Introducción a los MEMS y dispositivos semiconductores

MEMS: Concepto

MEMS: Micro-Electro-Mechanical Systems

MOEMS: Micro-Opto-Electro-Mechanical Systems

Los MEMS (Micro-Electro-Mechanical Systems) son una tecnología de procesos que permite crear dispositivos o sistemas integrados diminutos, los cuales combinan componentes eléctricos y mecánicos. Se fabrican mediante sofisticadas manipulaciones de sustratos de silicio y otros materiales, utilizando procesos de micromecanizado. Son de tamaño micrométrico y tienen la capacidad de medir, controlar y actuar a escala microscópica, generando efectos a escala macroscópica.

Componentes:

En su forma más general, los MEMS consisten en:

• Microestructuras mecánicas
• Microsensores
• Microactuadores
• Microelectrónica, todos ellos integrados en el mismo chip de silicio.

Arquitectura completa

Los microsensores detectan cambios en el entorno del sistema, mediante la medida de información mecánica, térmica, magnética, química o electromagnética. La parte microelectrónica procesa esta información y proporciona las señales a los microactuadores que, como respuesta, producen algún cambio en el entorno.

Definiciones de los componentes básicos

Sensor

Dispositivo que mide alguna información del entorno y genera una señal eléctrica proporcional al parámetro medido.

Tipos de sensores (Dominio de energía e información medida)

• Mecánicos: Fuerza, presión, velocidad, aceleración, posición.
• Térmicos: Temperatura, entropía, calor, flujo de calor.
• Radiantes: Ondas electromagnéticas (intensidad, fase, longitud de onda, polarización), reflectancia, transmitancia, índice de refracción.
• Químicos: Concentración, composición, velocidad de reacción.
• Magnéticos: Intensidad de campo, densidad de flujo, momento magnético, permeabilidad.
• Eléctricos: Tensión, corriente, carga, resistencia, capacidad, polarización.

Actuador

Dispositivo que convierte una señal eléctrica en una acción con el exterior. Por ejemplo, puede crear una fuerza para manipular dispositivos mecánicos o interaccionar con el entorno para desarrollar alguna función útil.

Transductor

Dispositivo que transforma una forma de energía en otra, que es proporcional a la primera. El término transductor se emplea para referirse a sensores y actuadores y es el término más ampliamente utilizado para los MEMS.

Mecanismos de sensado

Sensado capacitivo

Principio de sensado: variación de la capacidad de un condensador plano paralelo. Estos sensores incluyen una o más placas fijas y una o más capas conductoras móviles. Alta precisión y muy usado.

Como la capacidad es inversamente proporcional a la distancia de separación entre las placas, se pueden sensar pequeños desplazamientos con gran precisión.

PLACA-d-PLACA C=Eo*Er*A/d; A=área placa εo= permitividad del vacío= 8.854x10-12 Fm-1 εr = Permitividad relativa del material entre placas A = área de las placas (m) d = separación entre placas (m)

Sensado piezoresitivo

Efecto piezoresistivo: cambio en la resistividad (ρ) de un material cuando se aplica una fuerza de deformación. Cambios en las dimensiones del material producen cambio en la resistencia del mismo. El efecto piezoresistivo en los semiconductores es considerablemente más alto que en los metales tradicionales, por lo que el silicio es un sensor de presión excelente. Los piezoresistores MEMS se fabrican fácilmente usando silicio dopado con impurezas de tipo p o de tipo n.

Ejemplos comerciales de MEMS: Micrófono

Los micrófonos son transductores que convierten ondas de presión acústica en señales eléctricas. El elemento sensor es básicamente un condensador de silicio (dos placas de silicio, una fija y una móvil). La superficie fija está recubierta por un electrodo para hacerla conductiva y está llena de agujeros que permiten que el sonido la atraviese. La placa móvil puede moverse con las ondas sonoras y, por lo tanto, el condensador equivalente entre las placas fija y móvil cambia de valor. Los micrófonos fabricados con tecnología MEMS son mucho más pequeños y se construyen con salida analógica o digital.

Parámetros de micrófonos MEMS

• Sensibilidad: Señal eléctrica a la salida del micrófono para un valor dado de señal de presión acústica a la entrada. La referencia de presión sonora es 1 Pa. Para micrófonos analógicos la sensibilidad se expresa en mVRMS/Pa o dBV/Pa.
• Direccionalidad: Indica la variación de la sensibilidad del micrófono según la dirección de llegada del sonido al mismo. En un micrófono MEMS omnidireccional la sensibilidad no cambia con la posición espacial de la Fuente.
• SNR: La relación señal-ruido especifica la relación entre una señal de referencia y la cantidad de ruido residual a la salida del micrófono.
• Rango dinámico y punto de sobrecarga acústica: El rango dinámico es la diferencia entre el mínimo y el máximo de señal para las que el micrófono es capaz de generar una salida útil. La máxima señal de audio es aquella que el micrófono puede generar sin distorsión (también se conoce como punto de sobrecarga acústica, AOP).

Ejemplos comerciales de MEMS: Sensor de presión

Los sensores de presión MEMS por lo general se basan en membranas delgadas con gas sellado o cavidades llenas de vacío en un lado de la membrana y la presión a medir en el otro lado. Las técnicas de medida de deflexión de la membrana basadas en el efecto piezoresistivo o capacitivo son las que se utilizan con mayor frecuencia en los sensores de presión comerciales.

Principio de detección de presión

El sensor de presión 2SMPP de Omron utiliza un elemento de sensado de tipo piezoresistivo. La Figura muestra una imagen del chip del sensor de presión. El diafragma (círculo azul de la Figura) es un disco muy fino formado en una oblea de silicio y que se deforma por la diferencia de presión en sus lados. En 4 puntos de este diafragma se colocan 4 piezoresistencias.

Método de conexión

Cuando se aplica una corriente constante de 100uA entre los terminales 6 y 3, entre los terminales 1 y 4 se obtiene una tensión de salida dependiente del cambio de presión en el elemento sensor.

Semiconductores y dispositivos

- Los tipos de portadores en un semiconductor son: Electrones y huecos

- Los tipos de corriente en un semiconductor son: Arrastre y difusión y se producen debido a: Arrastre: Aplicación de campo eléctrico Difusión: Gradiente de concentración de portadores

- Los tipos de semiconductores extrínsecos son: Tipo p y tipo n y se caracterizan por: Tipo p: Dopaje con impurezas aceptoras de electrones. Huecos portadores mayoritarios Tipo n: Dopaje impurezas donadoras de electrones. Electrones portadores mayoritarios

b) Nombre 4 dispositivos de dos terminales basados una unión pn e indique sus aplicaciones:

• Diodo rectificador. Circuitos rectificadores para fuentes de alimentación.
• Diodo Zener. Circuitos recortadores y circuitos estabilizadores de tensión para fuentes alimentación.
• Diodo emisor de luz (LED): Emisión de luz en polarización directa (Conversión Ielect-Popt).
• Fotodiodo: Detección de luz en polarización inversa (Conversión Popt- Ielect).

Transistores

Complete las siguientes frases y dibujos pedidos relacionados con los transistores:

- La siglas MOSFET significan: Metal-Oxide-Semiconductor Field Effect Transistor (Transistor de Efecto de Campo de estructura Metal-Óxido-Semiconductor)

- ¿Porqué se denomina a un MOSFET de acumulación? Porque es necesario aplicar una tensión al terminal del control (Puerta/Gate, G) para que se cree el canal de portadores para la generación de corriente.

- ¿Qué tipos de MOSFET de acumulación existen? MOSFET de acumulación de canal N o NMOS y MOSFET de acumulación de canal P o PMOS

- Represente una sección transversal de un NMOS de acumulación, funcionando en la región óhmica o lineal. Indique el nombre completo de todos los terminales, los signos de las tensiones que es necesario aplicar para que funcione en esta región lineal y el sentido de circulación de las corriente en cada uno de los terminales. Terminales: S: Source /Fuente G: Gate/Puerta D:Drain/Drenador B: Body/Sustrato En los MOSFETs discretos el terminal de sustrato se conecta internamente con el de fuente

- Represente el símbolo utilizado en los circuitos para un transistor NMOS de acumulación, indicando el nombre completo de todos los terminales del mismo: Terminales: S: Source /Fuente G: Gate/Puerta D:Drain/Drenador B: Body/Sustrato En los MOSFETs discretos el terminal de sustrato se conecta internamente con el de fuente

Componentes fotónicos y microsistemas

Complete las siguientes frases y dibujos pedidos relacionados con componentes fotónicos y microsistemas:

Los microsensores son dispositivos fabricados sobre silicio que miden variaciones de parámetros del entorno mediante la variación de características eléctricas. Indique los dos tipos de mecanismos de sensado utilizados en microsensores, con una breve descripción de su principio de funcionamiento, y ponga un ejemplo de microsensor que utilice cada una de ellas

Tipos de mecanismos de sensado en microsensores:

• Sensado Capacitivo: Principio de sensado: variación de la capacidad de un condensador plano paralelo. Estos sensors incluyen una o más placas fijas y una o más capas conductoras móviles d A C o r   ·
• Sensado piezorresistivo: Efecto piezoresistivo: cambio en la resistividad (ρ) de un material cuando se aplica una fuerza de deformación. Cambios en la dimensiones del material producen cambio en la resistencia del mismo.El efecto piezoresistivo en los semiconductores es considerablemente más alto que en los metales tradicionales, por lo que el silicio es un sensor de presión excelente.

Ejemplos de microsensores:

• Micrófono: Convierte vibraciones de sonido en tensión utilizando típicamente sensado capacitivo
• Sensor de presión: Convierte variaciones de presión en tensión utilizando típicamente sensado piezorresistivo con un circuito de acondicionamiento basado en un puente de Wheastone

Represente de forma aproximada la curva de atenuación típica de una fibra óptica de sílice actual, indique el valor aproximado de las atenuaciones (en dB/km) y las longitudes de onda características de las tres ventanas de comunicaciones por fibra óptica.

Tipos de transistores

Transistor bipolar (Bipolar Junction Transistor BJT)

• Dispositivo activo de tres terminales que genera una corriente entre dos de ellos que se controla con una corriente mucho menor en el tercer terminal (Base)
• Su uso fundamental es la AMPLIFICACIÓN

Ventajas

• Buena respuesta para señales grandes
• Ganancia de amplificación alta

Inconvenientes

• Al existir corriente en la base presenta resistencia de entrada pequeña
• Se utilizaron en los primeros circuitos integrados (IC), actualmente otros dispositivos ofrecen mejores prestaciones

Transistor de efecto de campo (Field Effect Transistor, FET)

• Dispositivo activo de tres terminales que genera una corriente entre dos de sus terminales al aplicar tensión entre los terminales
• La corriente es controlada por un campo eléctrico
• Usos fundamentales son la AMPLIFICACIÓN e los INTERRUPTORES

Ventajas:

• Se puede utilizar en tecnología planar (IC)
• Alta capacidad de integración
• Alta resistencia de entrada
• Bajo consumo

Inconvenientes

• El aislante de la puerta puede dañarse al aplicar tensión de forma constante en ella
• Ganancia menor que BJT

MOSFET tipo de transistor más utilizado actualmente

MOSFET- PRINCIPIOS DE FUNCIONAMIENTO

oMOSFET (Metal Óxido Semiconductor FET) de enriquecimiento tipo n:

• Estructura: Substrato tipo P y dos zonas dopadas tipo N
• 3 terminales: Fuente (S), Puerta (G), Drenador (S)

Objetivo: Generar movimiento de portadores entre Drenador (D) y Fuente (S) aplicando tensión en los terminales (VGS, VDS)

• Aplicando una tensión VGS se genera una campo eléctrico (E) que atrae a las cargas negativas a la zona superior.
• Se genera una canal entre S y D que permite el paso de corriente
• La anchura del canal depende del campo eléctrico generado (y por tanto de VGS)

Zonas de funcionamiento:

• CORTE : no hay corriente
• ÓHMICA: hay corriente
• SATURACIÓN: hay corriente y se puede controlar

MOSFET- CURVAS CARACTERÍSTICAS (I)

Curva característica iD -VDS

Tipo p:

• portadores son huecos (+)
• Sentido corrientes contrario a tipo n
• Tensiones con polaridad inversa
• Canal se crea cuando VGS≤Vt

Por tipo de canal:

1. Portadores:
   • Canal n: corriente de portadores negativos (electrones)
   • Canal p: corriente de portadores positivos (huecos)
2. Canal:
   • Enriquecimiento: existe canal al superar una tensión umbral (Vt )
   • Deplexión: existe canal sin aplicar tensión
   • Deplexión canal n : Vt<0 Deplexión canal p : Vt>0

BJT- PRINCIPIOS DE FUNCIONAMIENTO

oBJT: 2 uniones PN (EB, CB)

o Zonas de funcionamiento

• Corte (no corrientes): ambas uniones en inversa
• Activa (corriente controlada): EB directa, CB inversa
• Saturación: ambas uniones en directa

Activa (npn):

• EB directa, CB inversa
• La corriente está controlada

BJT- CURVAS CARACTERÍSTICAS I

oiC -VCE (similar a iD -VDS FET)

oDiferencias con FET:

• BJT activa equivale a saturación FET: iC constante
• BJT saturación equivale a óhmica FET

MOSFET /BJT

Solo hay un tipo de portadores moviéndose /Ambos tipos de portadores en movimiento

No hay corriente en la puerta (IG=0) La corriente se controla mediante un campo eléctrico producido al aplicar tensión en la puerta (G) /BJT controla la corriente de colector (iC ) con una pequeña corriente de base (iB )

Menor ganancia , mayor resistencia de entrada(>1014)

Mayoritario en circuitos integrados (CMOS). Alta capacidad de integración y bajo consumo

Produce menos ruido, muy útil para trabajar con señales pequeñas