Estudio mecánico/eléctrico de un sensor resonador de masa del tipo trampolín y su

proceso de fabricación

B. Susana Soto C.*, Salvador Alcántara I.*, Gabriel Romero-Paredes**, Margarita Galindo M.***, Aldo Aguirre O.***, Miguel Villaseñor D.***

Benemérita Universidad Autónoma de Puebla, **CIDS-ICUAP, ***FCE.Centro de Investigaciones y de Estudios Avanzados IPN, **SEES.

*Av. 14 Sur y San Claudio, San Manuel 72570. Puebla, Pue.Tel.: +222 2295500 ext. 7878, Fax: +222 233 0284

aaguirre@siu.buap.mx, blanca.soto@icbuap.buap.mx

Outline• Resumen• Introducción• Procedimiento tecnológico• Estudio analítico del modelo mecánico y

simulación mecánico/eléctrica• Detección de masa: Métodos de medición de

frecuencia de resonancia– Método Iterativo Automático– Método de Detección Óptica

• Conclusiones y trabajo futuro

IntroducciónDISEÑO DE SISTEMAS

Engineering Tools

VERSATIL

REPRODUCIBLE

CONFIABLE

BIOLOGICA

QUÍMICA

FÍSICA

MICROESTRUCTURA

CANTILEVER

Procedimiento tecnológico (1) Se parte de oblea de silicio tipo N, pulida por ambas caras, orientación (100), resistividad ρ = 14 Ω-cm, espesor ÷ 250-260µm.

Las etapas tecnológicas son las siguientes:

1) Oxidación térmica (1.2 µm) ambas caras A y B2) Depósito de Nitruro de Silicio (LPCVD), cara A3) Óxido depositado (LPCV), cara AM1A-M1B, Fotograbado de marcas de alineación en ambas caras: Grabado en óxido depositado; Grabado en nitruro de silicio; Grabado en óxido térmico ambas caras.

Procedimiento tecnológico (2)

M2 Fotograbado de ventanas para difusión de boro Cara A: Grabado en óxido depositado; Grabado en nitruro de silicio; Grabado en óxido térmico.

Difusión atómica: Depósito de boro, fuente sólidaRemoción de fuente

Distribución con oxigeno

Procedimiento tecnológico (3) M3 Fotograbado para definir trampolines Cara A; Grabado en óxido depositado; Grabado en nitruro de silicio; Grabado en óxido térmico; Micromaquinado inicial breve 1 a 15 µm (vista por el extremo libre).

M4 Fotograbado para zonas de contacto en las resistencias, Cara A; Grabado en óxido depositado; Grabado en nitruro de silicio; Grabado en óxido térmico.

Procedimiento tecnológico (4) Metalizado Aluminio en cara A, cromo en cara B.

M5 Fotograbado de aluminio para pistas y contactos.

M6 Fotograbado de en cara B; Grabado de cromo; Grabado en óxido térmico

Micromaquinado profundo en espesor .

Métodos de detecciónMICROESTRUCTURAS

“CANTILEVER”

CAMBIOS DE FRECUENCIA DE

RESONANCIA

DETECTOR

DE MASA

DESPLAZAMIENTO ESTÁTICO

Método dinámico por diferencia de frecuencia de resonancia

• Comportamiento de un sistema mecánico resonador amortiguado forzado.

( )⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛⋅

−⋅⋅= 2

211604.0l

tYof ρ

ν

Y – módulo de Young

ν- razón de Poisson

ρ - densidad volumétrica

t – espesor

l – longitud

De acuerdo al momento de inercia del área de la palanca, la frecuencia de resonancia es

Método dinámico por diferencia de frecuencia de resonancia

• La detección dinámica de la masa a través de un cambio de frecuencia de resonancia del cantilever.

⎟⎟⎟⎟⎟

⎠

⎞

⎜⎜⎜⎜⎜

⎝

⎛

−⋅−⋅⋅=∆ 21

2'1

33

)21(0261.0ofof

ltwvYm

Y – módulo de Young

ν- razón de Poisson

fo´ - frecuencia resonancia después adsorbematerial

fo - frecuencia resonancia antes adsorber material

t – espesor

l – longitud

Método estático por desplazamiento

• La detección estática de la masa a través del desplazamiento del cantilever debido a la fuerza que ejerce la masa.

Y – módulo de Young

l – longitud

g – gravedad (9.81 m/s2)

t – espesor

w - ancho

YIFly

3

31

=

gFm =

constante de inercia, I

12

3twI ⋅=

Estudio analítico: Comparación de métodos

Cantilever para la aplicación de medidor de películas depositadas,

Película de Aluminio depositada en un área de 36750 µ2 con un espesor de 1µm (ρ = 2.643 g/cm3 ) → masa de 89.3 ng

para un cantilever de Si-c de dimensiones l =2450µm, w =30µmy t=5µm cuyas propiedades elásticas están dadas por Y =130 109Pa, ν =0.28 y ρ =2.33 g/cm3

y = 0.1 µm (analítico)resolución décimas micrómetros

fo = 958.09 Hz (analítico)resolución 45.74 Hz

MÉTODO ESTÁTICOMÉTODO DINÁMICO

Simulación ANSYS Multiphysics• Micro trampolín de PZT

(Zirconato Titanato de Plomo)

• Dimensionesl =7010µm, w =1727µm, t= 610µm

• PropiedadesY = 83x109 Pa, ٧= 0.35, ρ= 7500 kg/(m)3

Simulación ANSYS Multiphysics• Análisis Estático

9.020E-062.130E-01

7.450E-061.760E-01

6.060E-061.430E-01

4.790E-061.130E-01

3.680E-068.700E-02

2.670E-066.300E-02

1.820E-064.300E-02

1.190E-062.800E-02

6.780E-071.600E-02

2.960E-077.000E-03

7.450E-081.760E-03

Desplazamiento FFuerza Aplicada

¾ Keypoints¾ E = Beam3

¾ Mom_Iner = Width*Thickness**3/12¾ R = Thickness*Width,Mom_Iner,Thickness

¾ Antype = 0 (estático)

Simulación ANSYS Multiphysics• Análisis Electroestático

9.040E-06110

7.471E-06100

6.052E-0690

4.781E-0680

3.661E-0670

2.690E-0660

1.868E-0650

1.195E-0640

6.724E-0730

2.988E-0720

7.471E-0810

Desplazamiento VVoltaje Aplicado

¾ Áreas¾ E1 = PLANE 121¾ E2 = PLANE 82

¾ R = width_Trampo

Simulación ANSYS Multiphysics• Comparación de

Resultados

9.020E-062.130E-019.040E-06110

7.450E-061.760E-017.471E-06100

6.060E-061.430E-016.052E-0690

4.790E-061.130E-014.781E-0680

3.680E-068.700E-023.661E-0670

2.670E-066.300E-022.690E-0660

1.820E-064.300E-021.868E-0650

1.190E-062.800E-021.195E-0640

6.780E-071.600E-026.724E-0730

2.960E-077.000E-032.988E-0720

7.450E-081.760E-037.471E-0810

Desplazamiento FFuerza AplicadaDesplazamiento V

VoltajeAplicado

Simulación ANSYS Multiphysics• Análisis Modal

•Se obtiene el primer modo de Frecuencia

•El simulador arroja una frecuencia de Resonancia de:

6,661 Hz

¾ Keypoints¾ E = Beam3

¾ Mom_Iner = Width*Thickness**3/12¾ R = Thickness*Width,Mom_Iner,Thickness

¾ Antype = 2 (modal)

Detección de masa: Métodos de medición de frecuencia de

resonanciaMétodo Iterativo Automático (1)

Trampolín transductor cerámico PZT, l=7.01mm, w =1.727mm, t =0.61mm, Y=83 GPa, ν=0.35, ρ= 7500 kg/m3.

Detección de masa: Métodos de medición de frecuencia de resonancia

• Método Iterativo Automático (2) ResultadosSegundo barrido

Tercer barrido

Detección de masa: Métodos de medición de frecuencia de resonancia

• Método Iterativo Automático (3) ResultadosCuarto barrido

Las mediciones obtenidas fueron las siguientes:

640716359-6459

640926312-6512

6412105991-6951

645150101-8001

Frec. de resonancia (Hz)∆f(Hz)Barrido de frecuencia(Hz)

Detección de masa: Métodos de medición de frecuencia de

resonanciaMétodo de Detección Óptica: Concepto

• Para un transductor piezoeléctrico se logra un desplazamiento al aplicarle un voltaje DC.

Detección de masa: Métodos de medición de frecuencia de

resonanciaMétodo de Detección Óptica: Sistema

El sensor consiste de un diodo emisor infrarrojo y un fototransistor NPN, ambos apuntando a un mismo punto (~2.0mm)

Detección de masa: Métodos de medición de frecuencia de

resonanciaMétodo de Detección Óptica: Calibración

relacion desplazamiento sin espejo vs voltaje

5

5.5

6

6.5

7

7.5

8

8.5

9

9.5

-125 -100 -75 -50 -25 0 25 50 75 100 125

distancia (micras)

Conclusiones Se obtuvieron microestructuras cantilever con técnicas de micromaquinado en espesor de 40 a 100micras de longitud y sujetas a un bastidor. Se realizo el estudio/simulación mecánico/eléctrico del cantilever PZT lo que resulto en la propuesta para combinar ambos resultados (simulación a través de ANSYS Multiphysics y estudio analítico a través de Mathematica) para obtener las dimensiones y el voltaje necesario para detectar la masa debido al desplazamiento. Se desarrollo un software para determinar la frecuencia de resonancia con resolución de un Hz que es útil para detectar masa del orden de los nanogramos. Se realizó un método de detección óptico de desplazamiento del orden de micras con el principio de piezoelectricidad que puede ser utilizado para detección de masa con resolución de microgramos. Este desplazamiento se compara con la simulación estática y electrostática para la obtención de las dimensiones del trampolín.