Laboratório de Dinâmica SEM 545 SEM 545 –– SISTEMAS ... · 1 eesc usp universidade de...

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1 EESC EESC EESC EESC USP USP USP USP UNIVERSIDADE DE UNIVERSIDADE DE SÃO PAULO SÃO PAULO ESCOLA DE ENGENHARIA DE SÃO CARLOS ESCOLA DE ENGENHARIA DE SÃO CARLOS DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA MECÂNICA DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA MECÂNICA SEM 545 SEM 545 – SISTEMAS MICROELETROMECÂNICOS SISTEMAS MICROELETROMECÂNICOS Resp.: Paulo S. Varoto Resp.: Paulo S. Varoto Marcelo A. Trindade Marcelo A. Trindade Laboratório de Dinâmica Laboratório de Dinâmica

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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 SÃO PAULOSÃO PAULO

ESCOLA DE ENGENHARIA DE SÃO CARLOSESCOLA DE ENGENHARIA DE SÃO CARLOSDEPARTAMENTO DE ENGENHARIA MECÂNICADEPARTAMENTO DE ENGENHARIA MECÂNICA

SEM 545 SEM 545 –– SISTEMAS MICROELETROMECÂNICOSSISTEMAS MICROELETROMECÂNICOS

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

Laboratório de DinâmicaLaboratório de Dinâmica

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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 545tem como objetivos principais:

• Apresentar aspectos introdutórios de Projeto, Modelagem eFabricação de MEMS (MM icro-EElectro-MMechanical SSystems)• Discutir aplicações de MEMS no contexto da Eng. Mecatrônicacom especial atenção para os microsensores e atuadores. • responder às perguntas:

o que são, como são projetados e fabricados?

Considera-se como requisitos fundamentais conhecimentos em:

• Fundamentos da mecânica dos sólidos (SET 183SET 183)• Visão sistêmica, modelagem e leis físicas (SEM 533, 535, 172SEM 533, 535, 172)• Bons conhecimentos em equações diferenciais ordinárias, 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 SÃO MEMS O QUE SÃO MEMS (ou (ou MicrosystemsMicrosystems))? ?

• Integração total de sensores, atuadores, processadores, controle, potência em uma micro escala objetivando diminuição de custo, aumento de desempenho, miniaturização de componentes e máquinas.

• Aplicação em sensores, atuadores e micro componentes: - Sensores Inerciais - Sensores de Pressão- Sistemas de micro posicionamento (espelhos) - Chaveamento óptico (switches) - RF MEMS

• Princípios de Transdução - Mecânicos - Eletrostáticos - Térmicos - Piezoelétrico - Fluídico

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 ELETRÔNICA EM MEMS O PAPEL DA ELETRÔNICA EM MEMS

• Aquisição e condicionamento de sinais

• Molas eletrostáticas

• Redução de ruído

• Aumento de precisão 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 oREDUÇÃO DE RUÍDOREDUÇÃO DE RUÍDO

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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 oTOLERÂNCIAS DE FABRICAÇÃOTOLERÂNCIAS DE FABRICAÇÃO

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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 BÁSICOS DA ELETRÔNICA EM SENSORESELEMENTOS BÁSICOS DA ELETRÔNICA EM SENSORES

• Interfaces Capacitivas- Aquisição de sinais - Geração de esforços

• Circuitos Capacitivos- Sensores de Posição - Exigências de acuidade: sensível a 10-18 F !

• Ressonadores Mecânicos- Amplificadores mecânicos

• 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 oVISÃO SISTÊMICA EM MEMS VISÃO SISTÊMICA EM MEMS

Mundo Real

TransdutoresMEMS

ProcessamentoDigital dos Sinais,Armazenamento,

Cálculos

Sensor

Atuador

MecânicoÓptico

FluídicoTérmico

...

Sinais Elétricos

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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 mudança de paradigma, ou abre caminhos?Tecnologia: existe a tecnologia necessaria para fabricar, montar, manipular?Processo de fabricação: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

Evolução 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 Física Dispositivo

ManufaturaCusto

Processo de Fabricação

Método de Transdução

Outros Subsistemas

Aspectos de montagem

Detalhamentodo Projeto

Detalhamentodo Projeto

Req

uerim

entos

Ca

pa

cid

ades

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imita

ções

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 ELETROSTÁTICOS)EXEMPLOS (ATUADORES ELETROSTÁTICOS)

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 (TRANSMISSÃO DE TORQUE)EXEMPLOS (TRANSMISSÃO 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 CONTEÚDO ESCOPO E CONTEÚDO

A disciplina SEM 545 apresenta o seguinte conteúdo

• Introdução

• Revisão de conceitos básicos - Sistemas mecânicos - Mecânica dos sólidos- Transferência de calor- Mecânica do fluidos - Eletromagnetismo

• Princípios de Transdução e Atuação - Sistemas térmicos- Sistemas termo-elásticos- Sistemas eletrostáticos - Sistemas magnéticos - Sistemas fluídicos

• Fabrição de MEMS - Materiais - Processos de fabricação

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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. (disponível 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 oCRITÉRIO DE AVALIAÇÃO CRITÉRIO DE AVALIAÇÃO

O critério de avaliação de SEM545 será composto de:

• Exercícios distribuídos ao longo do semestre (E)

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

• MEMS Symposium (Sm) com participação obrigatória

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