ETAPADECONTROLYSENSADODELPOLICROMADORMEMS

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Hugh Daniel
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1 ETAPADECONTROLYSENSADODELPOLICROMADORMEMS Aróztegui,Walter ;Ricci,Edgardo;Martín, Lautaro;Rapalini,JoséA.yQuijano,AntonioA. CentrodeTécnicasAnalógicasDigitales,UIDETCeTAD,UniversidadNacionaldeLaPlata Resumen Palabrasclaves:Microsistemas,CMOS;MEMS,fotodiodos Enelmarcodelproyectode MicrosistemasColaborativosquesedesarolaenla UIDET CeTAD,sepropone eldiseño,análisisyensayodedistintos módulos MEMS,enparticular sucontrol,actuaciónyanálisiscondispositivosde microelectrónicaentecnologíacmos. Dentrodelos Microsistemasendesarolosedestacaunaaplicaciónparaladetecciónde gases, medianteeldiseñodeunpolicromador MEMS,laetapadecontroldel mismoyun análisisparalasolucióndeladetecciónatravésdeundiseñodesensordeimagencmos. Estosdosúltimossondescriptosenelpresentetrabajo. Introducción Loscomponentespresentadosaquí,sibienpuedenanalizarseyfuncionarcomo dispositivosindependientes,seincluyencomoetapasdeun móduloenunproyecto mayor de microsistemascolaborativos.enel mismo,diferentescircuitosindividualescon módulos particularesydistintosdeacciónoanálisisdeentorno,colaboranentresíenlaresoluciónde problemas determinados en ambientes o circunstancias donde las dimensiones de microsistemas máscomplejosperjudiquenelfuncionamiento. Éstepuedeserelcasode accionesoanálisissobreconductosdereducidaenvergadura. En artículos anteriores realizados enfunción dedefinirelestado delarte[1][2]fueron presentadascaracterísticasderedesdedifracción,comoestructurasperiódicasqueafectan la amplitud yfase de una ondaincidente de acuerdo al perfil dela superficie ylas condicionesdel medioporelqueatraviesalaluzalaccederaldispositivo.alanalizaruna reddedifracción,seobservaquelaondaincidenteesdifractadatalcomolopredicela ecuacióndebragg.(1) kλ/p=sin(α)+sin(β) (1) Braggrelacionaelángulodelaondareflejada αyeldelaincidenteβconlalongitudde ondaλ(m)dela misma,elperiodop(m)delaredyelordenkdelaondareflejada. Lasredes que modulan amplitud están integradaspor cintas alternadas oformando patronesparticulares,construidasconunasuperficiede materialreflectante( Fig.1 ).Eluso deconmutadores MEMS [3][4](MEMS switches)con actuación electroestática parala fabricaciónderedesdedifracción,dalugaraestasredesqueoperanpor modulaciónde faseporreflexión,consuperficieplanayconformarectangular. Porlacomplejidaddelaprediccióndel comportamientodeldispositivoesnecesariauna simulacióndetaladadelmismoenunsoftwareadecuadoparaestatarea. A partir de aquí,se describe elfuncionamiento dela etapa decontrol, asícomo su implementaciónesquemáticaylayoutsobreuncadapropiado.lapropuestaestáasociada conunaetapadeactuaciónparaquelared MEMSreproduzcaelespectrocorespondiente aundeterminadogas.estoimplicaqueelcircuitodeberáconocerquédeflexiónordenara cadaespejoenfuncióndelgasacensar. Deaquísedesprendequelaetapadecontrol estaráconformadaporunbloquede memoriayporunodecontrol. Enla memoriase 301 DepartamentodeElectrotécnia

encuentranalmacenadosciertacantidaddeareglosdedatos.cadaunodeestosareglos disponedelainformaciónparaquetodaslas microvigaspuedangenerarelespectrodelgas enparticular.

2 encuentranalmacenadosciertacantidaddeareglosdedatos.cadaunodeestosareglos disponedelainformaciónparaquetodaslas microvigaspuedangenerarelespectrodelgas enparticular. Cadaunodelosdatosdelosareglosrepresentalaalturaquetienequetomarcadaespejo. Lasetapasdesalidasonlasencargadasdelaactuaciónsobrelas microvigas.estasetapas sepueden modelar,enunprincipiocomounaseriedelaves,unaporcadaniveldetensión que presentelafuente, para delimitar el abanico discreto de deflexiones para cada microviga. Parteexperimental Controldelpolicromador Fig.1Elpolicromadordifractacadalongituddeondaenunángulo determinadoenfuncióndelaposiciónverticaldelascintas(flat micromirors) Seplanteaunsistemadigitalcomocontroldeposicióndelas microvigasdelpolicromador. Elmismoserepresentaenla Fig.2,comodiagramadebloques. Enelsistemapropuesto,desdelafuentesedisponendevariosvaloresdetensióncontinua, queporlaaccióndelaetapadecontrolsobrelasetapasdesalida,seaplicanalas microvigas,lograndoelcontroldelaposicióndelas mismasyasíformarelpatróndeseado porlareddedifracción.por mediodeunalíneaexternasepuedeseleccionarelpatrónque sedeseaquelaredforme.lospatronesdelaredestaráncargados previamente en la etapade control,másespecíficamenteenelbloquedememoria. Comose mencionó,lasetapasdesalidasestaránformadasporunareglodelaves.estas lavesanalógicasseráncomandadasporlaetapadecontrolde maneradigital,por mediode undecodificador,habilitandolaaplicacióndesolamenteunatensiónhaciala microvigay deshabilitandoalresto.unadelaspropuestasparalaimplementacióndeestaetapaesla utilizacióndecompuertastranssmition-gate(tg)comolavesycompuertaslógicasparael decodificador,dadoqueestetrabajoestáorientadoalas microtecnologías,yenparticulara la microelectrónica. Unodelosparámetrosdelsistemaatenerencuentadesdeelprincipiodeldiseñoesla cantidaddenivelesdetensiónpreviamente mencionados,yaqueestacantidaddefinirá cuanprecisoseráelcontrolsobrelas microvigas,dadoquecadaunodeelosnosdaráuna altura. Ademásestacantidadtambiéndefiniráelnúmerodeentradasa manejarporlas etapasdesalidaylosbitsqueutilizarálaetapadecontrol. Eldesarolodeestetrabajoestádadobajolahipótesisenlacualsedisponende4niveles detensióndesdelafuenteysetienen4patronesaformarporlared. 302 DepartamentodeElectrotécnia

EtapasDiseñadas Etapadecontrol Estaetapasepresentacomounbloquequetieneunbusde2bitsparalaselecciónde patrónycomosalidapresentanbusesde2bits,dondeneslacantidadde microvigasa controlar.

3 EtapasDiseñadas Etapadecontrol Estaetapasepresentacomounbloquequetieneunbusde2bitsparalaselecciónde patrónycomosalidapresentanbusesde2bits,dondeneslacantidadde microvigasa controlar.los2bitsdesalidadecadabusrepresentanunadehasta4posiblesalturasque cadamicrovigapuedetomar. Lapropuestaparaimplementarelfuncionamientodescriptoenestaetapaestebasadaen circuitoscombinatorios[5], másespecíficamenteen multiplexores4a1de2bitsdeancho debus.secontaráconndeestosmultiplexores,loscualestendráncomoentradadecontrol alaseñalprovenientedelaselecciónexternaylasentradasdelos multiplexoresseránlos valoresdelasposicionesdecada microvigadeacuerdoconlospatronesquesedesean formar. En un principiolas entradas delos multiplexores seránfijas, es decir que estarán conectadasdirectamentea 1 o 0,segúncoresponda. Estosignificaquelospatrones seránfijosparaeldispositivounavezfabricado. Teniendodescriptalafunciónquedebelevaracaboestaetapaytambiénloscomponentes quesedeberánusarparala misma,sedisponeadiseñarestosúltimos.primerosediseña elesquemático,sesimulayluegosediseñanlas máscarasqueseutilizaránenelproceso defabricacióndeldispositivo. Dadoqueaquíseusarátecnología CMOS,lasunidades mínimasdediseño,tantocomoparaelesquemático comoparaellayoutserántransistores PMOSyNMOS. Luego del diseño del esquemático delcircuitose procede asimularloy a evaluarsu comportamiento.cabeaclararquelasimulaciónnoseefectúaconun modelodetransistor funcional,sinoconunmodelo real.paratalfinsedesarolaunbancodepruebas,enel cual,enlasentradasdehabilitaciónen[1.0]seinyectanlos4valoresposiblesdeestosdos bits(4patrones).enlas4entradasdedatosseseteanlosvalores 11, 10, 01 y 00. Sabiendoqueelcircuitosecomportacomosedesea,seprocedealdiseñodelasmáscaras. Partiendodeceldasbásicaspreviamentediseñadas(p.e.compuertasnand,nor,inv,etc.)se realizaellayoutdelmultiplexor,talycomoseobservaenla Fig.3. Cabedestacarqueteniendolaceldadel multiplexor4:1de2bitsdebus,noqueda másque replicarlaeneldiseñotantasvecescomomicrovigassetengan. Etapadesalida Fig.2 Diagramaenbloquesdelsistemadecontrol Estaetapasepresentacomounbloquequetienecomoentradacuatronivelesdetensión continuadistintos,provenientesdelafuenteyademásdosbitsdecontrol,desdelaetapa anterior. Enéstossetienelainformaciónquedecidecuáldelascuatrotensionesdela 303 DepartamentodeElectrotécnia

fuenteseráaplicadaala microviga. Estoseefectúapor mediodelaúnicalíneadesalidaquedisponeestaetapa.enla Fig.4 sepuedeapreciarundiagramaenbloquesdela misma.

4 fuenteseráaplicadaala microviga. Estoseefectúapor mediodelaúnicalíneadesalidaquedisponeestaetapa.enla Fig.4 sepuedeapreciarundiagramaenbloquesdela misma.elfuncionamientodeestaetapase puededividirendospartes:decodificacióndelaseñaldecontrolylahabilitacióndelas laves. Laprimerparteselevaacabopor mediodeundecodificador2a4.ésterecibelaseñalde 2bitsdelaetapadecontrolylosdecodificademododeenviarlaseñaldehabilitaciónauna delas4tensionesdelafuente.enelcasoquedesdelaetapadecontrolserecibaun 10, sedebehabilitarlatensión U2 paraqueseleapliqueala microviga,paralocualelvector En[3.0]deberátomarelvalor Fig.3Layoutdelmuxdelcircuitodecontrol Fig.4 Diagramaenbloquesdelaetapadesalida Eldiseñodeldecodificadorsiguelas mismasdirectivasquelasusadasparael multiplexor 4:1de2bits Lasegundapartedeestaetapaconstadeunareglode4laves.Cadaunadeestasestá conectadaaunadelastensiones(analógicas)queentregalafuenteyestáncomandadas porlasseñalesdehabilitación(digitales)provenientesdeldecodificador. Unadelasopcionesparalaimplementacióndeestapartedelaetapadeselecciónsonlas compuertastg.seconsideróestaopcióndadoquelastgsoncontroladasdeformadigital ypuedenmanejartensionescontinuas. Elcontenidodela memoria,enunprincipioseproponefijo,esdecirsólodelectura.nose puedencambiarsucontenidounavezfabricadoelcircuito.comoundesaroloposteriora estetrabajosepuedeproponercomo mejoraquelamemoriasea delecturayescritura,de forma de hacer mucho másversátil al dispositivo, permitiendo así quesereconfigure dinámicamente. Lasetapasdecontrol,tantolasdecadaespejo,comolaquecontrolaatodala MEMSse describieronenlenguajededescripcióndehardwarevhdlysimularonpara evaluarsu comportamientoenundispositivofpga por mediodeunaplaquetadedesarolo. Sistemadedetección a. AnálisisdedetecciónatravésdeundiseñodeunsensordeimagenCMOS. Elcoeficientedeabsorciónópticaαdel materialdependedelalongituddeondaλdelos fotonesincidentes.esposibleenunproceso CMOSdisponerdejunturasP-Nadiferentes profundidades que pueden ser además moduladas conlatensión de polarización. El decaimiento exponencial delaintensidad(i) delaluz, y porlotanto delatasa de fotogeneración(g)depareselectrón-hueco(e-h),alpenetrarenel material,deacuerdoala leydebeer-lambertesdelaforma,ysepuedeexplotarparaconstruirsensorescon diferentessensibilidadesadiferentescolores. 304 DepartamentodeElectrotécnia

Losfotonesdedistintaslongitudes deondaalcanzanprofundidadesdepenetración x p diferentes,enfuncióndelascaracterísticasdelmaterialsobreelqueinciden.

5 Losfotonesdedistintaslongitudes deondaalcanzanprofundidadesdepenetración x p diferentes,enfuncióndelascaracterísticasdelmaterialsobreelqueinciden. La TABLA I presentalosrangosdevaloresdelaconstanteαyx d paralaabsorciónde loscolores azul,verdeyrojo del espectro ensilicio, de acuerdo asucoeficiente de absorciónα=f(λ).sedefinex d =1/αcomolaprofundidadalacuallaintensidaddelaluz absorbidaenel materialdecae63%respectodesuvalorenlasuperficie.losvalores indicanquelaslongitudesdeonda máscortassonabsorbidascercadelasuperficiedel silicio, mientrasquelaslongitudesdeonda máslargaslohacena mayoresprofundidades. Lomismoocurreengeneralentodoslossemiconductores[7]. TABLA I Longitud deondaλ [nm] Coeficiente de absorciónα [10 3 cm -1 ] Profundida dde penetración x d [µm] Azul Verde Rojo b. Diseñodesensores Delossensoresbásicos,fueronelegidoslossensoresactivos,denominados ActivePixel Sensor(APS). Presentanunaarquitecturacompleja,con mayorcantidaddetransistores pero una mejorrelaciónseñalaruido quelossensores pasivos[8]. Latensión en el fotodiodo, proporcional a la carga fotogenerada, es sensada con un transistor en configuraciónseguidordefuente,quecumplelafuncióndetransductoroamplificadorde transresistencia,transformandolasvariacionesdecorientefotogeneradasenvariaciones detensiónasusalida.estohacequelarelaciónseñal/ruidodelosapsseaelevada. Un transistorderesetesnecesariodadoquelalecturanoremuevelacargaacumuladaenel fotodiodo[8]. c. Implementaciónevaluativa Serealizóparalaevaluacióndelatecnologíayunaaproximaciónalsistemadesensado, unaestructuradepixelescontresfotodiodos.laarquitecturaapspermitetenerunaúnica salidaparalostresfotodiodosdeunpixel,sinimportarcuálsealaconfiguraciónutilizada. Estacaracterísticasimplificaconsiderablementela medicióndelossensorescuandose implementaunareglodepíxeles,yresulta másordenadaparalograrinformaciónsobrela detección. Loscircuitosse diseñaron entecnología CMOS de 600 nm delongitud decanal. Se realizarondosmatricesde4x4pixeles,unaparacadaconfiguracióndefotodiodos,ambas con multiplexoresdeselecciónybuferdesalidaindependientes,perocompartiendolas entradasdetensionesdepolarización,alimentaciónyseleccióndepixel.(fig.5) Seintentó mantenerenlo posiblelas dimensionesdelas dos matrices,evaluandosu desempeñoycomparandoresultadosquefueronsatisfactorios,descriptosendetaleenel trabajodegraduacióndeling. MauroEscobar[9] Enlas Fig6 y7se muestrael componenteylasalalimpiadondeserealizaronlas mediciones. 305 DepartamentodeElectrotécnia

Fig.5Capturasdeldiseñodelsensorparaambasmatrices Conclusiones Sehapresentadounsistemadecontrolparaeldesarolodeunpolicromador MEMSyel diseñodeunsensordeimagenentecnología

6 Fig.5Capturasdeldiseñodelsensorparaambasmatrices Conclusiones Sehapresentadounsistemadecontrolparaeldesarolodeunpolicromador MEMSyel diseñodeunsensordeimagenentecnología CMOSpararealizarunaevaluacióndela tecnología enfunción de diseñar el sistema de sensado dela señalresultante. El funcionamientodelasdistintaspartesconstitutivasdel microsistemaserealizará,talcomo se hizoconla parte desensado,enensamblajes parcialescon diferentestecnologías (circuitos discretos, FPGA) y a partir de estosresultados, se prevérealizar una complementacióndelosesfuerzosindividualesytenderaunapropuestadeimplementación delsistemacompletointegrado. Fig.6Componentefabricado Fig7Mesademedidasensalablanca Referencias 1. L. Martin, W.Aróztegui,J.RapaliniyA.Quijano, Diseñodepolicromador MEMS, eniv Cong.µEA,BahiaBlanca,BuenosAires,Argentina.Septiembrede L. Martin, W.Aróztegui,J.RapaliniyA.Quijano, DiseñodedispositivosMEMS.Redesde difracciónprogramables, enivcong.µea,bahiablanca,buenosaires,argentina. Septiembrede W.Aróztegui,J.Osio,J.RapaliniyA.Quijano, Parámetrosdediseñoenconmutadores electrstáticos MEMS, enxvi WokshopIBERCHIP(IWS 2011),Bogotá,Colombia.Febrero de W.Aróztegui,J.Osio,J.Rapalini,J.OcampoyA.Quijano, RF-MEMS:conceptos,evolución y mercado, enprimerasjornadasdeinvestigaciónytransferencia,laplata,buenosaires, Argentina.Abrilde R.Baker, CMOS:CircuitDesign,Layoutandsimulation,3rdedition, Capitulo12.John Wiley &Sons, Quijano,J.Rapalini, W.ArózteguiyJ.Ocampo, Microtecnología,conceptosyevolución, en CongresoMundialdeIngeniería,BuenosAires,Argentina.Octubrede S.Sze,PhysicsofSemiconductorDevices.NewYork: Wiley, E.R.Fossum, Activepixelsensors:AreCCD sdinosaurs?, inproc.spie,charged-coupled DevicesandSolidStateOpticalSensorsI,vol.1900,1993,pp TrabajoFinal`SensordeImagenCMOŚ,Escobar Mauro,CeTAD,Fac.Ing. UNLP. 306 DepartamentodeElectrotécnia

Absorbentes solo aceites

Absorbentes solo aceites SOLO ACEITES e hidrocarburos, rechaza el agua, por lo que está especialmente indicado para aplicaciones en acuíferos, puertos y lugares donde, en presencia de agua, se requiera