PROCESO DE PROTOTIPADO MULTIPLE PARA MICROSENSORES MECANICOS DE TIPO CAPACITIVO.

Proceso de prototipado múltiple para microsensores mecánicos de tipo capacitivo,

basado en la identidad del valor de un determinado número de parámetros geométricos: en los microsensores mecánicos, con los pasos de:- Definir en un sustrato (5) microestructuras (2).- Definir sobre las microestructuras (2) una placa de condensador (3).- Posicionar en una segunda capa de sustrato superior (8) una segunda placa de condensador (9) rígida.- Definir en una tercera capa de sustrato inferior (10), unas cavidades (12).- Apilar y pegar las tres capas de sustrato (5, 8 y 10)

Tipo: Patente de Invención. Resumen de patente/invención. Número de Solicitud: P200801029.

Solicitante: FARSENS, S.L.

Nacionalidad solicitante: España.

Provincia: GUIPÚZCOA.

Inventor/es: AYERDI OLAIZOLA,ISABEL, VELEZ ISASMENDI,IGONE, GARCIA-ALONSO MONTOYA,ANDRES, VALDERAS GAZQUEZ,DANIEL, FERNANDEZ LACABE,IÑAKI, CORTES VIDAL,AINHOA.

Fecha de Solicitud: 11 de Abril de 2008.

Fecha de Publicación: .

Fecha de Concesión: 21 de Enero de 2011.

Clasificación Internacional de Patentes:

  • B81B7/00P
  • B81C1/00C

Clasificación PCT:

  • B81B7/02 SECCION B — TECNICAS INDUSTRIALES DIVERSAS; TRANSPORTES.B81 TECNOLOGIA DE LAS MICROESTRUCTURAS.B81B DISPOSITIVOS O SISTEMAS DE MICROESTRUCTURA, p. ej. DISPOSITIVOS MICROMECANICOS (elementos piezoeléctricos, electroestrictivos o magnetoestrictivos en sí H01L 41/00). › B81B 7/00 Sistemas de microestructura. › que tienen distintos dispositivos eléctricos u ópticos de particular importancia por su función, p.ej. sistemas micro-electromecánicos (SMEM, MEMS) (B81B 7/04 tiene prioridad).
  • B81C1/00 B81 […] › B81C PROCEDIMIENTOS O APARATOS ESPECIALMENTE ADAPTADOS PARA LA FABRICACION O EL TRATAMIENTO DE DISPOSITIVOS O SISTEMAS DE MICROESTRUCTURA (fabricación de microcápsulas o de microbolas B01J 13/02; procedimientos o aparatos especialmente adaptados para la fabricación o el tratamiento de elementos piezoeléctricos o electroestrictivos o magnetoestrictivos en sí H01L 41/22). › Fabricación o tratamiento de dispositivos o de sistemas en o sobre un substrato (B81C 3/00 tiene prioridad).
PROCESO DE PROTOTIPADO MULTIPLE PARA MICROSENSORES MECANICOS DE TIPO CAPACITIVO.

Fragmento de la descripción:

Proceso de prototipado múltiple para microsensores mecánicos de tipo capacitivo.

Sector de la técnica

La presente invención está relacionada con los sistemas microelectromecánicos (MEMS) y más concretamente con el proceso de fabricación de microsensores mecánicos, proponiendo un proceso de fabricación basado en la identidad entre un número determinado de parámetros geométricos, que permite el prototipado múltiple de diferentes microsensores mecánicos de tipo capacitivo.

Estado de la técnica

Los microsensores mecánicos de tipo capacitivo pueden corresponder a dispositivos para la medida de una misma variable pero cubriendo diferentes campos de aplicación (por ejemplo, acelerómetros para cubrir diferentes segmentos de aceleración y bandas de frecuencia), a dispositivos para la medida de diferentes variables (por ejemplo, acelerómetros y sensores de presión) o a dispositivos para la medida de diferentes variables y en diferentes campos de aplicación.

El desarrollo de estos nuevos dispositivos y su posterior entrada en el mercado exige un trabajo previo de diseño (modelización, simulación, análisis), prototipado y, test y caracterización del microsensor, conociéndose diferentes técnicas de fabricación como las descritas en las Patentes EP1705489, US2006005626, US2007275494 o JP2000077680, que describen diferentes procesos de fabricación de microsensores, como acelerómetros y sensores de presión, en función de las diferentes características que presentan.

El desarrollo de estos dispositivos es un proceso laborioso donde cada microsensor y cada campo de aplicación (con sus especificaciones particulares), demandan una dedicación exclusiva y personalizada, presentando inconvenientes tales como:

- Fase de diseño y prototipado costosa.

- Fase de diseño y prototipado larga.

- Complejidad para automatizar el diseño y el prototipado de microsensores.

- Complejidad para automatizar el diseño y prototipado de un dispositivo que integre sensores MEMS y circuitos CMOS.

Actualmente no se conocen procesos de fabricación de microsensores que solucionen la problemática anteriormente citada. Si bien se conocen técnicas como las descritas en las Patentes EP 0 365 456, US 5 197 120, US 5 548 698 o US 7 013 246, que describen soluciones alternativas para agilizar la fase de prototipado y que se basan en el diseño paramétrico de objetos, estas soluciones se abordan desde una perspectiva general, no aportando ningún tipo de solución para el caso de los microsensores mecánicos de tipo capacitivo.

Objeto de la invención

De acuerdo con la presente invención se propone un proceso de prototipado de múltiples microsensores de tipo capacitivo, basado en la identidad de un determinado número de parámetros geométricos entre estos microsensores mecánicos.

Es decir, dado que para diferentes microsensores mecánicos se definen mediante micromecanizado en volumen unas microestructuras 3D que determinan un determinado número de parámetros geométricos de idéntico valor, este hecho permite el prototipado simultaneo de los diferentes microsensores en un mismo proceso de fabricación, independientemente de si estos microsensores van a medir diferentes variables o diferentes variables cubriendo además diferentes campos de aplicación para cada variable.

En general, todos los prototipos de microsensores de tipo capacitivo, como los acelerómetros y los sensores de presión, presentan al menos tres parámetros geométricos de idéntico valor, los cuales son el espesor del sustrato, el espesor de los brazos que unen la masa inercial al chip y/o el espesor de la membrana deformable y la separación entre placas de los condensadores.

En base a todo ello, el proceso de fabricación objeto de la invención consta de los siguientes pasos;

- Definir en el sustrato mediante micromecanizado en volumen las microestructuras móviles y/o deformables.

- Definir sobre las microestructuras móviles y/o deformables una placa de condensador.

- Posicionar en una segunda capa de sustrato una segunda placa de condensador rígida, haciendo la función de tapa superior.

- Definir en una tercera capa de sustrato que hace de tapa inferior, unas cavidades y/o orificios que permiten el libre desplazamiento y/o deformación de las microestructuras.

- Apilar y pegar las tres capas de sustrato para formar el microsensor mecánico.

Este proceso de la invención, en el que se fijan un número determinado de parámetros geométricos, reduce los grados de libertad en el diseño de manera que se simplifica el diseño del prototipo y se facilita el establecimiento de relaciones paramétricas que agilizan el diseño de un nuevo prototipo, proporcionando las siguientes ventajas;

- Reducción de costos en la fase de prototipado de microsensores mecánicos de tipo capacitivo.

- Reducción de tiempos en la fase de prototipado de microsensores mecánicos de tipo capacitivo.

- Posibilidad de desarrollar una herramienta de diseño paramétrico que agilice la fase de prototipado.

- Posibilidad de desarrollar librerías de dispositivos MEMS para su incorporación a herramientas de diseño de circuitos integrados.

- Posibilidad de extender estas ventajas a la fase de producción de microsensores mecánicos de tipo capacitivo.

Descripción de las figuras

La figura 1 muestra una perspectiva seccionada transversalmente de un acelerómetro fabricado con el proceso de la invención.

La figura 2 muestra una vista en planta en correspondencia con el acelerómetro de la figura anterior.

La figura 3 muestra una perspectiva seccionada parcialmente de un sensor de presión fabricado con el proceso de la invención.

La figura 4 muestra una vista en planta en correspondencia con el sensor de presión de la figura anterior.

La figura 5 muestra una vista en alzado de una sección transversal de un acelerómetro fabricado con el proceso de la invención.

La figura 6 muestra una vista en alzado de una sección transversal de un sensor de presión fabricado con el proceso de la invención.

La figura 7 muestra un esquema del proceso de prototipado de un acelerómetro según la invención.

La figura 8 muestra un esquema del proceso de prototipado de un sensor de presión según la invención.

Descripción detallada de la invención

El proceso objeto de la invención se refiere a un proceso de fabricación para diferentes microsensores mecánicos de tipo capacitivo como acelerómetros o sensores de presión, permitiendo el prototipado de los mismos de forma simultánea y resultando realmente ventajoso para esta aplicación.

Los acelerómetros (1), ver figuras 1 y 2, son sensores de movimiento basados en el desplazamiento de una masa inercial (2) colocada debajo de las placas de unos condensadores. Al desplazarse dicha masa inercial (2) se produce el desplazamiento de una de las placas, modificándose la distancia entre las placas del condensador y variando en consecuencia la capacidad del mismo.

El prototipado de diferentes acelerómetros (1) para cubrir diferentes segmentos de aceleración "A" y diferentes bandas de frecuencia "f", implica definir diferentes dimensiones para la masa inercial (2) y diferentes longitudes y anchuras para los brazos (4) de sujeción de la masa (2) al marco de un chip.

El caso más sencillo de acelerómetro (1), determina una masa inercial (2) de base cuadrada y altura igual al espesor de la capa de sustrato (5) (por ejemplo silicio) y una anchura fija de los brazos (4), de manera que los grados de libertad para el diseño de diferentes acelerómetros (1) serán el lado de la base de la masa inercial (2) y la longitud de los brazos (4) de sujeción al chip.

En el caso de los sensores de presión (6), ver figuras 3 y 4, que son sensores de movimiento basados en la deformación de una membrana (7) por compresión de un fluido, el prototipado de diferentes sensores de presión (6) resulta más sencillo que el...

 


Reivindicaciones:

1. Proceso de prototipado múltiple para microsensores mecánicos de tipo capacitivo, caracterizado porque se basa en la identidad del valor de un determinado número de parámetros geométricos entre los microsensores mecánicos y consta de los pasos de;

- Definir en el sustrato (5) mediante micromecanizado en volumen las microestructuras móviles (2) y/o deformables (7).

- Definir sobre las microestructuras móviles (2) y/o deformables (7) una placa de condensador (3).

- Posicionar en una segunda capa de sustrato una segunda placa de condensador (9) rígida, haciendo la función de tapa superior (8).

- Definir en una tercera capa de sustrato que hace de tapa inferior (10), unas cavidades (12) y/o orificios (11) que permiten el libre desplazamiento y/o deformación de las microestructuras.

- Apilar y pegar las tres capas de sustrato (5, 8 y 10) para formar el microsensor mecánico.

2. Proceso de prototipado múltiple para microsensores mecánicos de tipo capacitivo, según la primera reivindicación, caracterizado porque los parámetros comunes en el proceso son al menos tres, los cuales son el espesor del sustrato (5), el espesor de la membrana deformable (7) y/o los brazos (4) que unen la masa inercial (2) al marco del chip y la separación entre las placas del condensador (3 y 9).

3. Proceso de prototipado múltiple para microsensores mecánicos de tipo capacitivo, según las reivindicaciones primera y segunda, caracterizado porque el sustrato (5) empleado en la fabricación de los mismos es silicio.

4. Proceso de prototipado múltiple para microsensores mecánicos de tipo capacitivo, según la primera y segunda reivindicaciones, caracterizado porque los microsensores fabricados son acelerómetros (1) idénticos en todos los prototipos en, como minimo, el espesor del sustrato (5) de silicio, el espesor de la tapa superior (8), el espesor de la tapa inferior (10), el espesor de los brazos (4) que unen la masa inercial (2) al marco del chip y la separación entre las placas del condensador (3 y 9) (o los condensadores).

5. Proceso de prototipado múltiple para microsensores mecánicos de tipo capacitivo, según la primera y segunda reivindicaciones, caracterizado porque los microsensores fabricados son sensores de presión (6) idénticos en todos los prototipos en el espesor del sustrato (5) de silicio, el espesor de la tapa superior (8), el espesor de la tapa inferior (10), el espesor de la membrana deformable (7) y la separación entre placas del condensador (3 y 9) (o condensadores).

6. Proceso de prototipado múltiple para microsensores mecánicos de tipo capacitivo, según la primera reivindicación, caracterizado porque los microsensores fabricados son acelerómetros (1) y sensores de presión (6) en los que son dénticos en todos los prototipos el espesor del sustrato (5) de silicio, el espesor de la tapa superior (8), el espesor de la tapa inferior (10), el espesor de la membrana deformable (7) y de los brazos (4) que unen la masa inercial (2) al marco del chip, y la separación entre placas del condensador (3 y 9) (o condensadores).


 

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