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D D esarr o fu e Proy o llo y f e rza pa A l E s ecto abrica c ra má q co o l ejandr o A n d José Ant o s cuela de I n Fin d c ión d e q uinas o rdena Autor o Sierra Director d reas Die t Ponente o nio Alba j n geniería y 2013 d e Ca e un se de me d das Grana d t zel j ez Garcí a Arquitectu rrer a nsor d e d ición d a a ra a e micr o por o ¡Error! Utilice la ficha Inicio para aplicar Titre 1 al texto que desea que aparezca aquí. Master´s thesis Masterarbeit Development of a silicon and polymer three dimensional micro force sensor Alejandro Sierra Granada Matriculation number: 4249463 Technische Universität Braunschweig Fakultät für Maschinenbau Executed at the Institut für Mikrotechnik Examiner: Prof. Dr. Andreas H. Dietzel Supervisor: Dipl.-Ing. Nelson Ferreira Submitted on 22nd March 2013 Sensor de micro fuerza con polímero como membrana Alejandro Sierra II Resumen Este proyecto describe la fabricación y caracterización de un sensor de micro fuerza consistente en una mezcla de polímero y silicio que está en período de desarrollo por el Instituto de Microtecnología de Braunschweig (Alemania). El objetivo de dicho sensor es su utilización como elemento sensible de un palpador por contacto para la nueva generación de máquinas de micro medición por coordenadas en las cuales se requieren fuerzas de palpado extremadamente bajas para no dañar el elemento medido así como elevadas precisiones (nanométricas). Dentro de esta línea de investigación ya se han desarrollado anteriormente otros prototipos de sensores utilizando exclusivamente silicio que servirán de punto de partida para el presente trabajo. Así, el objetivo global de este PFC consistiría en la realización de un nuevo prototipo que introduzca en su estructura materiales poliméricos sustituyendo parte del silicio, y de esta manera lograr un sensor más flexible, sensible y económico. Los resultados fueron satisfactorios, permitiendo continuar en futuras líneas de investigación probando otros polímeros para reemplazar al silicio anteriormente citado. Respecto a los resultados con los polímeros utilizados en este proyecto: uno tuvo un resultado insatisfactorio y el otro respondió correctamente durante todo el proceso de fabricación y tests realizados posteriormente. Sensor de micro fuerza con polímero como membrana Alejandro Sierra III Agradecimientos En primer lugar, me gustaría agradecer al Prof. Dr. Andreas H. Dietzel y al Instituto de Microtecnología de Braunschweig por la posibilidad de desarrollar mi proyecto de fin de carrera en un instituto con tanta capacidad y tecnología como es el IMT de Braunschweig. Mis agradecimientos especiales para mi supervisor en Alemania el Dipl.-Ing. N. Ferreira quien me ayudó, enseñó y guió a través del desarrollo de mi proyecto de fin de carrera. También debo dar las gracias a todo el personal técnico del IMT por su ayuda en cualquier momento que me era necesaria. Por último, debo dar gracias al profesor encargado de llevar mi proyecto final de carrera y toda la documentación necesaria en Zaragoza, el Dr.-Ing. José Antonio Albajez, y por su ofrecimiento inicial de llevar mi proyecto en la Universidad de Zaragoza. Sensor de micro fuerza con polímero como membrana Alejandro Sierra IV Tabla de contenidos Resumen .................................................................................................................................... II Agradecimientos ....................................................................................................................... III Índice de figuras ....................................................................................................................... VI Índice de tablas ...................................................................................................................... VIII 1. Introducción ........................................................................................................................... 1 1.1 Introducción ...................................................................................................................... 1 1.2 Objetivos y alcance ........................................................................................................... 2 2. Estado del arte ........................................................................................................................ 3 2.1 Sensores, generalidades y principio de funcionamiento del sensor desarrollado ............. 3 2.1.1 Definición ................................................................................................................... 3 2.1.2 Características principales de un sensor ..................................................................... 3 2.1.3 Principio de funcionamiento del sensor desarrollado ................................................ 4 2.1.4 Circuito de acondicionamiento: Puente de Wheatstone ............................................. 6 2.2 Sensores de micro fuerza en 3D basados en silicio .......................................................... 8 2.2.1 Descripción general .................................................................................................... 8 2.2.2 Principio de funcionamiento ...................................................................................... 9 2.2.3 Fabricación ............................................................................................................... 11 2.2.4 Diferentes diseños de estructura ............................................................................... 12 2.2.5 Aplicación de los sensores de micro fuerza: Metrología dimensional ..................... 15 2.3 Caracterización de un sensor de micro fuerza ................................................................ 16 2.3.1 Sensibilidad .............................................................................................................. 16 2.3.2 Propiedades mecánicas: dureza y deformación máxima .......................................... 17 2.3.3 Midiendo las propiedades principales ...................................................................... 18 2.4 Sensores de micro fuerza desarrollados .......................................................................... 19 2.4.1 Membrana de silicio exclusivamente ....................................................................... 19 Sensor de micro fuerza con polímero como membrana Alejandro Sierra V 2.4.2 Membrana desarrollada con un polímero ................................................................. 22 3. Fabricación de un sensor de micro fuerza con membrana polimérica ................................. 25 3.1 Introducción .................................................................................................................... 25 3.2 Pasos para replazar la membrana de silicio por una polimérica ..................................... 27 3.3 Polímeros utilizados ........................................................................................................ 32 3.3.1 Poliamida .................................................................................................................. 32 3.3.2 SU-8 5 ...................................................................................................................... 35 3.3.3 PerMX 3050 ............................................................................................................. 36 4. Conclusión ........................................................................................................................... 37 5. Anexos ................................................................................................................................. 38 A. Fabricación con poliamida .............................................................................................. 38 B. Fabricación con PerMX 3050 ......................................................................................... 51 C. Resultados y conclusiones .............................................................................................. 54 D. Proceso de fabricación de un sensor de micro fuerza con membrana polimérica realizada con PerMX 3050 ................................................................................................................... 61 E. Proceso de fabricación de un sensor de micro fuerza con membrana polimérica realizada con DuPont™ Kapton® polyimide film (50 µm) ................................................................. 65 6. Bibliografía .......................................................................................................................... 69 Sensor de micro fuerza con polímero como membrana Alejandro Sierra VI Índice de figuras Ilustración 2.1: Principio de funcionamiento de un sensor ........................................................ 3 Ilustración 2.2: Diagrama del tratamiento de una señal en un sistema de sensado .................... 4 Ilustración 2.3: Esquema de un puente de Wheatstone completo con piezorresistores. ............ 5 Ilustración 2.4 : Esquema de un piezorresistor [Web 05]........................................................... 6 Ilustración 2.5: Esquema de un puente de Wheatstone .............................................................. 7 Ilustración 2.6: Sensor que actúa detectando cambios de forma en la membrana ..................... 8 Ilustración 2.7: Los resultados de medida muestran la variación de la resistencia .................... 9 Ilustración 2.8: Diagrama del principio de funcionamiento de un sensor de micro fuerza ........ 9 Ilustración 2.9: Esfuerzos en la membrana causados por fuerzas aplicadas ............................ 10 Ilustración 2.10: Ilustración de un sensor de micro fuerza [Fer 12] ......................................... 10 Ilustración 2.11: Los 3 principales pasos de fabricación de un sensor ..................................... 12 Ilustración 2.12: Esquema de un sensor de micro fuerza. ........................................................ 13 Ilustración 2.13: Diferentes diseños de membrana con un eje central ..................................... 14 Ilustración 2.14: Esquema sencillo de una micro/nano MMC. ................................................ 15 Ilustración 2.15: Esquema de un sensor de micro fuerza con los puentes de Wheatstone. ...... 16 Ilustración 2.16: Señal de salida en los puentes de Wheatstone. .............................................. 17 Ilustración 2.17: Gráfico de la dureza de un micro sensor fabricado en silicio [Tib 09]. ........ 17 Ilustración 2.18: Esquema del utillaje de medida de un sensor de micro fuerza. ..................... 18 Ilustración 2.19. Esquema de un sensor en forma de cruz [Pha 08]. ........................................ 19 Ilustración 2.20: Sensor de tres ejes con 24 piezorresistores [Büt 01]. .................................... 21 Ilustración 2.21: Mejora del sensor anterior con menos piezorresistores [Büt 01]. ................. 22 Ilustración 2.22: Sensibilidades dependiendo del módulo de Young del material. .................. 24 Ilustración 3.1: Sensor desarrollado sin eje central. ................................................................. 25 Ilustración 3.2: Esquema del sensor de micro fuerza desarrollado .......................................... 26 Ilustración 3.3: Paso antes de comenzar la adición del polímero. ............................................ 27 Ilustración 3.4: Polímero laminado en la superior de la oblea. ................................................ 28 Ilustración 3.5: Polímero estructurado sobre la oblea, donde los pads han sido abiertos. ....... 28 Ilustración 3.6: Estructuración de la parte trasera de la oblea .................................................. 29 Ilustración 3.7: Estructuración con ICP de los últimos micrómetros. ...................................... 30 Ilustración 3.8: Sensor de micro fuerza correctamente desarrollado ........................................ 30 Ilustración 3.9: Sensor defectuoso con la adhesión rota. .......................................................... 31 Sensor de micro fuerza con polímero como membrana Alejandro Sierra VII Ilustración 3.10: Estructura de la poliamida [Web 04]. ............................................................ 32 Ilustración 3.11: Aberturas de poliamida usando el proceso de eliminación descrito ............. 34 Ilustración 3.12: Velocidades de eliminación para una presión de 0.2 Torr [Tur 83]. ............. 34 Ilustración 3.13: PerMX 3050 (azul) con dos polímeros de protección [Per da]. .................... 36 Ilustración 5.1: Oblea laminada con poliamida y SU-8 5 como adhesivo. .............................. 39 Ilustración 5.2: Oblea con una capa de aluminio sobre la poliamida. ...................................... 39 Ilustración 5.3: Oblea con aluminio como máscara, preparado para estructurar la poliamida. 40 Ilustración 5.4: La oblea de la izquierda fue laminada a 80ºC. ................................................ 42 Ilustración 5.5: Detalle de una oblea estructurada a 200 W en el barrel etcher. ...................... 43 Ilustración 5.6: Velocidades de eliminación de poliamida. ...................................................... 44 Ilustración 5.7: Test con la máquina ICP usando SF6 y O2 como combinación de gases. ...... 45 Ilustración 5.8: Test con la máquina ICP usando SF6, O2 y N2. .............................................. 45 Ilustración 5.9: Test con la máquina ICP usando SF6, O2 y CF4. ............................................ 46 Ilustración 5.10: Velocidad de eliminación respecto al tiempo del proceso. ........................... 47 Ilustración 5.11: Visión microscópica de un pad estructurado. ................................................ 47 Ilustración 5.12: Fotografía de la cara inferior de una oblea. ................................................... 48 Ilustración 5.13: Zoom en la zona estructurada de una oblea. ................................................. 49 Ilustración 5.14: Olas y efectos no deseados en la primera oblea probada. ............................. 52 Ilustración 5.15. PerMX 3050 correctamente estructurado ...................................................... 52 Ilustración 5.16: Obleas estructuradas con PerMX 3050 sobre ellas ....................................... 53 Ilustración 5.17: Señal de salida frente a la posición en el eje Y. Sentido de 0 µm a 90 µm. .. 55 Ilustración 5.18: Señal de salida frente a la posición en el eje Y. Sentido de 90 µm a 0 µm. .. 55 Ilustración 5.19: Señal de salida frente a la posición en el eje Z. Sentido de 0 µm a 90 µm. .. 56 Ilustración 5.20: Señal de salida frente a la posición en el eje Z. Sentido de 90 µm a 0 µm. .. 57 Ilustración 5.21: Fuerza contra deformación en ambas direcciones principales. ..................... 58 Sensor de micro fuerza con polímero como membrana Alejandro Sierra VIII Índice de tablas Tabla 2.1: Sensibilidades en las direcciones vertical y horizontal ........................................... 13 Tabla 2.2: Sensibilidades para el diseño de la membrana completa ........................................ 20 Tabla 2.3: Sensibilidades para el diseño en forma de cruz (difusión P) [Pha 09]. ................... 20 Tabla 2.4: Valores máximos de desplazamiento y fuerza de ambos diseños [Pha 09]. ........... 20 Tabla 2.5: Comparación entre la dureza. .................................................................................. 21 Tabla 2.6: Comparación entre las sensibilidades de una membrana. ....................................... 23 Tabla 2.7: Comparación entre la dureza. .................................................................................. 23 Tabla 3.1: Propiedades más importantes de la poliamida utilizada. ......................................... 33 Tabla 3.2: Estructuración en plasma seco de poliamida PI-2611 [Chr 09] .............................. 34 Tabla 3.3: Propiedades de los diferentes tipo de SU-8 ............................................................. 35 Tabla 5.1: Propiedades de los termoplásticos STAYSTIK®. .................................................. 50 Tabla 5.2: Propiedades de la poliamida líquida comparadas con la poliamida en láminas. ..... 50 Tabla 5.3: Comparación de las características de un sensor de micro fuerza .......................... 59 Estado del arte 7 Entonces, de acuerdo a la ecuación (4), el voltaje de salida es cero cuando los piezorresistores poseen la misma resistencia. Cuando se produce una desviación en la resistencia de una o más piezorresistores causada por una tensión externa o por tolerancias de fabricación, la señal de salida presenta una variación. Este es el principio de funcionamiento de un micro sensor de fuerza utilizando piezorresistores configurados en un circuito de puente de Wheatstone. Ilustración 2.5: Esquema de un puente de Wheatstone Estado del arte 8 2.2 Sensores de micro fuerza en 3D basados en silicio 2.2.1 Descripción general Los sensores de micro fuerza son sensores con la capacidad de medir micro fuerzas (centenares de miliNewtons). Diferentes modelos están disponibles dependiendo de la aplicación del sensor (ver capítulo 2.2.4 para diferentes diseños). El sensor de micro fuerza desarrollado en este proyecto está desarrollado en silicio de tipo-n y usa piezorresistores como sistema de medida (capítulo 2.2.2). Los sensores de micro fuerza, de acuerdo a la definición general de un sensor (capítulo 2.1.1), son dispositivos capaces de transformar una fuerza aplicada en la membrana (detectándolo con un cambio en la resistencia de los piezorresistores localizados en él) en un voltaje. La Ilustración 2.6 muestra un esquema de un sensor de micro fuerza donde la lámina de polímero ejerce de membrana y los dispositivos para detectar cambios son estructuras con piezorresistores. Este es el principio de funcionamiento de todos los sensores de micro fuerza basados en una estructura piezorresistora. En la Ilustración 2.7 una conversión entre fuerza aplicada en la membrana y un cambio en la resistividad es mostrada en los tres ejes de medida. Dependiendo de la dirección de la fuerza (X, Y o Z) algunos piezorresistores actuarán y detectarán la fuerza y otros no presentarán cambio alguno. Ilustración 2.6: Sensor que actúa detectando cambios de forma en la membrana [Wen 07] Estado del arte 9 Ilustración 2.7: Los resultados de medida muestran la variación de la resistencia con cargas normales (a) y cargas laterales (b) y (c) [Wen 07] 2.2.2 Principio de funcionamiento El principio de funcionamiento de un sensor de micro fuerza está basado en un cambio del voltaje de salida debido a un cambio en la fuerza aplicada. La Ilustración 2.8 muestra un esquema de este proceso, la fuerza aplicada en la membrana causa la deformación de ésta; esta deformación hace un cambio en la resistividad de los piezorresistores. Este cambio en la resistencia modifica los parámetros del puente de Wheatstone y causa un voltaje de salida diferente del original (que es necesario ajustar a cero voltios). Ilustración 2.8: Diagrama del principio de funcionamiento de un sensor de micro fuerza Estado del arte 10 Los sensores de micro fuerza desarrollado en el IMT (Instito de Microtecnología de Braunschweig) están basado en este principio de funcionamiento. Son desarrollados con una membrana de silicio con forma de cruz o bien una membrana completa. Esta membrana consiste de tres partes: un marco, una membrana intrínseca y opcionalmente un eje (Ilustración 2.9 y 2.10). Estos diferentes diseños son descritos en el capítulo 2.2.4. Los piezorresistores tienen la función de medir la tensión de tracción o compresión en la membrana (Ilustración 2.9). Las tensiones de tracción y compresión son causadas por una fuerza ejercida en un palpador pegado al eje o a la membrana directamente. El palpador es usado para aplicaciones relacionadas con la metrología (capítulo 2.2.5). Cuatro grupos de cuatro piezorresistores están situados alrededor del eje que están configurados en un puente de Wheatstone [Tib 08]. Ilustración 2.9: Esfuerzos en la membrana causados por fuerzas aplicadas en el palpador (stylus). Los piezorresistores se desarrollan donde se dan esos esfuerzos [Tib 09] Ilustración 2.10: Ilustración de un sensor de micro fuerza [Fer 12] Estado del arte 11 2.2.3 Fabricación Existen tres principales etapas en la fabricación de un sensor de micro fuerza; el completo proceso de fabricacion del micro sensor de fuerza de este proyecto está disponible en el anexo A. Este capítulo es un vistazo global de los pasos importantes que son comunes a todos los sensores de micro fuerza con el principio de funcionamiento descrito en el capítulo 2.2.2. Los principales pasos de fabricación de un micro sensor de fuerza de acuerdo a la referencia [Tib 08] son: 1- Difusión (Ilustración 2.11a): Usando una oblea de silicio {1 0 0} de tipo n, el primer paso es crear los piezorresistores difundiendo impurezas en el silicio. Estas impurezas están desarrollados difundiendo boro en el sustrato y calentándolo a una temperatura de alrededor de 900ºC. Con este proceso los piezorresistores son creados en la cara top de la oblea. 2- Cableado (Ilustración 2.11b): El siguiente paso consiste en el diseño de las conexiones entre los piezorresistores y los pads (contactos externos). Este cableado de aluminio es desarrollado utilizando diferentes máscaras con las conexiones necesarias. Usualmente este cableado es desarrollado en aluminio y los pads son desarrollados en oro para mejor conexión con el sistema exterior. 3- Estructurado (Ilustración 2.11c): Crear una capa de óxido nítrico y estructurarla permite realizar el proceso de estructurado correctamente. Este último proceso consiste en estructurar el silicio que compone la oblea y opcionalmente, crear un eje (mencionado en el capítulo 2.2.2). La oblea es estructurada utilizando un proceso de grabado en mojado y posteriormente, para su acabado, un proceso de grabado en seco. En el proceso de grabado en mojado, el silicio es eliminando creando un ángulo de 54,7º con la horizontal. En el proceso de grabado en seco, el silicio es eliminado con un ángulo de 90º con la horizontal. En estos pasos, la oblea puede ser fabricada de muchas formas, por ejemplo, cambiando la máscara para la difusión de los piezorresistores permite crear otras configuraciones de ellos, o cambiando la mascara para la estructuración final permite crear un sensor con otra estructura (con o sin eje en su centro). Diferentes estructuras de micro sensores de fuerza son mostrados en el capítulo 2.2.4. Estado del arte 12 Ilustración 2.11: Los 3 principales pasos de fabricación de un sensor de micro fuerza, que pueden ser subdivididos en pequeños pasos [Tib 08]. 2.2.4 Diferentes diseños de estructura Existen diferentes estructuras para los sensores de micro fuerza con piezorresistores desarrollados en silicio y el principio de funcionaiento descrito en el capitulo 2.2.2 están disponibles. En este capítulo los diferentes cambios que pueden ser desarrollados en la estructura de un sensor están agrupados en 3 puntos: 1- Cambios en la configuración de los piezorresistores: En el desarrollo de los piezorresistores se han probado diferentes configuraciones para mejorar la sensibilidad del sensor (ver capítulo 2.3.1). Los piezorresistores pueden ser configurados de cuatro diferentes formas (Ilustración 2.12) y sus sensibilidades son mostradas en la Tabla 2.1. El sensor desarrollado en este proyecto se desarrolló en las cuatro configuraciones distintas, pero el resultado final solo se midió para la configuración transversal (por falta de tiempo para realizar las medidas finales). Estado del arte 13 Ilustración 2.12: Esquema de un sensor de micro fuerza representando las cuatro diferentes configuraciones de piezorresistores. La configuración de 1 es transversal, 2 longitudinal, 3 es forma-T y 4 es configuración cuatrática [Tib 08]. Tabla 2.1: Sensibilidades en las direcciones vertical y horizontal de todos los diseños mostrados en la Ilustración 2.12 [Tib 08]. Sensibilidad Dirección vertical Dirección horizontal mV/V/µm mV/V/mN mV/V/µm mV/V/mN Longitudinal 5.31±0.09 0.7±0.03 0.7±0.14 2.51±0.06 Transversal 3.97±0.072 0.79±0.017 0.7±0.001 2.57±0.04 Cuadrática 3.48±0.016 0.37±0.033 0.4±0.028 1.68±0.07 Forma-T 5.67±0.08 0.74±0.04 0.74±0.014 2.92±0.14 Estado del arte 14 2- Cambios en el material de la membrana: Este cambio es el que el presente proyecto analiza en profundidad. El material de la membrana en numerosos trabajos con estos sensores es silicio, pero las propiedades pueden ser mejoradas si utilizamos un polímero en la membrana. Dos polímeros han sido probados en este proyecto y los resultados son comparados con otro sensor desarrollado exclusivamente en silicio [Pha 09]. 3- Cambios en la estructura de la membrana: Propiedades como la sensibilidad y la dureza (ver capítulo 2.3) pueden ser ajustados variando el diseño de la membrana. Por ejemplo, una membrana en forma de cruz proporciona mayor sensibilidad comparada con una membrana plana. Es importante además tener la misma dureza en los tres ejes principales de medida por una simplicidad del hardware externo. Todos estos diseños pueden tener un eje central para sujetar el palpador. Los diseños pueden verse en la Ilustración 2.13. Ilustración 2.13: Diferentes diseños de membrana con un eje central: a) plana, b) cruz, c) cinco ejes, d) cinco ejes en forma de cruz y e) esvástica [Tib 09]. Estado del arte 15 2.2.5 Aplicación de los sensores de micro fuerza: Metrología dimensional El principal campo de aplicación de estos sensores de micro fuerza es la micrometrología; estos sensores son fabricados para realizar máquinas de medición por coordenadas de ultra precisión (MMCs). Estas máquinas son vitales en la micrometrología porque la precisión de las MMCs convencionales es demasiado baja para mediciones de nanómetros, con una incertidumbre de unos pocos micrómetros [Dan 12]. Las MMCs pueden determinar geometrías en 1D y 3D de piezas. El sensor está conectado al palpador de la máquina que tiene de la función de comunicar esfuerzos desde la punta del mismo hasta la membrana del sensor. La configuración principal para realizar esto puede verse en la Ilustración 2.14 [Fer 12]. Cuando la punta del palpador (usualmente una esfera) toca el objeto a medir, unos esfuerzos mecánicos tienen lugar en la membrana que llevan a cambios de resistencia en los piezorresistores del sensor. Los cambios en estas resistencias son convertidos en señales eléctricas que determinan el desplazamiento del palpador [Dan 12]. El progreso en este campo ha permitido conseguir una incertidumbre de unos pocos nanómetros. Todas las MMCs de alta tecnología que son capaces de conseguir esa precisión llevan un sensor de similar diseño al descrito en este proyecto [Dan 12]. Ilustración 2.14: Esquema sencillo de una micro/nano MMC. Estado del arte 16 2.3 Caracterización de un sensor de micro fuerza En este capítulo dos de las más importantes características para la caracterización de un sensor de micro fuerza son explicadas. Estas dos características generalmente explicadas son: • Sensibilidad: Como explica el capítulo 2.1.2, la sensibilidad representa la menor cantidad de cambio en la magnitud de medida detectable. La sensibilidad es un cociente entre dos magnitudes (por ejemplo: ΔVoutput / ΔVinput). • Rigidez: Es la capacidad de un material de resistir deformación en respuesta a una fuerza aplicada en él. 2.3.1 Sensibilidad Nombrando los cuatro puentes de Wheatstone que configuran un micro sensor de fuerza como A, B, C y D (Ilustración 2.15), las sensibilidades en las tres direcciones principales (X, Y y Z) pueden ser calculadas usando estas ecuaciones: Sz = A + B + C + D (5) Sx = A – C (6) Sy = B – D (7) Donde Si representa la señal transformada en la dirección i y A-D son las pendientes de la función que representa el cambio de las señales de salida de los cuatro puentes de Wheatstone contra la deformación [mV/V/µm]. El resultado ideal es tener las cuatro pendientes iguales, sin embargo, es complicado tener cuatro puentes con iguales piezorresistores [Tib 08]. Ilustración 2.15: Esquema de un sensor de micro fuerza con los puentes de Wheatstone. Estado del arte 23 Tabla 2.6: Comparación entre las sensibilidades de una membrana de silicio y una membrana con PerMX 3020 (se usaron 5 voltios como alimentación) [Kra 10]. Sensibilidades Membrana de silicio con piezorresistores Membrana con PerMX 3020 y galgas extensiométricas S z [mV/V/µm] 58.76 Sin datos Sx,y [mV/V/µm] S x = 23.58 Sy = 20.42 5.45 Tabla 2.7: Comparación entre la dureza de una membrana de silicio y de PerMX 3020 (en los tres ejes principales) [Kra 10]. Dureza Membrana de silicio con piezorresistores Membrana con PerMX 3020 y galgas extensiométricas k z [mN/µm] 12.39 2.74 k x,y [mN/µm] 0.40 0.016 k z : k x,y 31:1 171:1 Viendo la Tabla 2.7, la dureza es decrementada en ambos ejes, por lo que la membrana se deforma más con la fuerza aplicada en ella. Es muy importante este hecho debido a que la membrana de silicio es muy frágil y sólo soporta una pequeña deformación antes de romperse. Es importante además notar que los valores del sensor de silicio difieren mucho comparados con [Pha 09]. Esto es debido a que el método de medida usado en [Kra 10] es completamente diferente del método que [Pha 09] y el presente proyecto usan. Por este hecho, los resultados del presente proyecto son comparados exclusivamente con la tesis [Pha 09]. Estado del arte 24 • Sensor táctil de tres ejes fabricado con polímero De acuerdo a la referencia [Wen 07], un sensor de micro fuerza con adiciones de trazas de cobre será presentado en este apartado. Tres diferentes membranas de polímero con ratios diferentes de polímero (PDMS) y cobre (Co) se utilizan. Los módulos elásticos medidos de estas membranas son: 1.32MPa (no Co), 52.13MPa (PDMS/Co = 20/1) y 479.25MPa (PDMS/Co = 10/1). Para demostrar esta simulación, el artículo [Wen 07] muestra un experimento usando un proceso de fabricación para construir este sensor con polímero utilizando cinco máscaras diferentes (similar al proceso de fabricación usado en este proyecto). En la Ilustración 2.22 las diferentes sensibilidades dependiendo de la cantidad de cobre que se haya en la membrana se muestran. Sin embargo, este efecto no es el mismo para todos los diseños posibles de un sensor de micro fuerza; de acuerdo a los tests de [Kra 10] usar silicio con un módulo de Young de 130 – 188 GPa da como resultado una dureza mejor que usar PerMX 3020 con un módulo de Young de 3.2 GPa. Ilustración 2.22: Sensibilidades dependiendo del módulo de Young del material (E) [Wen 07]. Fabricación de un sensor de micro fuerza con membrana polimérica 25 3. Fabricación de un sensor de micro fuerza con membrana polimérica 3.1 Introducción Los pasos para añadir el polímero como membrana a un sensor de micro fuerza son explicados en este capítulo. El diseño para probar el polímero, como muestra la Ilustración 3.1, tiene un diseño similar al desarrollado por [Pha 09] (capítulo 2.4.1). La única diferencia es que el sensor de este proyecto no posee un eje central, lo que únicamente cambia un poco las propiedades mecánicas. Ilustración 3.1: Sensor desarrollado sin eje central usando similares pasos que el sensor que posee un eje central (“boss“ en la ilustración) [Tib 08]. Un esquema del sensor de micro fuerza desarrollado con membrana polimérica se encuentra en la Ilustración 3.2. Todas las medidas y la localización de los cuatro puentes de Wheatstone (A, B, C y D) se encuentran detalladas. El sensor será desarrollado utilizando dos polímeros diferentes como membrana (poliamida y PerMX 3050), en los capítulos 3.3.1 y 3.3.2 las especificaciones de cada uno son explicadas. Fabricación de un sensor de micro fuerza con membrana polimérica 26 Ilustración 3.2: Esquema del sensor de micro fuerza desarrollado con membrana polimérica. La descripción de los pasos para añadir ese polímero en este capítulo se explicará de forma general, para entender el proceso y no detenerse en especificaciones técnicas. La descripción completa de la fabricación de los dos polímeros se encuentra en los anexos correspondientes. Fabricación de un sensor de micro fuerza con membrana polimérica 27 3.2 Pasos para replazar la membrana de silicio por una polimérica • Punto de partida El punto de partida del proceso será, tal y como la Ilustración 3.3 muestra, el paso de después de construir los piezorresistores y las conexiones. La leyenda para entender los colores de cada esquema de muestra debajo de este párrafo. Silicon Oxide (SiO2) Nitride (Si3N4) Piezoresistor p+ contacts Aluminum Mask Photolack PerMX 3050 UV Light Ilustración 3.3: Paso antes de comenzar la adición del polímero. Para alcanzar este paso, bastantes pasos han debido ser realizados anteriormente, todos ellos pueden ser consultados en el anexo correspondiente. • Laminación El primer paso para construir la membrana polimérica es la laminación. Usando el laminador (máquina con dos filas de rodillos en movimiento entre los cuales existe un pequeño hueco para laminar), la oblea es introducida con el polímero en su parte superior (y pegamento entre ellos si el polímero no es adherente al silicio por sí mismo). Después de ajustar la temperatura Fabricación de un sensor de micro fuerza con membrana polimérica 28 y velocidad de los rodillos, la oblea es introducida y el polímero será laminado mediante presión y temperatura en su parte superior. El resultado es tal como muestra la Ilustración 3.4. Ilustración 3.4: Polímero laminado en la superior de la oblea. • Hornada Después de la laminación es importante conocer las características del polímero utilizado debido a que puede necesitar un proceso de calentamiento en el horno. Este proceso consiste en calentar la oblea a una temperatura razonable para no destruir el polímero (entre 100ºC y 200ºC dependiendo del polímero) para adherirlo correctamente a la oblea. • Estructuración del polímero El siguiente paso depende de si el polímero es un material fotosensitivo o no. Si el polímero es fotosensitivo (PerMX 3050), el proceso consiste en un proceso litográfico exclusivamente (ver anexo correspondiente). Si no es un polímero fotosensitivo (poliamida en su forma no fotosensible, la utilizada en este proyecto), el proceso consiste en un proceso litográfico con un material adicional como mascara (se utilizó aluminio) seguido de una estructuración. Los resultados se muestran a modo de esquema en la Ilustración 3.5; notesé que el polímero es solo estructurado y eliminado en los pads para las conexiones exteriores, todo el polímero restante permanece intacto. Ilustración 3.5: Polímero estructurado sobre la oblea, donde los pads han sido abiertos. Fabricación de un sensor de micro fuerza con membrana polimérica 29 • Proceso de esctructuración húmedo en KOH Después de todos los pasos anteriores, la estructuración de la propia oblea comienza para darle la forma correcta de un sensor de micro fuerza. Para estructurar la oblea son necesarios dos pasos: uno con KOH (que debe estructurar la oblea hasta dejar 20 – 30 µm sin estructurar) y otro en seco con ICP para esos últimos micrómetros. La estructuración debe realizarse con una disolución del 40% de KOH en agua a 80ºC. Es importante controlar durante este proceso que el polímero sigue intacto y la adhesión entre este y la oblea permanece. Además al ser un proceso manual, sin ningún control automático, debe controlarse el tiempo mediante la velocidad de estructuración para que queden unos 20 micrómetros sin eliminar. La razón de dejar estos pocos micrómetros es debida a que si hiciéramos la estructuración completa sólo con KOH, este destruiría la adhesión al ser un proceso en húmero, no en seco. Cabe destacar además que este proceso realiza la eliminación de silicio con un ángulo de 54,7º respecto a la horizontal, mientras que el proceso en seco estructura completamente perpendicular con la horizontal. Ilustración 3.6: Estructuración de la parte trasera de la oblea hasta que quedan unos 20 micrómetros sin estructurar. • Estructuración en seco con ICP Como se ha comentado, seguido al proceso de estructuración en húmedo debemos acabar de eliminar el sobrante silicio con un proceso en seco para no dañar la adhesión entre el polímero y la oblea una vez acabado de eliminar el silicio. Este proceso utiliza una combinación de gas SF6 para eliminar silicio combinado con C4F8 como gas de pasivación para evitar que la oblea se dañe en exceso Es importante controlar el tiempo de estructuración manualmente, observando el proceso medante una cámara, para visualizar cuando se ha elimnado el silicio completamente. Fabricación de un sensor de micro fuerza con membrana polimérica 30 Ilustración 3.7: Estructuración con ICP de los últimos micrómetros hasta disponer de únicamente polímero ejerciendo la función de membrana. • Cortado El último paso de todos es el proceso de cortado, debido a que la oblea posee muchos sensores juntos en ella (110 en total), estos deben ser separados utilizando un proceso de cortado especial. El resultado final puede ver fotografiado en la Ilustración 3.8. Ilustración 3.8: Sensor de micro fuerza correctamente desarrollado y cortado individualmente. Este último paso es crítico, la adhesión entre el polímero y la oblea sufre mucho durante el cortado pudiendo romperse. En la Ilustración 3.9 puede observarse un sensor separado que tuvo su adhesión destruida. La oblea desarrollada con PerMX 3050 presentó sobre un 10% de sensores con este problema. La oblea con poliamida tuvo su adhesión completamente destruida, el 100% de los sensores fueron defectuosos. Fabricación de un sensor de micro fuerza con membrana polimérica 31 Ilustración 3.9: Sensor defectuoso con la adhesión rota. A la izquierda. el silicio del sensor restante después de las estructuraciones pertinentes, a la derecha, el polímero fuera del silicio. Fabricación de un sensor de micro fuerza con membrana polimérica 32 3.3 Polímeros utilizados En este capítulo 3.3 se explican los dos polímeros utilizados en este proyecto para servir como mebrana y un polímero que se utilizó como adhesivo entre la poliamida y el silicio de la oblea (SU-8 5). El objetivo principal de este proyecto era desarrollar la oblea exclusivamente con poliamida y un adhesivo adicional (SU-8 5), dado que es más asequible y posee mejores propiedades mecánicas que el PerMX 3050, pero fué imposible lograr una adhesión correcta entre la poliamida y el silicio. Por lo tanto se utilizó otro polímero con propiedades adherentes al silicio y que tenía muchas posibilidades de éxito , como resultado fué perfectamente viable para ser usado como membrana. 3.3.1 Poliamida El primer intento de crear una membrana polimérica fué realizado con poliamida como membrana y SU-8 5 como adhesivo. La poliamida es un polímero que contiene enlaces de tipo amida [Web 04]; la Ilustración 3.10 muestra la estructura química de la poliamida. La poliamida que se ha utilizado en este proyecto es la DuPont™ Kapton® polyimide film de 50 µm de grosor. Ilustración 3.10: Estructura de la poliamida [Web 04]. La poliamida fue seleccionada debido a su gran estabilidad térmica y buena resistencia química. Estas características son muy importantes para su utilización en el laboratorio porque después de laminar el polímero sobre la oblea, esta debe ser estructurada en ambas caras con procesos químicos y ser sometido a procesos de altas temperaturas (ver capítulo 3.1) para conseguir la correcta forma del sensor. En la Tabla 3.1 se muestran las propiedades físicas de la poliamida, debe prestarse especial atención al módulo de Young (parámetro que permite obtener mayor flexibilidad en la membrana cuanto menor es) y la temperatura de transición vítrea. El módulo de Young de la Anexos 39 • Hornada caliente justo después de laminar la poliamida, una hora a 75ºC para curar el adhesivo y fortalecer la adhesión. Los resultados se observan en la Ilustración 5.1, estos resultados observables son correctos debido a que no aparecen burbujas de aire en la adhesión y la poliamida se encuentra correctamente adherida al silicio. Ilustración 5.1: Oblea laminada con poliamida y SU-8 5 como adhesivo. 4. Crear una máscara de aluminio para estructurar la poliamida Como se ha explicado en la memoria, la poliamida en forma de láminas no es fotosensible, por lo tanto debe ser estructurada utilizando una combinación de gases en un proceso de estructuración seca con plasma. En primer lugar debemos crear una capa en la parte superior de un material que resista ese proceso de estructuración con plasma, el elegido es el aluminio: • Crear una capa de aluminio de unos 500 nm de grosor sobre la poliamida. Ilustración 5.2: Oblea con una capa de aluminio sobre la poliamida. Anexos 40 Después de crear esa capa de aluminio, se debe eliminar el aluminio en los pads para que unicamente la poliamida en ellos sea eliminada en el paso 5. Para ello seguiremos los siguientes pasos: • Centrifugar un líquido fotosensible (maP 1215) sobre el aluminio para crear una capa uniforme del mismo. • Utilizar una máscara unicamente con los pads abiertos para eliminar por luz UV el maP1215 sobre ellos. • Utilizar una disolución eliminadora de aluminio sumergiendo la oblea en ella unos 3 minutos a unos 40ºC para eliminar el aluminio en donde no haya maP1215 (en los pads). • Eliminar, una vez removido el aluminio de los pads, el líquido fotosensible restante con acetona y etanol. El resultado se puede observar en la Ilustración 5.3, donde únicamente el aluminio sobre los pads ha sido removido. Ilustración 5.3: Oblea con aluminio como máscara, preparado para estructurar la poliamida. 5. Estructuración de la poliamida De acuerdo a la información del capítulo 3.3.1 de la memoria y de los tests realizados en el capítulo A.2 de este anexo, la poliamida se estructura en mediante una combinación de 15Sccm de CF4 y 135 Sccm de O2 en un plasma seco. Anexos 41 6. Estructuración de la parte inferior de la oblea con KOH e ICP Tal y como se plantea en el capítulo 3.2 de la memoria, la parte inferior de la oblea debe ser estructurada con sendos procesos húmedo y seco para conseguir la forma apropiada del sensor. Los parámetros de ambas estructuraciones no dependen del polímero usado. Este paso fue fallido fabricando el sensor con poliamida y un eje central. La adhesión creada entre el SU-8 5 y el polímero no resistió en un 80% de los sensores. 7. Cortado El proceso de cortado únicamente consiste en la separación de los sensores individualmente mediante una fresa de precisión. Este paso también fue infructuoso y los sensores que permanecieron intactos del paso número 6 (un 20%) rompieron su adhesión durante el corte. A.2 Tests con poliamida y SU8-5 En este capítulo, todos los tests que se realizaron para encontrar los parámetros correctos para la laminación, curado de la adhesión y estructuración de la poliamida son descritos. A pesar de que el proceso global de fabricación con poliamida fue inviable, es importante conocer estos datos para futuros trabajos con poliamida o con SU8-5. • Test para la laminación y la hornada Los tests para la laminación se llevaron a cabo para determinar la dependencia de la capacidad adhesiva del SU-8 5 con la temperatura y la velocidad de laminación. Los primeros intentos de laminar correctamente fueron llevados a cabo con elevadas temperaturas (unos 90ºC). En la Ilustración 5.4 se pueden observar diferentes resultados para la laminación y proceso de hornada con diferentes temperaturas, el principal problema de usar una alta temperatura es que aparecen burbujas de aire en la adhesión, lo cual es inadmisible. El riesgo de utilizar bajas temperaturas es que la adhesión puede resultar menos fuerte. Anexos 42 Ilustración 5.4: La oblea de la izquierda fue laminada a 80ºC y calentada 45 minutos a 90ºC. La oblea de la derecha fue laminada a 85ºC y curada 45 minutos a 100ºC. Viendo los resultados, las temperaturas de tanto la laminación como del curado fueron bajadas a 75ºC, temperatura máxima a la cual se evitaba la aparición de burbujas. • Tests para la estructuración de la poliamida En este apartado se explican los tests realizados para determinar la mejor combinación de gases para estructurar la poliamida. Los tests fueron realizados en dos máquinas diferentes disponibles en el laboratorio, el “barrel etcher” y la “ICP” (Inductively Coupled Plasma), explicaremos una y otra señalando las ventajas y desventajas de una respecto a la otra. • Tests en el “barrel etcher” Usar esta máquina para estructurar poliamida en lugar del ICP tiene las siguientes ventajas: - El barrel etcher permite procesar más de una oblea al mismo tiempo, mientras que el ICP procesa solo uno a la vez. - Utiliza menos potencia que el ICP. - El barrel etcher no necesita de un gas externo para enfriar la máquina durante su uso y evitar su sobrecalentamiento. El ICP por el contrario, necesita de ese gas externo, incrementando el coste de su operación. - El barrel etcher puede utilizar una combinación de gases únicamente formada por CF4 y O2. Anexos 43 De acuerdo a esta última diferencia entre ambas máquinas, esos dos gases fueron utilizados con una potencia de 150 W y con una presión de 200 mTorr. La presión es un factor importante para la estructuración de la poliamida, de acuerdo a la referencia [Tur 83] la presión recomendada es de 200 mTorr. La potencia a su vez también es un factor importante, cuanto mayor sea, mayor será la velocidad de estructuración, con el inconveniente de que la oblea puede resultar dañada si se utiliza una elevada potencia. Además, una elevada potencia puede eliminar el aluminio de zonas más sensibles como el borde de la oblea, véase en la Ilustración 5.5 que con 200 W de potencia el aluminio del borde comenzaba a eliminarse y como consecuencia la poliamida que se encontraba debajo de él. Ilustración 5.5: Detalle de una oblea estructurada a 200 W en el barrel etcher. La velocidad de eliminación de la poliamida, función de la concentración de CF4, se muestra en la Ilustración 5.6. Para las tres combinaciones totales de gases empleadas (50, 100 y 150 Sccm) la concentración de CF4 se varió desde 0 a 40 Sccm para determinar en qué punto la velocidad de eliminación era máxima. Para 50 Sccm en total, la velocidad máxima de eliminación (0.35 µm/min) fue alcanzada con 5 Sccm de CF4 y 45 Sccm de O2. Para 100 Sccm en total, la máxima velocidad de eliminación (0.4 µm/min) fue conseguida con 5 Sccm de CF4 y 95 Sccm de O2. Para 150 Sccm en total la máxima velocidad de eliminación (0.53 µm/min) fue alcanzada con 15 Sccm de CF4 y 135 Sccm de O2. En conclusión, cuanta mayor concentración de gases sea utilizada, mayor velocidad de eliminación es obtenida. Sin embargo, la concentración máxima de gases disponible para utilizar en el barrel etcher es de 150 Sccm. Anexos 44 Ilustración 5.6: Velocidades de eliminación de poliamida con diferentes concentraciones totales de gases y variando la concentración de CF4 en la mezcla con O2. • Tests con el ICP La máquina ICP comparada con el barrel etcher posee las siguientes ventajas: - Puede utilizar otras combinaciones de gases además de la utilizada en el barrel etcher. De acuerdo a la referencia [Tur 83], se probaron las combinaciones de gases de SF6 con O2 y la mezcla de SF6, O2 y CF4. - La máquina ICP puede utilizar mayor potencia para el proceso de estructuración que el barrel etcher. La potencia utilizada fue de 600 W. La razón para utilizar esta alta potencia es que se cicla, junto con la combinación de gases para la estructuración, un gas de pasivación cada período de tiempo programable. - De acuerdo a [Tur 83], esta máquina también permite usar N2 para incrementar la velocidad de eliminación. Los tests comenzaron con SF6 y O2 (Ilustración 5.7), posteriormente se utilizaron conjuntamente SF6, N2 y O2 (Ilustración 5.8) y finalmente una combinación de SF6, CF4 y O2 (Ilustración 5.9). La total concentración de gases fue de 100 Sccm (la máxima permitida por el ICP) y la potencia, como se ha dicho anteriormente, 600 W. Para el primer test (Ilustración 5.7), las velocidades de eliminación alcanzadas fueron demasiado bajas. Por lo tanto la combinación de SF6 con O2 sin utilizar gases añadidos es 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0 5 10 15 20 25 30 35 40 Velocidad de eliminación [µm/min] Concentración de CF4 [Sccm] 150 Sccm 100 Sccm 50 Sccm Anexos 45 inefectiva. El segundo test con SF6, N2 y O2 (Ilustración 5.8) muestra mayores velocidades de eliminación que la primera combinación, pero su velocidad máxima (0.29 µm/min) es baja en comparación con la alcanzada en el barrel etcher. El último test (Ilustración 5.9) con SF6, O2 y CF4 alcanzó una velocidad máxima (0.43 µm/min) menor también que la máxima alcanzada en el barrel etcher. Ilustración 5.7: Test con la máquina ICP usando SF6 y O2 como combinación de gases. Ilustración 5.8: Test con la máquina ICP usando SF6, O2 y N2. 0 0,02 0,04 0,06 0,08 0,1 0,12 0,14 0,16 0,18 0,2 0 20 40 60 80 100 Velocidad de eliminación [µm/min] Concentración de SF 6 [Sccm] 0 0,05 0,1 0,15 0,2 0,25 0,3 0,35 0 20 40 60 80 Velocidad de eliminación [µm/min] Concentración de SF6 [Sccm] Anexos 46 Ilustración 5.9: Test con la máquina ICP usando SF6, O2 y CF4. En conclusión, a pesar del incremento de potencia (de 150 a 600 W) y las mayores combinaciones de gases probadas, la máquina ICP no alcanza la velocidad de eliminación alcanzable con el barrel etcher. Sin embargo, aunque hubiera una combinación de gases mejor en esta máquina que no ha sido probado y que mejora esa máxima velocidad de eliminación alcanzada por el barrel etcher, tanto la complicación de la máquina, su caro uso y que únicamente puede operar con una oblea al mismo tiempo, esta máquina seguiría siendo una mala elección en comparación con el barrel etcher para estructurar poliamida. Hay un último test realizado que representa la dependencia de la velocidad de eliminación de la poliamida respecto al tiempo. Este test se representa en la Ilustración 5.10 y la combinación de gases utilizada fue (en el barrel etcher) de O2 = 135 Sccm y de CF4 = 15 Sccm. Se observa que la máxima velocidad de eliminación se consigue a partir de los 15 minutos de introducir la oblea en el proceso y que esta se mantiene constante respecto al tiempo. 0 0,05 0,1 0,15 0,2 0,25 0,3 0,35 0,4 0,45 0,5 25 20 15 10 5 0 5 10 15 20 25 30 Velocidad de eliminación [µm/min] Concentración de SF6 [Sccm] Concentración de CF4 [Sccm] Anexos 47 Ilustración 5.10: Velocidad de eliminación respecto al tiempo del proceso. Para finalizar este capítulo, en la Ilustración 5.11 se puede observar un agujero estándar en la poliamida creado con el barrel etcher. Se aprecia que la eliminación de la poliamida se produjo de forma correcta debido a que la forma cuadrada del pad se mantiene perfectamente y la poliamida que lo rodea se encuentra intacta en su grosor. Ilustración 5.11: Visión microscópica de un pad estructurado. 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0 5 10 15 20 25 30 Infinite Velocidad de eliminación [µm/min] Tiempo de proceso[min] Anexos 48 A.3 Análisis de los resultados y sugerencias para futuros trabajos En este capítulo, un análisis de los problemas presentados durante el anexo A1 es presentado así como dos opciones para intentar subsanarlos en futuras investigaciones. • Análisis y problemas presentados La poliamida, en teoría, es una buena elección para utilizarse como membrana debido a sus buenas características y propiedades, pero los resultados prácticos obtenidos muestran que la poliamida en láminas (no en forma líquida) usando un adhesivo como el SU-8 5 para adherirlo al silicio son insatisfactorios. Los problemas comienzan con los procesos de estructuración de la cara inferior de la oblea, en estos procesos la adhesión sufre mucho y se rompe en la mayoría de los casos. El último paso, el corte individual, termina por destruir la adhesión de la totalidad de los sensores de una oblea. Los resultados se observan en la Ilustración 5.12. En esta figura se observa la cara inferior de una oblea cuya estructuración ha sido realizada (cada sensor posee un eje central) y se observa como prácticamente la totalidad de ejes centrales se desprenden de la poliamida. Ilustración 5.12: Fotografía de la cara inferior de una oblea con prácticamente la totalidad de sus ejes centrales despegados de la poliamida. Otro problema puede observarse en la Ilustración 5.13. Aquí se muestra una fotografía detallada de una oblea con la poliamida estructurada en su cara superior. La poliamida no se encuentra en una condición correcta (la adhesión se encuentra algo dañada) debido a la larga Anexos 55 Ilustración 5.17: Señal de salida frente a la posición en el eje Y. Sentido de 0 µm a 90 µm. Ilustración 5.18: Señal de salida frente a la posición en el eje Y. Sentido de 90 µm a 0 µm. y = -0,471x -0,043 R² = 0,999 y = 0,232x + 2,693 R² = 0,997 -60 -40 -20 0 20 40 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80 85 Señal de salida [mV/V] Posición [µm] Bridge A Bridge B Bridge D y = -0,478x + 1,045 R² = 0,997 y = 0,230x + 3,493 R² = 0,992 -60 -40 -20 0 20 40 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80 85 90 Señal de salida [mV/V] Posición [µm] Bridge A Bridge B Bridge D Anexos 56 • Sensibilidad en la dirección vertical De acuerdo a los resultados de la Ilustración 5.19 e Ilustración 5.20 además de las ecuaciones presentadas en el capítulo 2.3 de la memoria, la sensibilidad en dirección vertical se calcula: Sz = A + B + C + D (9) Debido a que el puente C se encuentra dañado, la media de los valores de los otros tres puentes se utiliza para determinarlo, por lo tanto la ecuación usada es: Sz = (A + B + D) + �A + B + D 3� (10) Sz (0 µm a 90 µm) = (2.176 + 3.239 + 1.644) + �2.176 + 3.239 + 1.644 3� = 9.412 mV/µm. Sz (from 90 µm a 0 µm) = (2.178 + 3.245 + 1.637) + �2.178 + 3.245 + 1.637 3� = 9.413 mV/µm. - La sensibilidad en la dirección vertical es 9.4125 ± 0.0005 mV/µm. - Dividida por 5 (voltaje de alimentación) para convertirla a [mV/V/µm] = 1.8825 ± 0.0001 mV/V/µm. Ilustración 5.19: Señal de salida frente a la posición en el eje Z. Sentido de 0 µm a 90 µm. y = -2,176x + 17,70 R² = 0,987 y = -3,239x + 23,14 R² = 0,992 y = -1,643x + 11,44 R² = 0,991 -300 -280 -260 -240 -220 -200 -180 -160 -140 -120 -100 -80 -60 -40 -20 0 20 40 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80 85 90 Señal de salida [mV] Posición[µm] Bridge A Bridge B Bridge D Anexos 57 Ilustración 5.20: Señal de salida frente a la posición en el eje Z. Sentido de 90 µm a 0 µm. C.1.2 Propiedades mecánicas • Rigidez en ambas direcciones principales De acuerdo a la Ilustración 5.21, la rigidez puede ser calculada utilizando la pendiente de las rectas que representan la fuerza contra la deformación en ambas direcciones principales (horizontal y vertical). Los resultados son: - Rigidez en la dirección horizontal: 0.4114 mN/µm. - Rigidez en la dirección vertical: 11.124 mN/µm. Para la rigidez y la deformación máxima los resultados no presentan tolerancia debido a que únicamente una medida fue realizada. y = -2,178x + 16,43 R² = 0,989 y = -3,245x + 23,43 R² = 0,992 y = -1,637x + 11,35 R² = 0,991 -300 -280 -260 -240 -220 -200 -180 -160 -140 -120 -100 -80 -60 -40 -20 0 20 40 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80 85 Señal de salida [mV] Posición [µm] Bridge A Bridge B Bridge D Anexos 58 Ilustración 5.21: Fuerza contra deformación en ambas direcciones principales. • Máxima deformación en ambas drecciones principales La deformación máxima en ambas direcciones es medida con el mismo sistema que el usado para medir la rigidez. Sin embargo, el sensor comercial para medir estas magnitudes (ver capítulo 2.3.3) es remplazado por otro con menor resolución pero mayor rango de medida, para cubrir más campo de medición y detectar el punto de rotura del sensor en ambos ejes. Es importante entender que, cuando el sensor posee un polímero como membrana, el punto de rotura se alcanza antes de que el polímero ceda mecánicamente, sino que lo que ocurre es que la circuitería (piezorresistores y cableado) se rompen. Los resultados para la deformación máxima en ambas direcciones son: - Máxima deformación en la dirección horizontal = 280 µm. - Máxima deformación en la dirección vertical = 83 µm. - Máxima fuerza en la dirección horizontal = 115.19 mN. - Máxima fuerza en la dirección vertical = 926.96 mN. y = 0,411x -1,247 R² = 0,996 y = 11,12x -13,93 R² = 0,997 -20 0 20 40 60 80 100 120 140 160 -10 010 20 30 40 50 60 70 80 90 Fuerza [mN] Deformación [µm] XY (0 to 90) XY (90 to 0) Z (0 to 90) Z (90 to 0) Anexos 59 C.2 Análisis y comparación de los resultados Analizando los resultados para conocer si el sensor ha sido mejorado con la nueva membrana polimérica, es necesario comparar todas las magnitudes medidas en el anexo C.1 con un sensor con membrana de silicio. Debido a que el sensor desarrollado con PerMX 3050 posee piezorresistores fabricados con difusión-P en una configuración transversal, sus características son comparadas con los resultados de un sensor con la misma fabricación y configuración realizado en silicio de la tesis [Pha 09]. La tabla 5.3 refleja esta comparación. Tabla 5.3: Comparación de las características de un sensor de micro fuerza fabricado con PerMX 3050 con dos diferentes diseños de membrana de un sensor fabricado en silicio. Características Dirección Sesnor con PerMX 3050 (vigas voladizas) Membrana completa [Pha 09] Membrana en cruz [Pha 09] Sensibilidad [mV/V/µm] Horizontal 0.14 0.70±0.02 0.70±0.09 Vertical 1.88 3.97±0.07 8.14±0.40 Rigidez [mN/µm] Horizontal (kx,y) 0.41 0.40 0.19 Vertical (kz) 11.12 12.39 6.51 k z : k x,y 27:1 31:1 34:1 Deformación máxima [µm] Horizontal 280 140 141 Vertical 83 30 30 Fuerza máxima [mN] Horizontal 115 30 25 Vertical 927 150 93 Anexos 60 De acuerdo a la Tabla 5.3, la sensibilidad del sensor fabricado con polímero es afectada: la sensibilidad con una membrana de PerMX 3050 es un 80% inferior que con silicio. Además la rigidez es casi dos veces incrementada con el uso de PerMX 3050 en comparación con el uso de silicio en una membrana en forma de cruz. La mayor ventaja de utilizar un polímero como membrana aparece observando los resultados de máxima fuerza y desplazamiento admisibles. En estos resultados, la membrana desarrollada con PerMX 3050 tiene mucho mejor comportamiento comparada con la de silicio. La máxima deformación en ambas direcciones principales conseguida con la membrana de PerMX 3050 es unas dos o tres veces mayor que la máxima deformación permitida con una membrana de silicio. La máxima fuerza admisible en ambas direcciones se encuentra muy incrementada. De acuerdo a estos resultados, el uso de un polímero con propiedades similares o mejores que el PerMX 3050 en la membrana posee como principal ventaja el aumento del rango de medida para la utilización de este sensor en más aplicaciones industriales que requieran el uso de mayores medidas o mayores fuerzas en el sensor. Además se obtiene otra mejora no reflejada en los resultados anteriormente citados, consiste en que al colocar una membrana polimérica sobre la circuitería del sensor, esta queda completamente aislada, por lo que puede utilizarse el sensor para aplicaciones en las que el sensor se vea expuesto a fluidos y otros elementos que puedan dañar esta circuitería. Anexos 61 D. Proceso de fabricación de un sensor de micro fuerza con membrana polimérica realizada con PerMX 3050 Todos los pasos excepto los que envuelven la fabricación de la membrana de polímero están basados en la referencia [Pha 09]. Los pasos escritos en letra negrita y que se encuentran muy detallados son los nuevos pasos integrados en el proceso para crear la membrana polimérica. La leyenda para comprensión de los colores utilizados se encuentra al final de la tabla. Step Description Figure 1 Prepare a silicon wafer of 360 µm of thickness; measure its exact thickness 2 PECVD - Create a coat of 600 nm of SiO2 3 Positive photolack and structuring with HF 4 Boron diffusion for creating the piezoresistors 5 PECVD - Create a coat of 600 nm of SiO2 6 Structure the oxide with positive photolack and structuring with HF Anexos 62 7 Boron diffusion of contacts 8 PECVD - Create a coat of 600 nm of SiO2 for isolation 9 Aluminum sputtering for structuring the wiring and pads 10 PECVD – Si3N4 for creating a mask in the top and the bottom for the etching processes 11 ICP etching of the top part (10 µm) [ase 13_13] (13 seconds etching, 13 seconds passivation) 12 Preparation to laminate the PerMX 3050: - Clean the wafer with acetone and ethanol. - 10 minutes prebake at 120°C 13 Laminate the PerMX 3050: - Remove the first cover of the PerMX 3050 - Laminate it on the wafer at 75°C with speed 2 in the laminator - Store the wafer 30 minutes in the fridge - 5 minutes in hot plate at 80°C - Remove the second cover of PerMX 3050 Anexos 63 14 Structure the PerMX 3050 (pads free): - Use Mask Ferreira-8 (Negative lack) to structure it with 300mJ of ultraviolet light - Hot bake with 110°C, 5 minutes - 180 seconds in PGMEA solution, after that, clean with PGMEA removal solution and isopropanol - Control with the microscope the pads (if there is still polymer in the pads, put the wafer 30 seconds more on the PGMEA solution and repeat the control) - Measure the piezores istors, checking if they are ok - Hot bake with these temperatures: - 30 minutes of baking at 150°C - 60 minutes of baking at 200°C 15 KOH etching in the bottom, until it rests 20 – 30 µm of silicon to etch. Approximately 7 hours (etching rate ≈ 0.75 µm/min) 16 ICP etching for the last 20 – 30 µm (10 minutes) 17 Cut the micro force sensors to have individual ones Anexos 64 Legend Silicon Oxide (SiO2) Nitride (Si3N4) Piezoresistor p+ contacts Aluminum Mask Photolack PerMX 3050 UV Light