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Departamento de Tecnología Electrónica
Microsensores
SENSORES Y ACONDICIONADORES
TEMA 12
MICROSENSORES
Profesores:
Enrique Mandado Pérez
Antonio Murillo Roldan
Tema 12 - 1
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Microsensores
MICROSENSOR, SENSOR INTELIGENTE,
SISTEMA MICROELECTROMECÁNICO, MICROSISTEMA
INTRODUCCIÓN
Los términos Microsensor (Microsensor), Sensor Inteligente (Smart
Sensor), Sistema Microelectromecánico [Microelectromechanical System
(MEMS)], Sistema en un Circuito Integrado [System On Chip (SOC)] y
Microsistema (Microsystem) hacen referencia a:
Sistemas microelectrónicos de gran complejidad que suelen contener
sensores, circuitos de acondicionamiento y procesadores.
No existe una definición asumida universalmente para cada uno de ellos
y diferentes autores los utilizan indistintamente porque la frontera entre
ellos es difusa.
En este tema se utiliza preferentemente el término “Microsistema”.
Tema 12 - 2
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Microsensores
MICROSENSOR (MICROSENSOR)
Aunque no existe una definición universalmente aceptada se puede definir como:
“Circuito integrado monolítico o híbrido que contiene todos los elementos de
un sistema sensor, incluido a veces el propio elemento sensor.”
Se le ha denominado en el pasado sensor inteligente (Smart Sensor) porque
uno de sus elementos es un procesador digital que le proporciona capacidad de
autocalibración, autodiagnóstico y comunicaciones.
Sensor
Off set
Auto-test
A/D
Amplf
Control
Filtro
Compensación
térmica
Calibración
Bus Interface
Multiplex
Diagrama de bloques de un microsensor [BALT 95]
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Tema 12 - 3
Microsensores
SENSOR INTELIGENTE [SMART SENSOR]
DEFINICIÓN
No existe un consenso generalizado pero se suele decir que un sensor es
inteligente si realiza al menos alguna de las siguiente funciones:
à Cálculos numéricos
à Comunicación en red (No una simple conexión punto a punto)
à Autocalibración y autodiagnóstico
à Múltiples medidas con identificación del sensor
SISTEMA SENSOR INTELIGENTE
Variable
física
ELEMENTO
SENSOR
CIRCUITO
ELECTRONICO
ACONDICIONADOR
DE LA SEÑAL
Señal eléctrica
normalizada
PROCESADOR
A otro
sistema
electrónico
De otros
acondicionadores
Diagrama de bloques de un sensor inteligente
Tema 12 - 4
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Microsensores
SISTEMA MICROELECTROMECÁNICO
[MICROELECTROMECHANICAL SYSTEM (MEMS)]
DIVERSAS DEFINICIONES
ƒ Sistema que contiene microsensores, microactuadores componentes
micromecánicos y otros sistemas microensamblados. Los MEMS suelen
estar constituidos por microestructuras mecánicas, microsensores,
microactuadores y un procesador electrónico [CHRI 97].
ƒ Sistema que se fabrica mediante técnicas y herramientas utilizadas en la
fabricación de circuitos integrados [KOVA 98].
ƒ Sistema microelectrónico que realiza una determinada función
electromecánica o electroquímica y se implementa físicamente en forma de
un rectángulo cuyos lados tienen una longitud comprendida
aproximadamente entre 1 µm y 1 mm [TAI 02].
En Europa se le conoce por las siglas MST (Microelectromechanical Systems
Technology).
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Microsensores
SISTEMA MICROELECTROMECÁNICO
[MICROELECTROMECHANICAL SYSTEM (MEMS)]
Contiene en general tres bloques:
à Un microsensor (Microsensor).
à Un microactuador (Microactuator).
à Un procesador (Processor).
Se fabrica mediante herramientas y técnicas utilizadas para fabricar
circuitos integrados combinadas con otras que reciben el nombre de
técnicas de micromecanización (Micromachining).
Tema 12 - 6
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Microsensores
MICROSISTEMA (MICROSYSTEM)
Sistema híbrido que combina varias tecnologías:
à Mecánica
FUENTE DE
ALIMENTACIÓN
à Óptica integrada
à Electroóptica
Esta formado por al menos un sensor o un
actuador (o ambos) y un procesador electrónico y se puede definir como:
ACONDICIONAMIENTO
Y PROCESADO
DE LA SEÑAL
SENSOR
ACTUADOR
MICROSISTEMA
“Sistema de reducidas dimensiones que
contiene uno o más MEMS para realizar
determinadas funciones tecnológicas.”
Tema 12 - 7
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Microsensores
MICROSISTEMA (MICROSYSTEM)
EJEMPLO
Microacelerómetro ADXL276 / ADXL 250 de Analog Devices
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Microsensores
MICROSISTEMA (MICROSYSTEM)
DIFERENCIAS ENTRE UN MICROSISTEMA Y UN CIRCUITO MICROELECTRÓNICO
1. Los microsistemas utilizan más materiales que los circuitos microelectrónicos.
Además del Silicio utilizan como sustrato el Cuarzo, el AsGa, polímeros y
materiales metálicos. En el encapsulado se utilizan cristales, plasticos y metales,
no utilizados en Microelectrónica.
2. Realizan más funciones que los circuitos microelectrónicos, que se limitan a
realizar funciones eléctricas.
3. Muchos microsistemas incluyen microválvulas, microbombas y microengranajes
y en ellos se produce el movimiento de un fluido como por ejemplo en los
biosensores y en los sistemas de análisis.
4. Los circuitos microelectrónicos tienen una estructura de dos dimensiones
confinada a la superficie del Silicio, mientras que los microsistemas tienen una
estructura de tres dimensiones. La Ingeniería Mecánica es por lo tanto una parte
fundamental del desarrollo de microsistemas.
Tema 12 - 9
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Microsensores
MICROSISTEMA (MICROSYSTEM)
DIFERENCIAS ENTRE UN MICROSISTEMA Y UN CIRCUITO MICROELECTRÓNICO
5. Los circuitos microelectrónicos están aislados del entorno una vez
encapsulados. Por el contrario los microsistemas tienen elementos sensores
que deben estar en contacto con el entorno, lo que crea muchos problemas de
diseño y de encapsulado.
6. La fabricación y encapsulado de los circuitos microelectrónicos constituyen
tecnologías maduras que se realizan de acuerdo con normas consolidadas. La
fabricación de microsistemas por el contrario está lejos de estar madura y se
lleva a cabo mediante tres técnicas diferentes.
Además debido a la gran variedad de aspectos estructurales y funcionales de
los microsistemas, su encapsulado está todavía en una fase inicial.
Tema 12 - 10
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Microsensores
MICROSISTEMA (MICROSYSTEM)
Procesos
electroquímicos
Ciencias naturales:
física, química y
biología
Biología
molecular
Electrohidrodinámica
Ingeniería eléctrica
-Fuentes de alimentación
-Circuitos para sensores
-Nanoelectrónica
-Nanoprocesos
-Nanoperiféricos
Física de
plasma
Física
molecular
Leyes de
escala
Ingeniería mecánica
-Diseño de máquinas.
-Termodinámica
-Transmisión de calor.
-Control inteligente.
-Diseño y fabricación de
equipos para microprocesos.
-Mecánica computacional.
-Ensamblaje.
Ingeniería química
-Procesos de microfabricación.
-Tecnología de películas
delgadas.
Áreas de la Ciencia y la Tecnología involucradas en el diseño
y fabricación de microsistemas [TAI 02]
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Física
cuántica
Ingeniería de materiales
-Materiales para subtratos
-Materiales para sensores
-Materiales para procesos de
fabricación.
-Materiales para
semiconductores.
Ingeniería industrial:
-Diseño de procesos.
-Control de producción.
-Microensamblaje
Tema 12 - 11
Microsensores
MICROSISTEMA (MICROSYSTEM)
INGENIERÍA DE MICROSISTEMAS
Solo puede ser abordada por un equipo de expertos en diversas tecnologías.
Comprende todas las tareas necesarias para realizar sistemas electrónicos
cuyas funciones comienzan en el elemento sensor y acaban en un procesador
conectable a un bus [MEIX 95].
Tema 12 - 12
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Microsensores
MICROSISTEMA (MICROSYSTEM)
TECNOLOGÍAS O PROCESOS DE MICROMECANIZACIÓN
(MICROFABRICATION TECHNOLOGIES OR MICROMACHINING)
En el proceso de fabricación de un MEM no es posible utilizar las
operaciones mecánicas típicas como son las de desbastado (Machining),
taladrado (Drilling), fresado (Milling), forja (Forging), fundición (Casting) y
soldadura (Welding).
Tres tipos de procesos de micromecanización:
à Eliminado de material o proceso sustractivo (Etching or Bulk
micromachining).
à Añadiendo material o proceso aditivo (Surface micromachining).
à Mediante el proceso LIGA [acrónimo de los términos alemanes
LIthografie
(Litografía),
Galvanoformung
(Galvanoplastia)
y
Abfor-mung (Moldeado)].
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MICROSISTEMA (MICROSYSTEM)
Microsensores
Protección resistente
MICROMECANIZACIÓN
Eliminación de material (Etching)
Antes de eliminar parte del substrato
SUBSTRATO
Eliminado parte del substrato
SUBSTRATO
Tema 12 - 14
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Microsensores
MICROSISTEMA (MICROSYSTEM)
MICROMECANIZACIÓN
Proceso aditivo
(Surface micromachining)
Tema 12 - 15
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Microsensores
MICROSISTEMA (MICROSYSTEM)
RESULTADO DE LOS PROCESOS DE MICROMECANIZACIÓN
SUSTRACTIVO Y ADITIVO
PROCESO SUSTRACTIVO
PROCESO ADITIVO
Consiste en eliminar algunas partes del sustrato.
Consiste en añadir películas delgadas a la superficie del sustrato.
Película delgada depositada
Capa sacrificada
extraida
Eliminado
Substrato
Substrato
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Microsensores
MICROSISTEMA (MICROSYSTEM)
MICROMECANIZACIÓN
Proceso LIGA
Tema 12 - 17
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Microsensores
MICROSISTEMA (MICROSYSTEM)
Los microsistemas suelen contener al menos un MEMS (Microelectromechanical System).
Principales tipos de MEMS
ƒ Microsensores y microactuadores mecánicos
ƒ Microsensores y microactuadores ópticos
ƒ Microsensores de radiaciones ionizantes
ƒ Microsensores y microactuadores térmicos
ƒ Dispositivos microfluídicos (Microfluidic Devices)
ƒ Microsensores de onda acústica
ƒ Microbiosensores
ƒ Microsensores químicos
ƒ Microsensores y microactuadores de presión
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MICROSISTEMA (MICROSYSTEM)
MICROSENSORES Y MICROACTUADORES MECÁNICOS
Microengranaje (Microgear)
ƒ Dimensión: 100 µm
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Microsensores
MICROSISTEMA (MICROSYSTEM)
ACTUADORES MICROMECÁNICOS
Micromotor
Tema 12 - 20
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MICROSISTEMA (MICROSYSTEM)
MICROSENSORES Y MICROACTUADORES MECÁNICOS
Microturbina
Tema 12 - 21
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Microsensores
MICROSISTEMA (MICROSYSTEM)
EJEMPLO DE UTILIZACIÓN DE UN SENSOR MICROMECÁNICO
Acelerómetro de Analog Devices ADXL-50
Tema 12 - 22
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Microsensores
MICROSISTEMA (MICROSYSTEM)
DISPOSITIVOS MICROFLUÍDICOS
Microválvula
Tema 12 - 23
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Microsensores
SENSORES INTELIGENTES
La necesidad de implementar sistemas de control distribuido llevó a la
realización de microsistemas que tienen:
à Un elemento sensor
à El circuito de acondicionamiento
à Capacidad de conversión analógica-digital
à Procesamiento básico (Validación, linealización, etc.)
à Capacidad de autoidentificación
à Capacidad de autodiagnóstico
à Procesamiento y memorización digital
à Comunicación con una red digital
Han recibido la denominación de sensores inteligentes (Smart sensors)
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SENSORES INTELIGENTES
Arquitectura general
Tema 12 - 25
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Microsensores
SENSORES INTELIGENTES
Evolución
TRANSMISOR INTELIGENTE
SENSORES
1
2
N
M
U
L
T
I
P
L
E
X
O
R
DSP
C A/D
Linealización
Compensación
térmica
Calibración
Selección sensor
Diagnóstico
C D/A
Diagrama de bloques de un sensor inteligente de la década de 1980
Tema 12 - 26
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SENSORES INTELIGENTES
Normalización
Búsqueda de la armonización entre diferentes tipos de sensores inteligentes y
compatibilidad de comunicación.
Norma IEEE-P1451: Transducer to Microprocessor Interface
Divide el sensor inteligente en dos subsistemas interconectados:
à STIM (Smart Transducer Interface Module)
à NCAP (Network Capable Application Processor)
Tema 12 - 27
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Microsensores
SENSORES INTELIGENTES
INDEPENDIENTE DE LA RED
Norma IEEE-P1451
CONVERSIÓN A/D
STIM
SENSOR 1
Contiene:
ƒ El sensor o sensores
ACONDICIONAMIENTO
DE LAS
SEÑALES
PUERTO
SERIE
Al NCAP
TEDS
SENSOR N
ƒ El circuito de acondicionamiento
STIM
ƒ El convertidor A/D
ƒ Un procesador digital que tiene:
à Una memoria [Transducer Electronic Data Sheet (TEDS)] que almacena
información sobre los sensores en forma de tabla que contiene: Datos
del fabricante, parámetros de medida, margen estático y dinámico de
las variables de entrada y salida, precisión, datos de calibración, etc.
à Un puerto serie de comunicación con el NCAP.
Tema 12 - 28
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SENSORES INTELIGENTES
Norma IEEE-P1451
NCAP
Microcontrolador que implementa el protocolo de comunicación con la red y
con el STIM y ejecuta los algoritmos adecuados para configurar este último.
ESPECÍFICA PARA LA RED
PUERTO
SERIE
Al STIM
ALGORITMOS
DE APLICACIÓN
R ED
INTERFAZ LOCAL
DE USUARIO
COMUNICACIÓN
ALMACENAMIENTO
DE DATOS
ALGORITMO DE
CORRECCIÓN
NCAP
Tema 12 - 29
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Microsensores
SENSORES INTELIGENTES
Norma IEEE-P1451
Interconexión entre el STIM y el NCAP
Conexión punto a punto doble simultánea en banda base mediante cuatro hilos.
à Dos hilos de comunicación (DIN, DOUT)
à Dos hilos de alimentación (+5 V y común)
ESPECÍFICA PARA LA RED
INDEPENDIENTE DE LA RED
SENSOR 1
ACONDICIONAMIENTO
DE LAS
SEÑALES
PUERTO
SERIE
TEDS
SENSOR N
STIM
PUERTO
SERIE
ALGORITMOS
DE APLICACIÓN
COMUNICACIÓN
RED
INTERFAZ LOCAL
DE USUARIO
CONVERSIÓN A/D
ALMACENAMIENTO
DE DATOS
ALGORITMO DE
CORRECCIÓN
NCAP
Tema 12 - 30
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Microsensores
SENSORES INTELIGENTES
NORMA IEEE-P1451
Ejemplo
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Microsensores
MICROACTUADORES
En recintos muy pequeños es casi imposible utilizar la inducción
electromagnética para provocar movimiento, por lo que se han
desarrollado
los
microactuadores
que
no
utilizan
la
inducción
electromagnética.
Los principios físicos utilizados son:
à Fuerzas térmicas
à Cristales piezoeléctricos
à Fuerzas electrostáticas
Tema 12 - 32
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SISTEMA MICROELECTROMECÁNICO
[MICROELECTROMECHANICAL SYSTEM (MEMS)]
EJEMPLO DE MEMS FLUÍDICO
Tema 12 - 33
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Microsensores
SISTEMA MICROELECTROMECÁNICO
[MICROELECTROMECHANICAL SYSTEM (MEMS)]
EJEMPLO MECÁNICO
Sensor inercial utilizado en la bolsa de aire (Air Bag) de un automóvil
Tema 12 - 34
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Microsensores
SISTEMA MICROELECTROMECÁNICO
[MICROELECTROMECHANICAL SYSTEM (MEMS)]
COMPONENTES MICROÓPTICOS (MICRO-OPTICAL COMPONENTS)
Utilizados para transmitir señales a gran velocidad.
Conmutador microóptico
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Microsensores
SISTEMA MICROELECTROMECÁNICO
[MICROELECTROMECHANICAL SYSTEM (MEMS)]
MICROSENSORES Y MICROACTUADORES MECÁNICOS
Micromotor
ƒ Diámetro: 700 µm
Tema 12 - 36
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Microsensores
BIBLIOGRAFÍA
[BALT 95]
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1995.
[CHRI 97]
W. H. Ko, M. Mehregany and C. C. Lin. Microsensors/
Microactuators in Microelectromechanical Systems (MEMS).
Chapter of Electronics Engineers Handbook. D. Christiansen,
Editor. McGraw Hill. 1997.
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G. Kovacs. Micromachined transducers sourcebook. McGraw Hill.
1998.
[MEIX 95]
Hans Meixner. Sensor in Micro and Nanotechnology. Part I; Chapter
1 of “Sensors: A comprehensive survey, Volume 8”. VCH
Publishers. 1995.
[TAI 02]
Tai-Ran Hsu. MEMS & Microsystems. Design and Manufacture.
McGraw Hill. 2002.
Tema 12 - 37