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Pr o fs. Ma r c e l o,Pr o fs. Ma r c e l o, Va r o t oVa r o t o ee L e o p o l d oL e o p o l d oUNIVERSIDADE DE UNIVERSIDADE DE SO PAULOSO PAULO

ESCOLA DE ENGENHARIA DE SO CARLOSESCOLA DE ENGENHARIA DE SO CARLOSDEPARTAMENTO DE ENGENHARIA MECNICADEPARTAMENTO DE ENGENHARIA MECNICA

SEM 545 SEM 545 SISTEMAS MICROELETROMECNICOSSISTEMAS MICROELETROMECNICOS

Resp.: Paulo S. VarotoResp.: Paulo S. VarotoMarcelo A. TrindadeMarcelo A. Trindade

Laboratrio de DinmicaLaboratrio de Dinmica

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Pr o fs. Ma r c e l o,Pr o fs. Ma r c e l o, Va r o t oVa r o t o ee L e o p o l d oL e o p o l d oOBJETIVOS DO CURSO OBJETIVOS DO CURSO

SEM 545SEM 545 tem como objetivos principais: Apresentar aspectos introdutrios de Projeto, Modelagem eFabricao de MEMS (MMicro-EElectro-MMechanical SSystems) Discutir aplicaes de MEMS no contexto da Eng. Mecatrnicacom especial ateno para os microsensores e atuadores. responder s perguntas:

o que so, como so projetados e fabricados?

Considera-se como requisitos fundamentais conhecimentos em:

Fundamentos da mecnica dos slidos (SET 183SET 183) Viso sistmica, modelagem e leis fsicas (SEM 533, 535, 172SEM 533, 535, 172) Bons conhecimentos em equaes diferenciais ordinrias, Laplace

autovalores e autovetores (SMA 304 e SMA 127SMA 304 e SMA 127 ) Ferramentas computacionais (MATLAB, MathCad, Ansys, etc. )

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Pr o fs. Ma r c e l o,Pr o fs. Ma r c e l o, Va r o t oVa r o t o ee L e o p o l d oL e o p o l d oO QUE SO MEMS O QUE SO MEMS (ou (ou MicrosystemsMicrosystems))? ?

Integrao total de sensores, atuadores, processadores, controle, potncia em uma micro escala objetivando diminuio de custo, aumento de desempenho, miniaturizao de componentes e mquinas.

Aplicao em sensores, atuadores e micro componentes: - Sensores Inerciais - Sensores de Presso- Sistemas de micro posicionamento (espelhos) - Chaveamento ptico (switches) - RF MEMS

Princpios de Transduo - Mecnicos - Eletrostticos - Trmicos - Piezoeltrico - Fludico

1.94mm

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Pr o fs. Ma r c e l o,Pr o fs. Ma r c e l o, Va r o t oVa r o t o ee L e o p o l d oL e o p o l d oO PAPEL DA ELETRNICA EM MEMS O PAPEL DA ELETRNICA EM MEMS

Aquisio e condicionamento de sinais

Molas eletrostticas

Reduo de rudo

Aumento de preciso na manufatura

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Pr o fs. Ma r c e l o,Pr o fs. Ma r c e l o, Va r o t oVa r o t o ee L e o p o l d oL e o p o l d oREDUO DE RUDOREDUO DE RUDO

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Pr o fs. Ma r c e l o,Pr o fs. Ma r c e l o, Va r o t oVa r o t o ee L e o p o l d oL e o p o l d oTOLERNCIAS DE FABRICAOTOLERNCIAS DE FABRICAO

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Pr o fs. Ma r c e l o,Pr o fs. Ma r c e l o, Va r o t oVa r o t o ee L e o p o l d oL e o p o l d oELEMENTOS BSICOS DA ELETRNICA EM SENSORESELEMENTOS BSICOS DA ELETRNICA EM SENSORES

Interfaces Capacitivas- Aquisio de sinais - Gerao de esforos

Circuitos Capacitivos- Sensores de Posio - Exigncias de acuidade: sensvel a 10-18 F !

Ressonadores Mecnicos- Amplificadores mecnicos

Feedback- Melhoria de desempenho - Confere complexidade

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Pr o fs. Ma r c e l o,Pr o fs. Ma r c e l o, Va r o t oVa r o t o ee L e o p o l d oL e o p o l d oVISO SISTMICA EM MEMS VISO SISTMICA EM MEMS

Mundo Real

TransdutoresMEMS

ProcessamentoDigital dos Sinais,Armazenamento,

Clculos

Sensor

Atuador

Mecnicoptico

FludicoTrmico

...

Sinais Eltricos

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Pr o fs. Ma r c e l o,Pr o fs. Ma r c e l o, Va r o t oVa r o t o ee L e o p o l d oL e o p o l d oPROJETO DE MEMS PROJETO DE MEMS

Categorias de produtos:

Demonstrators: Components or systems intended to drive development or test concepts (usually related to fabrication technology) Research tools: mostly components, intended to enable research of perform a highly specialized task, such as a specific measurement (quantitative accuracy is required) Commercial produrct: Components and full systems intended for commercial manufacturing and sale. Precision and accuracy depend on the application.

Ciclo de desenvolvimento

Mercado: necessidade, tamanho, velocidade de crescimetno. Impacto: representa uma mudana de paradigma, ou abre caminhos?Tecnologia: existe a tecnologia necessaria para fabricar, montar, manipular?Processo de fabricao: custo/volume.

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Pr o fs. Ma r c e l o,Pr o fs. Ma r c e l o, Va r o t oVa r o t o ee L e o p o l d oL e o p o l d oPROJETO DE MEMS PROJETO DE MEMS

Evoluo de mercado:

MEMS device / application 1996 2003

Inertial measurements: accel, gyros, 300-500 700-1400

Microfluidics: inkjet, mass flow, 400-500 3000-4450

Optics: optical switches, displays 20-40 440-950

Pressure measurements: automotive, medic, 400-800 1000-2000

RF devices: cell phone components, radar, 0 40-120

Others: microrelays, sensors, disk heads 500-1000 1200-2500

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Pr o fs. Ma r c e l o,Pr o fs. Ma r c e l o, Va r o t oVa r o t o ee L e o p o l d oL e o p o l d oPROJETO DE MEMS PROJETO DE MEMS

Arquiteturado sistema

SubsistemasMEMS

Estrutura Fsica Dispositivo

ManufaturaCusto

Processo de Fabricao

Mtodo de Transduo

Outros Subsistemas

Aspectos de montagem

Detalhamentodo Projeto

Detalhamentodo Projeto

Requerim

entos

Cap

acid

ades

e L

imit

ae

s

Compromissos

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Pr o fs. Ma r c e l o,Pr o fs. Ma r c e l o, Va r o t oVa r o t o ee L e o p o l d oL e o p o l d oEXEMPLOS (ATUADORES ELETROSTTICOS)EXEMPLOS (ATUADORES ELETROSTTICOS)

Comb Drive Single Crystal Silicon MicroActuators

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Pr o fs. Ma r c e l o,Pr o fs. Ma r c e l o, Va r o t oVa r o t o ee L e o p o l d oL e o p o l d oEXEMPLOS (MOTOR VELOCIDADE/TORQUE)EXEMPLOS (MOTOR VELOCIDADE/TORQUE)

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Pr o fs. Ma r c e l o,Pr o fs. Ma r c e l o, Va r o t oVa r o t o ee L e o p o l d oL e o p o l d oEXEMPLOS (MICROESPELHO PISOTEADO)EXEMPLOS (MICROESPELHO PISOTEADO)

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Pr o fs. Ma r c e l o,Pr o fs. Ma r c e l o, Va r o t oVa r o t o ee L e o p o l d oL e o p o l d oEXEMPLOS (TRANSMISSO DE TORQUE)EXEMPLOS (TRANSMISSO DE TORQUE)

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Pr o fs. Ma r c e l o,Pr o fs. Ma r c e l o, Va r o t oVa r o t o ee L e o p o l d oL e o p o l d oEXEMPLOS (MICROENGRENAGENS)EXEMPLOS (MICROENGRENAGENS)

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Pr o fs. Ma r c e l o,Pr o fs. Ma r c e l o, Va r o t oVa r o t o ee L e o p o l d oL e o p o l d oEXEMPLOS (HYDROPHOBIC ACTUATORS)EXEMPLOS (HYDROPHOBIC ACTUATORS)

Silicon Chiplet on Hydrophobic Binding Site Immersed in Water

Hydrophilic PZT chip on Hydrophobic Substrate

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Pr o fs. Ma r c e l o,Pr o fs. Ma r c e l o, Va r o t oVa r o t o ee L e o p o l d oL e o p o l d oESCOPO E CONTEDO ESCOPO E CONTEDO

A disciplina SEM 545 apresenta o seguinte contedo

Introduo

Reviso de conceitos bsicos - Sistemas mecnicos - Mecnica dos slidos- Transferncia de calor- Mecnica do fluidos - Eletromagnetismo

Princpios de Transduo e Atuao - Sistemas trmicos- Sistemas termo-elsticos- Sistemas eletrostticos - Sistemas magnticos - Sistemas fludicos

Fabrio de MEMS - Materiais - Processos de fabricao

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Pr o fs. Ma r c e l o,Pr o fs. Ma r c e l o, Va r o t oVa r o t o ee L e o p o l d oL e o p o l d oBIBLIOGRAFIA BIBLIOGRAFIA

Pelesko, J. A., Bernstein, D. H., Modeling MEMS and NEMS, Chapman & HallCRC, 2003. (disponvel na EESC)

Senturia, S. D., Microsystem Design, Kluwer, 2001.

Artigos Selecionados

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Pr o fs. Ma r c e l o,Pr o fs. Ma r c e l o, Va r o t oVa r o t o ee L e o p o l d oL e o p o l d oCRITRIO DE AVALIAO CRITRIO DE AVALIAO

O critrio de avaliao de SEM545 ser composto de:

Exerccios distribudos ao longo do semestre (E)

Uma prova no final do semestre (Pr) => 18/06/2007

MEMS Symposium (Sm) com participao obrigatria

100Pr40Sm35E25

Mdia++=