm
Fio de cabelo
23
IE 012 45
x
ypartefixa
massamóvel acelerômetro
filtro mecânicoatuadores ressonantes
Fonte: R.P.Ribas, UFRGS
Estrutura Comb Driver
IE 012 46
substrato
Back-SideBulk
Micromachining
Front-SideBulk
Micromachining
SurfaceMicromachining
etching
etching
etching etching
Resumo dos métodos mais utilizados de Micro-Usinagem
Fonte: R.P.Ribas, UFRGS
24
IE 012 47
Algumas estruturas realizadas no CCS
IE 012 48
OpçõesOpções de de integraçãointegraçãomicromecânica em micromecânica em um um processo processo
microeletrônicomicroeletrônico• Usando etapas/camadas existentes do
processo microeletrônico padrão• Adicionando etapas/camadas em um
processo de microeletrônica padrão• Pré-processamento (antes da
microeletrônica)• Pós-processamento (após a
microeletrônica)
25
IE 012 49
Frontside bulk-micromachining
http://cmp.imag.fr/MemService/bulk.html
IE 012 50
Algumas ferramentas
• Análise, modelamento (multifísico)– ANSYS, FemLAB, MatLAB
• Projeto do dispositivo– Mentor Graphics, Cadence, L-Edit, SPICE
26
IE 012 51Estudo de CasoSensor de Pressãomicromecânica + microeletrônica
IE 012 52
Simulação ANSYS de um diafragma em
Si
Fonte; Vitor Garcia, tese de mestrado, FEEC UNICAMP
27
IE 012 53
Efeito Piezoresistivo
y
x
z σzz
σzyσzx
σyy
σyz
σyx
σxx
σxy
σxz
[100][110]
[010]
[001]
[100]
[110]
λ σ
σ
[110]ϕ
ρWH
LR =0ij
ijkl kl ijklmn kl mn
ρπ σ π σ σ
ρ∆
= +
IE 012 54
Layout do sensor de pressão piezoresistivo
IREFVOUT
R+∆R R-∆R
R-∆R R+∆R
28
IE 012 55
Circuito de Condicionamento
http://www.sensorsmag.com/isensors/
IE 012 56
Estrutura de teste para
sensor de pressão
Fonte: LSM, F.Fruett e I. Gentini
29
IE 012 57
Encapsulamento de sensores
Fonte: High Density Packaging Group - ETH
Oportunidades:
• Encapsulamento específico• Alto valor agregado• Maquinário de baixo custo
IE 012 58
Radiante
Mecânico
Elétrico
Magnético
Químico
Térmico
Pressão
Aceleração
Vibração
Temperatura
Campo magnético
Radiação luminosa
P.h.
Fluxo
Concentração
Umidade
Exemplos de aplicações de sensores
microeletrônicos e micro-sistemas
30
IE 012 59
Efeito térmico em junções
VBE versus temperatura
2 mV/Kλ
( ) ( ) ( )
( ) ( )
0
0
ln
rBE g r
r
rg BE r
r
kT k TV T V m T m T T Tq q T
kTV m V Tq
T
= + η− − λ + η− −
+ η− −λ =
Vg0
[V]
T [K]
VBE
Tr
IE 012 60
Sensor de temperatura
• LM135 National Instruments
31
IE 012 61
Sensores de pressão em calçados
Fonte: MIT Medialab and Media Lab Europe
IE 012 62
Acelerômetros comerciais
32
IE 012 63
Sensores magnéticos
Placa Hall
Fonte: Popovic
IE 012 64
Placa Hall em tecnologia CMOS
Fonte: Popovic
H XH
GR I BVt
⊥=xj [µm] n[cm-3]
p-epi E15n-well 4 E15~E16
33
EscalaEscala de pHde pH
00 77 1414HH++>>OH>>OH-- HH++ = OH= OH-- HH++<<OH<<OH--
VVGSGS > V> VTT VVGSGS < V< VTTVVGSGS ≈≈ VVTT
VDS
ID
pH = 1
pH = 3pH = 5
pH = 6.5
Do MOSFET ao ISFETsIon-Sensitive FET
P
N N
SoluSoluçãção io iôônicanicaTaTa22OO55
AlAl22OO33
SiSi33NN44
SiOSiO22
- - - - -+ + +
HH++ HH++ HH++
Dupla Camada ElDupla Camada Eléétricatrica
Fonte: Kisner A. e Kubota L. T., IQ Unicamp
N
P P
ModifiModifiçãçãoo dede PortaPorta comcom Elementos SeletivosElementos Seletivos
PolPolíímeros Condutoresmeros Condutores EnzimasEnzimas AnticorposAnticorpos DNADNA
Possibilidades com ISFETs
Fonte: Kisner A. e Kubota L. T., IQ Unicamp
34
IE 012 67Sensor de parâmetros sanguíneos
Fonte: S. Middelhoek and P. French, TU Delft, Holanda
IE 012 68
Sensores Radiantes
• Fotodiodos• Fototransistores• CCDs• Bolômetros
35
IE 012 69
Thermal IR detector array (bolometer)
Fonte: http://www.geog.ucsb.edu and http://www.afrc.af.mil/newsreleases
IE 012 70
5. Conclusões
1) Ramo da ciência com evolução muito rápida
2) Área multidisciplinar
3) Enorme importância econômica
4) É primordial a soma de esforços. Não há espaço para ilhas isoladas, dada a complexidade e multidisciplinaridade.
36
IE 012 71
FIM