Desenvolvimiento de Sensores Piezoresistivos (1)
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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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8/18/2019 Desenvolvimiento de Sensores Piezoresistivos (1)
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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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8/18/2019 Desenvolvimiento de Sensores Piezoresistivos (1)
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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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Materiais e Métodos –
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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Materiais e Métodos –
Processo de Recozimento Térmico
Temperatura: 1000ºC
Ambiente: Argônio Tempo: 1h
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Materiais e Métodos –
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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Materiais e Métodos –
Fabricação de resistores de SiC
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Materiais e Métodos –
Fabricação de resistores de SiC
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Materiais e Métodos – Caracterização
elétrica dos resistores de SiC fabricados
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Materiais e Métodos –
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.
Materiais e Métodos –
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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Resultados e Discussões – Caracterização
dos filmes de SiC depositados por PECVD
Ligações Químicas – Espectros XRD
Antes do recozimento Após recozimento
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Resultados e Discussões – Caracterização
dos filmes de SiC depositados por PECVD
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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Resultados e Discussões – Caracterização
dos filmes de SiC depositados por PECVD
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
Resultados e Discussões – Caracterização dos
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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
Resultados e Discussões – Caracterização dos
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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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Resultados e Discussões – Caracterização
elétrica dos resistores de SiC fabricadosAmostra P4
Res ltados e Disc ssões Caracteri ação
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Resultados e Discussões – Caracterização
elétrica dos resistores de SiC fabricadosAmostra P5
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Resultados e Discussões – Caracterização
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
Desenvolvimento de um Sensor de Pressão
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Desenvolvimento de um Sensor de Pressão
Piezoresistivo – Dimensionamento do
Diafragma
Dimensões otimizadas: 1800 x 1800 x 30 µm
Ldm = 2500 x 2500 µm
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Desenvolvimento de um Sensor de Pressão
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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Desenvolvimento de um Sensor de Pressão
Piezoresistivo – Projeto das Máscaras
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Desenvolvimento de um Sensor de Pressão
Piezoresistivo – Etapas de Fabricação
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Desenvolvimento de um Sensor de Pressão
Piezoresistivo – Imagens MEV
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52/61
Desenvolvimento de um Sensor de Pressão
Piezoresistivo – Encapsulamento
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Desenvolvimento de um Sensor de Pressão
Piezoresistivo – Fotografias do sensor
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Desenvolvimento de um Sensor de Pressão
Piezoresistivo – Fotografias do sensor
Desenvolvimento de um Sensor de Pressão
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Desenvolvimento de um Sensor de Pressão
Piezoresistivo – Teste
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Desenvolvimento de um Sensor de Pressão
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 !