lunes, 28 de junio de 2010

MEMS: Diseño de un microrelay realizado con tecnología SOI

El desarrollo de dispositivos MEMS (Micro Electro-Mechanical Systems) ha experimentado un continuo crecimiento con nuevas áreas de aplicación. Paralelamente, la tecnología SOI (Silicon On Insulator) a demostrado ser una interesante opción para ser utilizada en la fabricación de microsensores y MEMS surgiendo en el mercado más opciones de servicios de fabricación en este tipo de tecnología. En este trabajo se presenta el diseño de un Demostrador con tecnología MEMS sobre obleas de tipo SOI para ser fabricado por la empresa Tronic's a través del sistema Europractice.
La industria de dispositivos MEMS sigue experimentando un gran crecimiento y ampliando cada vez más sus campos de aplicación. Así mismo, las exigencias del mercado hacen que crezca la demanda de dispositivos de mayor rendimiento y confiabilidad. La utilización de SOI como substrato para la fabricación de dispositivos MEMS a demostrado ser extremadamente versátil [1]. Este material tiene grandes ventajas respecto del silicio policristalino [2]. Sus principales características son el reducido “stress” residual y la posibilidad de combinar circuitos eléctricos con elementos micromecánicos. También se caracteriza por su gran resistencia en ambientes extremos y corrosivos, soportando altas temperaturas y niveles de radiación. Desde el punto de vista del diseño y la producción de MEMS, tiene además la ventaja de requerir un menor número de máscaras para el proceso de fabricación. Como consecuencia de lo expresado surgen en el mercado más alternativas para la fabricación de MEMS utilizando obleas de tipo SOI. Si a eso se le suma la posibilidad de obtener prototipos a bajo costo mediante el sistema de servicios MPW (Multi Project Wafer) la utilización de SOI para el desarrollo de MEMS se convierte en una opción viable e interesante.En este trabajo se presenta el diseño de un Demostrador con tecnología MEMS sobre obleas de tipo SOI para ser fabricado mediante el uso del servicio MPW [3], para la fabricación de prototipos, que la empresa Tronic's ofrece a través del sistema Europractice.
Diseño del demostrador
Se diseñó un Demostrador de MEMS conteniendo veintidós variantes de una unidad microrelay tomada como referencia. A partir de la estructura base del microrelay se diseñaron varios dispositivos con diferentes dimensiones y/o estructuras con el objeto de analizar su comportamiento mecánico y eléctrico. El dispositivo de referencia es un microrelay de contactos laterales accionado mediante actuadores electrostáticos de accionamiento lateral. Los actuadores están formados por dos peines, uno fijo y el otro móvil sujeto a un anclaje por medio de un resorte. El accionamiento elec-trostático presenta ciertas ventajas respecto a otros métodos alternativos. Por su parte la actuación lateral resuelve algunos de los inconvenientes que presenta el accionamiento vertical, como por ejemplo la alinealidad de la fuerza de actuación respecto al desplazamiento [4] [5]. El actuador de tipo peine provee una fuerza electrostática lineal [6] [7], producida por la aplicación de una diferencia de potencial, que depende en gran medida de las dimensiones del actuador [5]. Un parámetro importante es la tensión que se debe aplicar para producir el cierre de los contactos del microrelay. Se determinó que el aumento en el ancho de los dedos del peine, si bien logra una disminución de dicha tensión, su influencia no es muy significativa comparada con la de otros parámetros, por lo cual se mantuvo constante salvo en uno de los dispositivos solo a los fines de verificar los cálculos realizados. Los parámetros que se tomaron en consideración para el diseño de los diferentes dispositivos del Demostrador son la separación entre dedos del peine, la separación en el extremo de los dedos del peine, la cantidad de dedos y la longitud y espesor del elemento elástico. También se utilizó una estructura alternativa para éste último para evaluar su comportamiento. El tamaño del Demostrador es de 3400x3100 µm y los microrelay dentro de dicha área van desde 500x400 µm a 900x400 µm.
PROCESO SOI


El proceso de fabricación SOI utilizado [3], si bien por un lado presentó limitaciones en cuanto a la flexibilidad en el diseño, por otro lado simplificó las tareas, ya que solo fue necesario el diseño de una máscara, correspondiente a la estructura de silicio del conjunto. Las restricciones impuestas por el proceso SOI impidieron obtener la metalización de los contactos laterales del microrelay, por lo que se realizará posteriormente mediante la técnica de evaporación. Para ello se removerá el encapsulado del Demostrador colocado en la etapa final del proceso de fabricación. Se dispusieron, alrededor del área del Demostrador, una serie de pads a los cuales se conectan seis microrelay con el objetivo de ensayar algún tipo de encapsulado posterior. El tamaño de los pads es de 200x200 µm en uno de los laterales y 200x320 µm en el otro con un pitch de 240 µm en ambos casos. La capa estructural de silicio, que forma la estructura móvil de los dispositivos, es de 20 µm de espesor y la capa de óxido de la oblea SOI de 0.4 µm.


DISEÑO DEL LAYOUT


El diseño del Demostrador fue realizado en el IMEC de Leuven-Bélgica ajustándose a las reglas del proceso de fabricación. Para el diseño de la máscara se utilizó el editor de layout de Cadence, el cual está estructurado en forma jerárquica en varios niveles. El nivel más bajo lo constituyen una serie de celdas con estructuras básicas
definidas en forma paramétrica para facilitar la construcción de los diferentes dispositivos del Demostrador que difieren básicamente en sus dimensiones. Las celdas definidas corresponden a las estructuras de los peines de los actuadores, a los contactos del microrelay, a los pads de conexionado, a los anclajes de la estructura y a las vigas del resorte. La posibilidad del editor de trabajar con este tipo de celdas facilitó mucho el diseño del layout. El Demostrador diseñado se envió para su fabricación y se prevé realizar en IMEC la caracterización de los prototipos para evaluar sus resultados.


Jorge Polentino
19769972
CRF
http://www.iberchip.org/VIII/docs/posters/p27.pdf

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