E-Training Microsystems Technologies (Partea a III-a)

7 DECEMBRIE 2010

MSYSTECH, contract nr. LLP-LdV/ToI/2008/RO/003), un proiect european care oferă oportunităţi de perfecţionare în domeniul microsistemelor electronice prin metode moderne de învăţare/formare profesională.

Conf. dr. ing. Libor Rufer Universitatea “Joseph Fourier” Grenoble, Franţa
Reliable MixedSignal Systems Group, TIMA Laboratory

Microsistemele de tip “accelerometru capacitiv” şi implementarea lor în industrie
Accelerometrele capacitive realizate cu materiale semiconductoare au început să fie utilizate la scurt timp după accelerometrele piezorezistive [RUD 82, PET 82]. Folosirea unui element sensibil capacitiv pentru măsurarea deplasării unei mase seismice a atras specialiştii deoarece se evită astfel dependenţa de temperatură specifică piezorezistoarelor. Două tehnologii diferite de microprelucrare sunt capabile să realizeze elementele structurale ale unui acce­lerometru. De exemplu, corodarea anizotropică volumică a siliciului este o tehnologie bine pusă la punct. În comparaţie cu senzorii de presiune, accelerometrele necesită metode mai sofisticate de corodare anizotropică, cum ar fi corodarea pe ambele suprafeţe sau compensarea colţurilor exterioare. Microprelucrarea suprafeţei este o tehnologie competitivă pentru fabricarea accelerometrelor, fiind cea mai potrivită şi pentru integrarea dispozitivelor electronice de detecţie şi reacţie cu masa seismică suspendată, ducând astfel la reducerea costului întregului sistem ce reprezintă accelerometrul.
O secţiune transversală a unui accelerometru capa­citiv tipic, realizat prin microprelucrare în volum, este prezentată în figura 1. Masa seismică este suspendată între două plăci de sticlă Pyrex [SEI 90] sau de siliciu [RUD 87], cu un spaţiu îngust între ele. Plăcile pereche conţin electrozi ficşi, iar masa inerţială constituie electrodul mobil. Mişcarea acesteia, provocată de acceleraţia dispozitivului, va mo­difica valoarea capacităţii raportată la cei doi electrozi ficşi. Această capacitate este introdusă într-o punte capacitivă pentru a converti deplasarea în tensiune electrică.

Figura 1: Accelerometru capacitiv diferenţial

Un avantaj important al accelerometrelor capacitive este că nu prezintă o sensibilitate intrinsecă la temperatură. Singurul efect termic este schimbarea capacităţii cauzată de dilatarea termică a elementelor componente. Proiectarea simetrică a senzorului reduce la minimizarea efectului de dilatare termică, astfel încât aceşti senzori nu au nevoie, în majoritatea cazurilor, de compensarea activă a efectelor temperaturii.
Fabricarea accelerometrelor capacitive realizate prin microprelucrare în volum constă în corodarea plachetei de siliciu pe o singură faţă sau pe ambele feţe pentru a forma suspensia şi masa seismică.
Placheta este contactată anodic la alte două plachete pe ambele părţi. Armăturile condensatorului sunt plasate de o parte şi de alta a masei seismice şi sunt aliniate cu armăturile condensatorului de pe plachetele de protecţie pentru a forma două condensatoare diferenţiale. Dimensiunea accelerometrului este importantă deoarece ea este direct legată de costul acestuia. Uzual, accelerometrele realizate prin microprelucrare în volum au dimensiuni de câţiva milimetri.
Tehnicile de microprelucrare a suprafeţelor folosesc metodele de depunere electrochimică pentru a depune şi a defini masa seismică şi punctul ei de suspensie pe partea frontală a plachetei de siliciu. Un strat superficial este înlăturat după depunerea peliculei structurale, pentru a elibera structura de substrat. Senzorii au tipic câteva sute de micrometri pe fiecare latură, cu grosimea fiecărui strat determinată de timpul de depunere al respectivelor straturi. Performanţa acestor dispozitive depinde foarte mult de uniformitatea şi de proprietăţile mecanice ale straturilor depuse, incluzând şi efectele solicitărilor reziduale în pelicule. Deoarece elementul sensibil este mic şi plasat pe o singură parte a plachetei, circuitele electronice de inter­faţare sunt deseori integrate pe acelaşi chip.
În proiectarea accelerometrelor actuale sunt utilizate diferite variante ale principiilor capacitive primare. Aceste principii folosesc mişcarea laterală, transversală sau de torsiune a unui electrod mobil sau a unui set de electrozi interdigitali.
O schemă simplificată a unui element sensibil capa­citiv este prezentată în figura 2. Armătura superioară a condensatorului este prinsă de suport printr-o bară de torsiune ce are axa în direcţia OX. Structura asimetrică a masei seismice are centrul de masă ce prezintă un offset faţă de axa barei de torsiune, astfel încât acceleraţia în lungul axei OZ produce un moment în jurul axei barei.

Figura 2: Accelerometru capacitiv cu electrod mobil prin torsiune

Pe suprafaţa substratului, mai jos de braţul elementului sensibil, sunt plasate simetric două armături ce formează condensatorul, pe fiecare parte a axei barei de torsiune. Braţul superior şi cele două armături inferioare de pe substrat formează două condensatoare variabile cu aer ce au un nod comun, realizându-se astfel o punte capacitivă activă.
Elementul sensibil poate fi realizat din nichel şi aliajele sale folosindu-se electroformarea selectivă.
Dimensiunile aproximative ale elementului sensibil sunt de 1000μm lungime, 600μm lăţime şi 5-10μm grosime. Spaţierea dintre braţ şi substrat, de aproape 5μm, conduce la o capacitate de aproxi­mativ 0,15pF.
Un accelerometru pe axa OZ cu electrod mobil late­ral (în exteriorul planului) este prezentat în figura 3. Dispozitivul este alcătuit dintr-o celulă capacitivă detectoare realizată prin microprelucrarea supra­feţelor plachetei, celulă care este închisă ermetic la nivel de plachetă cu ajutorul unui “capac” realizat tot prin microprelucrare în volum. Structura meca­nică este realizată din siliciu policristalin prin tehnici de mascare şi corodare. Structura poate fi realizată sub forma a două plăci (armături) fixe, având un electrod mobil între ele. Placa centrală poate fi deviată din poziţia de repaus prin supu­nerea sistemului la o acceleraţie. Când placa cen­trală deviază, distanţa dintre ea şi o armătură fixă va creşte cu aceeaşi valoare cu care descreşte dis­tanţa dintre ea şi cealaltă armătură fixă. Modificarea distanţei reprezintă o măsură a acceleraţiei.

Figura 3: Accelerometru capacitiv cu electrod mobil lateral

Accelerometrul prezentat în figura 4 a fost proiectat pentru senzorii de impact din unităţile de control electronic al airbag-urilor din automobile [ZIM 95]. Elementul sensibil la acceleraţie este o structură capacitivă realizată pe o structură SOI (Silicon on Insulator) prin implantare ionică prin metoda epitaxială (SIMOX) în cadrul unei plachete. Tehnologia SIMOX, iniţial dezvoltată pentru temperaturi înalte sau semiconductoare rigidizate prin radiaţie, s-a dovedit a fi foarte interesantă pentru aplicaţiile din domeniul senzorilor. În particular, pot fi obţinute structuri monocristaline de înaltă calitate de sine stătătoare (libere).

Figura 4: Accelerometru capacitiv cu traductor interdigital lateral

În figura 4 este prezentată o vedere de ansamblu a unei jumătăţi dintr-un element sensibil simetric. Masa seismică centrală, susţinută de patru braţe de suspensie, se poate deplasa paralel cu substratul, de-a lungul axei de interes pe care se face detecţia. Capacităţile realizate prin elementele interdigitale sunt formate între lamelele masei seismice (mobile) şi lamelele electrodului fix. Dispunerea lamelelor se face în aşa fel încât variaţiile capacităţilor să fie de semn opus. Protecţia la suprasarcină este asigurată de două amortizoare care limitează deplasarea în lungul axei de detecţie.

Condiţionarea semnalului în cazul accelerometrelor capacitive
Într-un accelerometru capacitiv tipic, când substratul este supus acceleraţiei, masa seismică se deplasează faţă de poziţia nominală conducând la variaţia capacităţii dintre armătura mobilă şi cea fixă. În funcţie de configuraţia accelerometrului, capacitatea poate fi singulară sau diferenţială. Măsu­rarea capacitivă se poate face în două moduri de ope­rare: buclă închisă şi buclă deschisă.
Măsurarea pentru configuraţia în buclă deschisă poate fi realizată prin măsurarea capacităţii singulare, în timp ce măsurările capacităţii diferenţiale pot fi folosite atât pentru sistemele cu buclă închisă cât şi pentru cele cu buclă deschisă. Când este utilizată metoda măsurării capacităţii diferenţiale, dezechilibrul semipunţii capacitive poate fi măsurat cu precizie [RIS 94, LEM 99].
Capacitatea şi variaţiile de capacitate pot fi măsurate fie printr-un circuit punte, fie folosind tehnica condensatoarelor comutate. Este posibil, prin ultima tehnică, să se măsoare variaţii de capaci­tate de 0,05fF şi mai mici, în condiţii ideale.
Oricare ar fi metodele de măsurare a capacităţii din cadrul unui accelerometru cu structură micro­prelucrată, acestea necesită aplicarea unei tensiuni alternative condensatorului ce este măsurat.
În figura 5 este ilustrată schema de principiu ce prezintă generatoarele de semnal pentru detecţia capacitivă în modurile singular şi diferenţial.

Figura 5: Detecţia capacitivă în modurile singular (a) şi diferenţial (b)

Prezenţa unei tensiuni alternative între armăturile condensatorului produce un câmp electrostatic care generează o forţă de atracţie între ele. Alte forţe pot fi generate de trecerea curentului de măsură care produce un câmp electromagnetic. De asemenea, zgomotul sistemului poate constitui o sursă de forţe electrostatice. Folosind metoda de detecţie cu un singur condensator, câmpul electrostatic produs de forma de undă detectată poate fi semnificativ în cazul în care se folosesc condensatoare cu spaţiere mică între armături.
Acesta poate cauza o deviere a masei seismice. Dacă amplitudinea tensiunii este prea mare, forţele electrostatice pot chiar trage şi bloca masa pe substrat, dispozitivul devenind inutilizabil.
Măsurarea diferenţială, utilizând o armătură mobilă dispusă între două armături fixe, aşa cum este ilustrat în figura 5(b), poate fi folosită în circuite de condiţionare a semnalului în buclă deschisă sau închisă. În ambele cazuri, semnale dreptunghiulare de frecvenţe din domeniul MHz sunt aplicate pe electrozii accelerometrului. Aceste două semnale sunt aduse pe armătura mobilă, unde se anulează reciproc rezultând amplitudinea zero când armă­tura din mijloc este în poziţie centrală.
Acest lucru reduce mult tendinţa de închidere care există pentru modul de operare în buclă deschisă. De asemenea, orice forţe electrostatice generate de zgomot se vor anula. Măsurarea diferenţială îmbu­nătăţeşte mult liniaritatea sistemului şi mini­mizează efectele temperaturii.
Când acceleraţia produce variaţii de capacitate în accelerometru, semnalele corespunzătoare îşi mo­di­fică amplitudinea. Dacă una dintre capacităţi creşte iar cealaltă descreşte, amplitudinile formelor de undă corespunzătoare se vor comporta la fel. Când acestea sunt cuplate la armătura centrală, forma de undă dreptunghiulară rezultată are o amplitudinea şi faza în corelaţie cu amplitudinea şi direcţia acceleraţiei aplicate.

Caracteristicile accelerometrului capacitiv
Principiul de detecţie a acceleraţiei prin metode capacitive evită unele dintre limitările detecţiei piezorezistive. De exemplu, deoarece piezorezistoarele nu trebuie fabricate pe membrană, redu­cerea dimensiunilor dispozitivului se face mai uşor pentru că sunt eliminate problemele legate de medierea solicitării şi toleranţa rezistorului. Pentru senzorul de presiune capacitiv nu există erori de contact mecanic, erori de frecare sau erori de histerezis în cadrul măsurărilor.
Acest tip de senzor este foarte stabil şi reproductibil. Are o dependenţă redusă de temperatură deoarece constanta die­lectrică se modifică foarte puţin în funcţie de temperatură. Tehnologia microsistemelor (MEMS) permite fabricarea de circuite de con­diţionare a semnalului, necesare realizării măsu­rărilor, pe aceeaşi plachetă de siliciu, foarte aproape de senzor. Astfel, influenţa capacităţii para­zite poate fi redusă la minimum, senzorul având în continuare dimensiuni foarte mici.
Avantajele senzorilor capacitivi în comparaţie cu cei piezorezistivi sunt:

• Funcţionarea la temperaturi înalte (>125°C);
• Consum de energie practic nul;
• Capabilitate de lucru la suprapresiune şi rezistenţă ridicată la şocuri de presiune;
• Coeficient de temperatură redus.

Totuşi, detecţia capacitivă a acceleraţiei prezintă şi unele limitări. Capacitatea nu se modifică liniar cu deplasarea diafragmei şi presiunea aplicată.
Impedanţa de ieşire a dispozitivului este ridicată, fapt ce influenţează proiectarea circuitului de inter­faţare, iar capacitatea parazită apărută la inter­faţarea circuitului cu ieşirea dispozitivului poate avea un impact negativ semnificativ asupra măsu­rărilor, ceea ce înseamnă că circuitul electronic de condiţionare trebuie plasat în imediata apropiere a dispozitivului printr-o implementare hibridă sau monolitică. O altă problemă este legată de metodele de interconectare şi încapsulare.
În cazul senzorilor de presiune absolută, cavitatea de sub diafragmă trebuie ermetizată în vid.
Transferul semnalului din interiorul cavităţii în exteriorul acesteia, la intrarea circuitului electronic, astfel încât să se păstreze ermetizarea cavităţii, poate reprezenta o adevărată provocare în cadrul fabricaţiei dispozitivului.

Bibliografie

[ASC 82] ASCH G., Les capteurs en instrumentation industrielle, Dunod, 1982.
[BUT 00] BUTEFISCH S., SCHOFT A., BUTTGENBACH S., “Three-axes monolitic silicon low-g accelerometer”, J. of Microelectromechanical Systems, vol. 9, nr. 4, p. 551-556, 2000.
[GAD 02] GAD-EL-HAK M. (ED.), The MEMS Handbook, CRC Press, 2002.
[LEM 99] LEMKIN M., BOSER B.E., “A three-axis micromachined accelerometer with a CMOS position-sense interface and digital offset-trim electronics”, IEEE J. Solid¬State Circuits, vol. 34, p. 456-468, 1999.
[MID 89] MIDDELHOEK S., AUDET S. A., Silicon sensors, Academic Press, 1989.
[PET 82] PETERSEN K.E., SHARTEL A., RALEY N.F., “Micromechanical accelerometer integrated with MOS detection circuitry”, IEEE Trans. Electron Devices, vol. ED-29, p. 23-27, 1982.
[RIS 94] RISTIC, L., Sensor Technology and Devices, Artech House, 1994.
[ROY 79] ROYLANCE L.M., ANGELL J.B., “A batch fabricated silicon accelerometer”, IEEE Trans. Electron Dev., vol. ED-26, p. 1886-1896, 1979.
[RUD 82] RUDOLF, F., “A micromechanical capaci­tive accelerometer with a two-point inertial-mass suspension”, Sensors and Actuators, vol. 4, p. 191-8, 1982.
[RUD 87] RUDOLF, F., JORNOD A., BENCZE, P., “Silicon microaccelerometer”, Transducers 87, Tokyo, Japan, Dig. Of Tech Papers, p. 395-8, 1987.
[RUF 02] RUFER L., Les microsystèmes électromécaniques. in Mir, S. (Ed.), Les applications des microsystèmes sur silicium. Traité EGEM, Hermes Science Publications, p. 19-64, 2002.
[SEI 90] SEIDEL H., RIEDEL H., KOLBECK R., MÜCK G., KUPKE W., KÖNIGER M., “Capacitive silicon accelerometer with highly symmetrical design”, Sensors and Actuators, vol. A21-A23, p. 312-315, 1990.
[SEL 98] SELVAKUMAR A., NAJAFI K., “A high-sensitivity z-axis capacitive silicon microaccelerometer with a torsional suspension”, J.of Microelectromechanical Systems, vol. 7, nr. 2, p. 192-200, 1998.
[SEN 01] SENTURIA S. D., Microsystem Design, Kluwer Academic Publishers, 2001.
[SYM 97] SYMS R.R.A., HARDCASTLE B.M., LAWES R.A., “Bulk micromachined silicon comb-drive electrostatic actuators with diode isolation”, Sensors and Actuators, vol. A 63, p. 61-67, 1997.
[SZE 94] SZE S.M., Semiconductor sensors, John Wiley & Sons, 1994.
[TAK 01] TAKAO H., FUKUMOTO H., Ishida M., “A CMOS integrated three-axis accelerometer fabricated with commercial submicrometer CMoS technology and bulk-micromachining”, IEEE Trans. Electron Dev., vol. 48, nr. 9, p. 1961-1967, 2001.
[ZIM 95] ZIMMERMANN L., EBERSOH J.PH., LE HUNG F., BERRY J.P., BAILLIEU F., REY P., DIEM B., RENARD S., CAILLÂT P., “Airbag application: a microsystem including a silicon capacitive accelerometer, CMoS switched capacitor electronics and true self-test capability”, Sensors and Actuators, vol. A 46-47, p. 190-195, 1995.

Lasă un răspuns

Adresa ta de email nu va fi publicată. Câmpurile necesare sunt marcate *

  • Folosim datele dumneavoastră cu caracter personal NUMAI pentru a răspunde comentariilor/solicitărilor dumneavoastră.
  • Pentru a primi raspunsuri adecvate solicitărilor dumneavoastră, este posibil să transferăm adresa de email și numele dumneavoastră către autorul articolului.
  • Pentru mai multe informații privind politica noastră de confidențialitate și de prelucrare a datelor cu caracter personal, accesați link-ul Politica de prelucrare a datelor (GDPR) si Cookie-uri.
  • Dacă aveți întrebări sau nelămuriri cu privire la modul în care noi prelucrăm datele dumneavoastră cu caracter personal, puteți contacta responsabilul nostru cu protecția datelor la adresa de email: gdpr@esp2000.ro
  • Abonați-vă la newsletter-ul revistei noastre