1 . INTRODUCCIÓN
El trabajo aquí presentado consiste en el diseño de un acelerómetro basado en tecnología MEMS. A partir de los datos y fórmulas dados en el enunciado de la práctica decidimos optimizar el dispositivo en función del parámetro de aceleración, diseñándolo de forma que detectase una alta aceleración. Además de optimizar este parámetro, también intentamos hacer que el número de vigas que componen la parte móvil fuera lo más pequeño posible, llegando a reducir bastante el tamaño del dispositivo. En el siguiente apartado pasaremos a comentar lo anterior con más detalle, a la vez que vamos mostrando cómo llegamos a la optimización anteriormente comentada.

2 . DISEÑO TEÓRICO DEL ACELERÓMETRO
2.1. FÓRMULAS USADAS Las fórmulas que hemos usado para llevar a cabo los cálculos son:
– – – –

–

Frecuencia de resonancia (I):  o= k / m (m=masa de parte móvil) Desplazamiento de la masa (II): y=F / k (F=fuerza ejercida sobre la parte móvil) 2 Desplazamiento de la masa (III): y=a /  o (a=aceleración que se desea medir) Constante elástica (IV): k =4 / 6 EWH 3 / L3 (E=módulo de Young del material, W=anchura de la viga, H=espesor en la dirección de deformación, L=longitud total de la viga) 2 Tensión mecánica máxima (V):  max =3FL/ 4WH 

2.2. ESPECIFICACIONES Los datos de partida, hallados mediante el método de suma de dígitos de los DNIs de los componentes del grupo, han sido:
– – –

Sensibilidad mínima: S≥1.2 mV /m/ s 2 Tensión de alimentación: V s=±20 V Ancho de banda mínimo: BW min =250 Hz
10BW≤o / 2  , por lo cual  o≥15.708 rad / s o min

Del ancho de banda sacamos

Como comentábamos antes, el objetivo es hallar el acelerómetro con mayor rango 2 posible. Sabemos que la aceleración mínima detectable ha de ser a min =250 m/ s , pero no sabemos cúal va a ser la aceleración máxima, y aquí es donde empezamos a hacer los cálculos que nos llevarán al resultado final.

2.3. DISEÑO NUMÉRICO A partir de las fórmulas anteriormente enumeradas, así como de las especificaciones dadas y de nuestro objetivo, pasamos a enumerar los pasos dados para llegar a nuestro resultado final: 1) De la sensibilidad sacamos la aceleración:
S=v o /a  v o max=v s=20v  amax =20/1.2m≈16 km / s 2

Hemos obtenido así la aceleración máxima que comentábamos más arriba. 2) Tomamos y=1 m G o≥ y=1 m G o =1 m

De este modo tenemos la separación entre los electrodos en reposo, la cual nos servirá para dimensionar el dispositivo. 3) Vamos a ver si cumplimos que la frecuencia de resonancia es mayor o igual que la frecuencia de resonancia mínima, obtenida anteriormente: y=a / 2=1 m   2=16 x 10 9 rad 2 /s 2   o=1.265x105 rad / swo min o o

Como vemos, se cumple la relación, por lo cual el diseño está siendo correcto por el momento. 4) A continuación definimos un tamaño de viga, para tener un peso y un tamaño razonable del chip, ya que el tamaño máximo permitido es de un área menor que 500x500 micrometros cuadrados, y además, intentaremos hacerlo lo más pequeño. Comentar que en este apartado fuimos haciendo cálculos sucesivamente, hasta ir optimizando el número de vigas y el tamaño, porque inicialmente nos salía un número de vigas del orden de decenas (partimos de unas cien inicialmente) y queríamos bajar dicho número. Así, llegamos a estos números (expresados todos en μm):
– – –

Tamaño de viga: 400 (L) x 10 (W) x 1 (H) L max = 500, entonces tomamos 400 (por limitaciones de área) H max del poli que usamos es 2, por lo que tomamos 1

Calculamos ahora la constante elástica de una viga: k viga = 4 /6169 x 109 x 10x 10−6 x 10−63 /400 3 x 10−63 = 0.43 N / m

Pero como tenemos 2 vigas ancladas en la parte móvil (una en cada extremo que sirve de anclaje), la constante k que hemos de usar en los cálculos es k´=2k, así que la k´sería: k total =k =2 x k viga =0,86 N /m 

5) Por último calculamos el número de vigas a partir de la masa total de la estructura móvil: mtotal =k / 2=0.86 /16 x 10−9=5.4 x 10−8 gr o

Pero esto equivale a: mtotal = x x  400 x 10 x 1 x−3 x 23 x 10 x 12 x 12 x 10 x 1 x 10−18 x  poly   poly=2330

fórmula de la que despejamos que el número de vigas (x en la fórmula) es aproximádamente igual a 6. 6) Lo último que hacemos es comprobar que no se sobrepasa la tensión mecánica máxima, ya que si no, el dispositivo se partiría:
 =3 x m total x a max x L/ 4 x W x H 2 = 25.922 x 10 6 Pa1200 x 10 6 Pa  max 

De este modo vemos que el dispositivo resiste a la máxima tensión ejercida sobre él, y con este último paso queda completado el diseño.

3 . CARACTERÍSTICAS DEL DISPOSITIVO
A continuación mostramos lo que sería una breve hoja de características de nuestro dispositivo:

Longitud ( L ) Anchura ( W ) Altura (H) Sensibilidad ( S ) Rango ( a max ) Frecuencia de Resonancia ( ω ̻̥ ) Ancho de Banda ( BW )

400 μm 10 μm 1 μm 1.8 mV/(m/s²) 16 km/s² 1.265 e5 rad/s 250 Hz

4 . MÁSCARAS EMPLEADAS
Para la fabricación del dispositivo, hemos empleado 3 máscaras distintas:
– – –

Una para la parte móvil. Otra para los anclajes en los extremos de la parte móvil. Otra para los electrodos fijos.

Pasamos a mostrar las 3 máscaras a continación: 4.1. MÁSCARA DE LA PARTE MÓVIL

4.2. MÁSCARA DE LOS ANCLAJES

4.3. MÁSCARA DE LA PARTE FIJA (ELECTRODOS)

4.4. CONJUNTO TOTAL A continuación adjuntamos una “máscara” total y una vista en 3D del diseño completo.

NOTA: Comentar que las unidades usadas en las máscaras son μm.

5. PROCESO DE FABRICACIÓN
A nuestro dispositivo le hemos dado unas dimensiones de 500um x 158um, dejándole un poco de margen por los lados. De esta forma, como la oblea es de 100mm de diámetro, el cuadrado rojo tiene unas dimensiones de 70.71mm de lado, así que entran:
– –

141 acelerómetros en horizontal (lado largo del acelerómetro) 447 acelerómetros en vertical (lado corto del acelerómetro)

Esto nos da que en el cuadrado rojo entran 63.027 acelerómetros. Sin embargo, en las partes verdes también entra un buen número de dispositivos. Aproximadamente, hemos estimado que se pueden fabricar ahí unos 15.000 más, ya que aunque las áreas verdes sean grandes, no son válidas en su totalidad porque el acelerómetro tiene una forma fija. Además, hay que tener en cuenta que habrá acelerómetros en mal estado por defecto de fabricación. De esta forma, en cada oblea se pueden hacer unos 78.000.

5.1. FLUJO DE FABRICACIÓN El flujo de fabricación de un acelerómetro sería el mostrado a continuación. En él podemos observar que la implementación de la parte fija, los electrodos fijos, se realiza antes que la parte móvil, ya que esta última es más débil y sensible a posteriores tratamientos sobre la oblea, por lo que se ha dejado para el final. No. DESCRIPCIÓN 1 Pasos previos 1.1 Adquisición del sustrato 1.2 Limpieza de las obleas 2 Deposición de materiales 2.1 Deposición de SiN 3 Deposición de polisilicio 3.1 Deposición de poly 4 Fotolitografía de "Parte fija" 4.1 Fabricación de la máscara 4.2 Deposición de la fotorresina Alineación de la oblea y la 4.3 máscara 4.4 Exposición de la oblea 4.5 Revelado 5 Grabado de polisilicio Wet bench Wet bench PECVD Laser writer Spin coater Insoladora Developer track Wet bench Wet bench LPCVD HNA 25ºC (isotrópico), 9min y 42s Stripper, 1min 2um, 40min Negativa S1818 1,8um 18s Máscara "Anclas" Resina positiva Máscara "Anclas" EQUIPO RCA bench PARÁMETROS Si , SSP, 100mm, 380um, 10-100 Ohm.cm Mejora la adhesión de las deposiciones OBSERVACIONES

LPCVD LPCVD Laser writer Spin coater Alineadora Insoladora Developer track

0,2um, 20min 3um, 100min Positiva S1818 1,8um 18s Máscara "Parte fija" Resina positiva Máscara "Parte fija"

5.1 Grabado de poly 5.2 Eliminación de la fotorresina 6 Deposición de materiales 6.1 Deposición de BPSG 7 7.1 7.2 7.3 Fotolitografía de "Anclas" Fabricación de la máscara Deposición de fotorresina Exposición de la oblea

7.4 Revelado 8 Grabado BPSG 8.1 Grabado BPSG 8.2 Eliminación de la fotorresina 9 Deposición de polisilicio 9.1 Deposición de poly 10 Fotolitografía de "Parte móvil"

BHF, 3min Stripper, 1min 1um, 33min y 20 s

10.1 Fabricación de la máscara 10.2 Deposición de la fotorresina Alineación de la oblea y la 10.3 máscara 10.4 Exposición de la oblea 10.5 Revelado 11 Grabado de polisilicio

Laser writer Spin coater Alineadora Insoladora Developer track

Positiva S1818 1,8um 18s

Máscara "Parte móvil" Resina positiva Máscara "Parte móvil"

11.1 Grabado de poly 11.2 Eliminación de la fotorresina 12 Liberación de la estructura

Wet bench Wet bench

HNA 25ºC (isotrópico), 3min y 14s Stripper, 1min Peligro de rotura en secado

12.1 Eliminación de BPSG

Wet bench

BHF, 15min

6. PRESUPUESTO
Siguiendo el proceso de fabricación indicado en el apartado anterior, obtenemos el siguiente presupuesto para 1, 1.000 y 1.000.000 de acelerómetros:

1 ACELERÓMETRO No. Precio Cantidad 1 Pasos previos 1.1 7 €/ud 1 ud 1.2 60 €/ud 1 ud Coste 7,000 € 60,000 €

1.000 ACELERÓMETROS Cantidad Coste 1 ud 1 ud 20 min 100 min 1 ud 1 ud 1 ud 1 ud 7,000 € 60,000 € 125,000 € 200,000 € 900,000 € 50,000 € 80,000 € 20,000 €

1.000.000 ACELERÓMETROS Cantidad 13 ud 13 ud 3 x 20 min 3 x 100 min Coste 91,000 € 780,000 € 125,000 € 500,000 €

2 Deposición de materiales 2.1 125 €/h 20 min 125,000 € 3 Deposición de polisilicio 3.1 100 €/h 100 min 200,000 € 4 Fotolitografía de "Parte fija" 4.1 900 €/ud 1 ud 900,000 € 4.2 50 €/ud 1 ud 50,000 € 4.3 80 €/ud 1 ud 80,000 € 4.4 4.5 20 €/ud 1 ud 20,000 € 5 Grabado de polisilicio 5.1 80 €/h 9 min y 42 s 5.2 60 €/ud 1 ud

1 ud 900,000 € 13 ud 650,000 € 13 ud 1.040,000 € 13 ud 260,000 € 240,000 € 780,000 € 280,000 €

80,000 € 9 min y 42 s 60,000 € 1 ud 40 min 1 ud 1 ud 1 ud 1 ud 1 ud 1 ud

80,000 € 13 x (9 min y 42 s) 60,000 € 13 ud 140,000 € 900,000 € 50,000 € 80,000 € 20,000 € 55,000 € 60,000 € 2 x 40 min

6 Deposición de materiales 6.1 140 €/h 40 min 140,000 € 7 Fotolitografía de "Anclas" 7.1 900 €/ud 1 ud 900,000 € 7.2 50 €/ud 1 ud 50,000 € 7.3 80 €/ud 1 ud 80,000 € 7.4 20 €/ud 1 ud 20,000 € 8 Grabado de BPSG 8.1 55 €/ud 1 ud 8.2 60 €/ud 1 ud 55,000 € 60,000 €

1 ud 900,000 € 13 ud 650,000 € 13 ud 1.040,000 € 13 ud 260,000 € 13 ud 13 ud 55,000 € 60,000 € 200,000 €

9 Deposición de polisilicio 9.1 100 €/h 33 min y 20 s 100,000 €33 min y 20 s 10 Fotolitografía de "Parte móvil" 10.1 900 €/ud 1 ud 900,000 € 10.2 50 €/ud 1 ud 50,000 € 10.3 80 €/ud 1 ud 80,000 € 10.4 1 ud 1 ud 1 ud

100,000 € 3 x (33 min y 20 s) 900,000 € 50,000 € 80,000 €

1 ud 900,000 € 13 ud 650,000 € 13 ud 1.040,000 €

10.5 20 €/ud

1 ud

20,000 €

1 ud

20,000 €

13 ud

260,000 € 80,000 € 780,000 € 715,000 € 13.236,000 € 0,013 €

11 Grabado de polisilicio 11.1 80 €/h 3 min y 14 s 11.2 60 €/ud 1 ud

80,000 € 3 min y 14 s 60,000 € 1 ud 1 ud

80,000 € 13 x (3 min y 14 s) 60,000 € 13 ud 55,000 € 4.232,000 € 4,232 € 13 ud

12 Liberación de la estructura 12.1 55 €/ud 1 ud 55,000 € PRESUPUESTO TOTAL 4.232,000 € COSTE UNIDAD 4.232,000 €