Desenvolvimiento de Sensores Piezoresistivos (1)

8/18/2019 Desenvolvimiento de Sensores Piezoresistivos (1)

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DESENVOLVIMENTO DESENSORES PIEZORESISTIVOS

Prof. Dr. Marcos MassiLaboratório de Plasmas e Processos

Instituto Tecnológico de Aeronáutica–

São José dos Campos - [email protected]

Dias de la Ciencia AplicadaSeptiembre , 2011 – Medellin - Colombia


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SUMÁRIO

Tecnologia MEMS (conceito, histórico e aplicações)

MEMS e Circuitos Integrados (CI´s)

Etapas de desenvolvimento de sensores MEMS

Principais mecanismos de transdução usados emMEMS

Vantagens e limitações do uso de Si

Ambientes Agressivos

Principais materiais para desenvolvimento desensores MEMS para aplicações em ambientesagressivos

Desenvolvimento de um sensor de pressãopiezoresistivos de SiC


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Tecnologia MEMS (Micro-Electro-MechanicalSystems)

Integração de elementos mecânicos e eletrônicos em

um único “chip”.

Também conhecida como MST – “Microsystems Technology” (Europa) e “Micromachines” ou “Smart Sensors” (Japão)


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Escala e Dimensões


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Tecnologias envolvidas e aplicaçõestípicas


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Vantagens da tecnologia MEMS

Miniaturização : tamanho e peso reduzidos; Baixo custo de fabricação: produção em grande

escala com processos de fabricação bem

estabelecidos; Reprodutibilidade e confiabilidade; Flexibilidade de projeto: soluções

personalizadas e integração com eletrônica.


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Histórico da tecnologia MEMS 1948 Transistor (J. Bardeen,

W.H. Brattain, W. Shockley) 1954 Efeito Piezoresistivo em Si e

Ge (C.S. Smith) 1958 Primeiro circuito integrado

(IC) comercial (J.S. Kilby) 1962 Piezoatuadores integrados

de Si (O.N. Tufte et al.) 1971 A Intel desenvolveu o

processador 4004 com 200transistores

1982 K. Petersen introduz oconceito do silício como materialmecânico.


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Histórico da tecnologia MEMS 1983 1º sensor de pressão de Si

comercial (Honeywell) 1985-1992 Intensificação nos

estudos de fabricação de sensores 1994 Ampla disponibilidade

comercial de sensores de pressão e

acelerômetros 2000 “Kulite Semiconductor” começa a produzir sensores depressão de SiC (substrato)

2002 A Universidade de Berlim emparceria com a Daimler Benzdesenvolve um protótipo de sensorde pressão baseado em filme de

3C-SiC.


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Estágio atual da tecnologia MEMSbaseada em SiTecnologia consolidada e amadurecida com mercado crescente.Movimentou US$ 70 bilhões em 2007.

(fonte “The Economist”, Janeiro 2008)


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Estágio atual da tecnologia MEMS


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Principais mecanismos detransdução utilizados em MEMS

Tran

sdutor

MEMS

Entrada

P.Ex.:

Tensão mecânica

1. Variação de resistividade

(Efeito Piezoresistivo)

2. Variação de potencial

(Efeito Piezelétrico)

3. Variação de capacitância

(Efeito Capacitivo)

Saída


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Por que usar Si para fabricar MEMS?

Propriedades mecânicas e elétricas já são bemconhecidas;

A tecnologia de CI’s foi toda desenvolvida para o Si,ou seja, as técnicas de processamento estão

consolidadas; Disponibilidade de substratos comerciais com alta

pureza (99.999%) e grandes diâmetros (até 12 pol.); É possível integrar eletrônica; Ampla faixa de resistividade 230k.cm (intrínseco) e

pode chegar a 0.5 m.cm (altamente dopado); A temperatura ambiente e até 125ºC dispositivos

eletrônicos baseados em Si apresentam desempenhosuperior aos baseados em outros materiais.


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MEMS E CIRCUITOS INTEGRADOS (CI´s)

Os sensores MEMS são constituídos por estruturas 3Dsuspensas ( vigas, membranas.....).

Tecnologia de fabricação

De CI´s (estruturas 2D)

Tecnologia MEMS

(estruturas 3D)

Microusinagem

(“Micromachining’)


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Alguns softwares usados para auxiliar odesenvolvimento de sensores MEMS

Projeto: Cadence,Spice, Matlab .......

Simulação: ANSYS,COMSOL, NASTRAN....

Processo defabricação: SUPREM,COVENTOR....


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Etapas de desenvolvimento deSensores MEMS

Projeto: dimensionar o sensorpara uma determinada aplicação

Análise do projeto: modelageme simulação do sensor

Confeccionar máscaras litográficase definir seqüência de fabricação

Processos de microfabricação

EncapsulamentoTeste do sensor


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Quando não utilizar Si como materialbase para MEMS?

Ambientes AgressivosSão ambientes extremos de temperatura,

pressão, radiação e ataque químico.


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Ambientes Agressivos

Principais aplicações que necessitam de sensores capazes

de operar nesses ambientes:

Aplicações terrestres Automotivas: monitoramento da

combustão do motor;

Aeronáuticas: diversas aplicaçõesna turbina a gás;

Petroquímicas: Exploração de

petróleo combinação altatemperatura, alta pressão e presença de fluídos corrosivos;

Aplicações espaciais


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Principais materiais para desenvolvimento desensores MEMS para aplicações emambientes agressivos

SiC AlN

Si3N4 Óxidos semicondutores (ZnO, TiO2,

SiO2, ITO ....)

DLC (~até 300ºC)


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É melhor usar filme fino ou substrato(“bulk”)?

Os substratos de SiC, AlN, ZnO disponíveiscomercialmente tem diâmetro de no máximo 3 pol. com

custo ~15x maior que o wafer de Si; Os processos de corrosão e metalização ainda não estão

consolidados;

Desvantagens do substrato

Desvantagens do filme fino

•Difícil reprodutibilidade;

•Propriedades elétricas e mecânicas inferiores as dosubstrato.


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DESENVOLVIMENTO DE UM SENSOR

DE PRESSÃO PIEZORESISTIVO

DE CARBETO DE SILÍCIO


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Objetivos

• Síntese, dopagem, caracterização e corrosão de

filmes de SiC

• Estudo das propriedades piezoresistivas de filmes

de SiC produzidos

• Fabricação e caracterização de um protótipo


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Por que usar o carbeto de silício (SiC) ?

Excelente estabilidade térmica e química;

Excelentes propriedades mecânicas;

Compatibilidade com os processos demicrofabricação baseados em silício.


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Técnicas para obtenção do filme de SiC

PECVD e sputtering

Processo Vantagens Desvantagens

PECVD baixa temperatura

alta taxa de deposição

boa adesão filme /substrato

geralmente, os filmes não são

estequiométricos

há incorporação de

subprodutos da reação H, N e O .

Sputtering Melhor controle da

composição do filme

boa adesão filme / substrato

alta taxa de deposição

baixa uniformidade

Desafios:• Tamanho dos substratos

• Alta densidade de defeitos• Preço do substrato


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Métodos utilizados para dopagem de

filmes de SiC

Dopagem in situ tipo N : adição dos gases N2 ou PH3tipo P: adição do gás B2H6

Implantação iônica tipo P: implantação de Al ou Btipo N: implantação de N ou P

Difusão térmica tipo P: difusão de Al


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Etapas de processamento para fabricação de

dispositivos baseados em SiC

Oxidação Óxido nativo é o SiO2

Corrosão

• Resistente a corrosão úmida em soluçõescomo KOH ou HF• Corrosão por plasma utilizando gasesfluorados

Metalização Metais mais utilizados: Al ou Audepositados sobre Ti


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Materiais e Métodos –

Deposição de filmes de SiC por PECVD

Substrato: Si (100) tipo –PLimpeza: RCAParâmetros de deposição constantes:

Fluxo de CH4: 20 sccm

Fluxo de Ar : 20 sccmTempo: 20 minPressão: 0,2 Torr

Amostra Fluxo de SiH4(sccm)

Fluxo de N2(sccm)

P1 1 -

P2 2 -

P3 3 -

P4 4 -

P5 4 2


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Deposição de filmes de SiC por sputtering

Alvo: SiC (99,5% de pureza)Substrato: Si (100) tipo-PLimpeza: RCAFluxo de Ar : 7 sccmPotência: 200WTempo: 120 min

Amostra Fluxo de N2(sccm)

M0 -

M1 0,7

M2 1,4

M3 2,1

M4 2,8

M5 3,5


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Processo de Recozimento Térmico

Temperatura: 1000ºC

Ambiente: Argônio Tempo: 1h


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Corrosão RIE dos filmes de SiC

Parâmetro Valor

Temperatura do

substrato (ºC)

20

Pressão (mTorr) 25

Potência (W) 50

Tempo (min.) 3

Fluxo total dos

gases (sccm)

12

Concentração

de O2 (%)

20 ou 80

SF6 + O2


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Fabricação de resistores de SiC


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Fabricação de resistores de SiC


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Materiais e Métodos – Caracterização

elétrica dos resistores de SiC fabricados


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Caracterização piezoresistiva dos resistores de SiC

Dimensões da viga: 120 mm x 25 mm x 1,2 mm


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Procedimento experimental:

- A resistência do resistor sem tensãomecânica aplicada (R0) foi medida;

- Um bloco com massa de 20 g foicolocado na extremidade livre da viga.

- A resistência do resistor (Rf ) quando aviga está submetida a essa tensãomecânica foi medida;

- Determinou-se a variação da resistênciaelétrica R/R;

- O procedimento foi repetido para blocoscom 40, 60, 80 e 100g.


Caracterização piezoresistiva dos resistores de SiC


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Resultados e Discussões – Caracterização

dos filmes de SiC depositados por PECVD

Amostra FluxoSiH4

(sccm)

Si(at. %)

C(at. %)

O(at. %)

P1 1 9,0 82,0 5,0

P2 2 14,0 86,0 4,5

P3 3 18,0 73,0 5,0

P4 4 25,0 68,0 4,8

Composição Taxa de deposição

Amostra P5 (dopada): 31% de Si, 56% de C, 7% de N e 3% de O


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Ligações Químicas – Espectros XRD

Antes do recozimento Após recozimento


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Amostra Espessura

(nm)

Resistividade

(.cm)

P1 500 12,5

P2 580 10,4

P3 640 12,8

P4 720 12,3

P5 480 1,3 x10-2

Resistividade Módulo de Elasticidade


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Taxa de corrosão

(nm /min)

Concentraçãode O2 namistura

Filmecomo

depositado

Apósrecozimento

20 145,0 30,0

80 160,0 12,5

* Amostra P4


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Resultados e Discussões – Caracterização dos

filmes de SiC depositados por sputtering

N2/Ar Amostra Si

(%)

C

(%)

N

(%)

O

(%)0 M0 48 48 - 2

0,1 M1 28 24 46 1,5

0,2 M2 28 22 48 1,5

0,3 M3 27 20 51 20,4 M4 27 18 52 2

0,5 M5 25 20 53 1,5

Composição Taxa de deposição



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Resultados e Discussões Caracterização dos

filmes de SiC depositados por RF magnetron

sputtering

Ligações Químicas – Espectros XRD

Antes do recozimento Após recozimento



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Resultados e Discussões Caracterização dos

filmes de SiC depositados por RF magnetron

sputtering

Amostra Espessura(nm)

Resistividade(M.cm)

M0 816 0,25

M1 756 2,27

M2 608 4,87M3 577 2,9

Resistividade Módulo de Elasticidade

* Após recozimento

Resultados e Discussões Comparação entre


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Resultados e Discussões – Comparação entre

as propriedades dos filmes obtidos com os

apresentados na literatura

Este trabalho Literatura

a-SixCy a-SixCy

tipo N

a-SiC a-SiCxNy 3C-SiC a-SiC:H a-C:H

Técnica de

deposição PECVD PECVD sputtering sputtering CVD PECVD PECVD

Estrutura amorfa amorfa amorfa amorfa cristalina amorfa amorfa

Módulo de

elasticidade

(GPa)72 a 65 57 17 28 a 88 359,5 150

21,5

a

26

Resistividade

(.cm)

12,5

a

10,4

1,3 x 10-2 0,25 x 1062,27x 106

a

4,87x 1060,18 1 x 103 1,8 x 106

C


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elétrica dos resistores de SiC fabricadosAmostra P4

Res ltados e Disc ssões Caracteri ação


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elétrica dos resistores de SiC fabricadosAmostra P5


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piezoresistiva dos resistores de SiC

Variação da resistência elétrica Coeficiente Piezoresistivo


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Desenvolvimento de um Sensor de Pressão

Piezoresistivo – Estrutura proposta

Pressão aplicada

Diafragma de Si

Piezoresistores de SiC

Ponte de Wheatstone

Tensão de saída



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Piezoresistivo – Dimensionamento do

Diafragma

Dimensões otimizadas: 1800 x 1800 x 30 µm

Ldm = 2500 x 2500 µm


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Piezoresistivo – Dimensionamento dos Piezoresistores

O comprimento do piezoresistor ( Lr), a

largura do piezoresistor (W) e a distância

entre a borda e o piezoresistor (d) são as

variáveis do projeto, pois a espessura do

piezoresistor é a espessura do filme de SiC; O valor de Lr deve ser o menor possível

para que os piezoresistores perpendiculares

às bordas não fiquem próximos ao centro do

diafragma que é a região de mínimo stress;

As máscaras que serão utilizadas para

fabricação do sensor serão impressas emfotolitos, então, o comprimento e a largura

do resistor devem ser maiores que 50 m;


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Piezoresistivo – Projeto das Máscaras


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Piezoresistivo – Etapas de Fabricação


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Piezoresistivo – Imagens MEV


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Piezoresistivo – Encapsulamento


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Piezoresistivo – Fotografias do sensor


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Piezoresistivo – Fotografias do sensor



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Piezoresistivo – Teste


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Piezoresistivo – Caracterização


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Conclusões

Filmes produzidos

• Os filmes depositados sãocompostos não-estequiométricosde Si e C (SixCy);

• O processo de dopagem “in situ”

por adição de N2 foi eficiente;• Os espectros XRD mostraramque os filmes apresentam baixograu de cristalização.

PECVDSputtering

• O filme depositado sem N2 é umcomposto estequiométrico SiC;• O processo de dopagem “in situ” foiineficiente, pois promoveu a

formação de filmes SiCxNy;• Baixo grau de cristalização• Alta resistividade e baixo módulo deelasticidade


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Conclusões

Protótipo de sensor de pressãode SiC desenvolvido

Principal diferencial piezoresistoresfabricados em filme amorfo de SiC

Boa sensibilidade ~2,7 mV/psi

Problemas de repetibilidade


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Trabalhos Futuros

Caracterização do protótipo desenvolvidoem altas temperaturas.

Aprimoramento das etapas de fabricaçãoe encapsulamento do sensor.

Otimização dos processos de deposiçãodos filmes.

Aplicação dos filmes de SiC produzidosem outros tipos de dispositivos.


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Agradecimentos


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Gracias !

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