Microsistemi in silicio, innovazione nello sviluppo di nuove applicazioni

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1 Intervento dal titolo Microsistemi in silicio, innovazione nello sviluppo di nuove applicazioni A cura di Alfredo Maglione Presidente Optoi Microelectronics di Trento 95

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3 MICROSISTEMI IN SILICIO, INNOVAZIONE NELLO SVILUPPO DI NUOVE APPLICAZIONI Optoi è un azienda che da oltre 10 anni progetta e produce sensori e microsistemi in silicio, puntando principalmente sull innovazione del prodotto per favorire lo sviluppo di nuove applicazioni. Optoi nasce come azienda spinoff dell istituto di microelettronica ITC-irst di Trento, sin dall inizio cresce nel mercato delle applicazioni industriali, in particolare quelle di tipo custom, grazie alle proprie competenze di microelettronica e ingegneria dei materiali e alla capacità di produrre microsistemi in silicio utilizzando la propria linea di assemblaggio microelettronico. I primi sensori prodotti sono di tipo optoelettronico, realizzati con tecnologia planare in silicio ed assemblati in package TO metallici o SMD plastici. Le prime applicazioni di successo sono quelle che riguardano i controlli industriali tipo encoder ottici e trasmissione dati su fibre ottiche. Negli ultimi anni Optoi aggiunge una nuova linea di attività mirata allo sviluppo di microsistemi innovativi, con particolare riguardo ai sensori MEMS, realizzati con tecnologia micromachining in silicio. I microsistemi in silicio sviluppati da Optoi, che stanno riscuotendo il maggior interesse di mercato per le applicazioni innovative, sono sensori MEMS per la misura di pressione, di flusso e di vibrazioni (microfoni). Sono sensori che misurano parametri diversi, ma che possono essere realizzati con varianti della stessa tecnologia, il bulk o surface micromachining, cioè la possibilità di scavare il silicio in modo preciso e selettivo, lavorando meccanicamente questo materiale, dal retro o dal fronte. Una prima famiglia sono i sensori di pressione che prevedono la realizzazione di una membrana molto sottile, di circa un micron di spessore, sulla quale vengono integrate delle piezoresistenze come elementi sensibili alla deformazione della membrana stessa. Le piezoresistenze quindi, se opportunamente integrate in configurazione a ponte di Wheatstone, permettono la trasduzione della pressione di un fluido, ad esempio dell aria o dell acqua, che viene misurata come variazione di segnale elettrico ai capi del ponte. Con questa tecnologia si possono realizzare sensori di pressione miniaturizzati, con dimensioni di pochi millimetri, in quantitativi elevati e con costi ridotti, che li rendono particolarmente adatti per nuove applicazioni industriali e civili. Tra gli esempi di maggior interesse e successo ci sono le applicazioni in sistemi: pneumatici, idraulici, termotecnici, elettrodomestici, biomedicali, di laboratorio e automotive. Una seconda famiglia sono i sensori di flusso che prevedono la realizzazione di un microponte molto sottile, sul quale vengono integrati dei sensori di temperatura e un micro-riscaldatore. Questi elementi permettono la trasduzione del flusso di un fluido, ad esempio dell aria o di un gas, che viene misurato come variazione di temperatura a monte e a valle del microriscaldatore. Con questa tecnologia si possono realizzare sensori di flusso estremamente sensibili, fino a pochi SCCM, con dimensioni compatte e configurazioni versatili, che li rendono particolarmente adatti per nuove applicazioni in sistemi per: misura portate, strumenti medicali, strumenti di misura portatili, controllo caldaie, acquari, aerospaziali. Una terza famiglia sono i sensori di vibrazioni o microfoni che prevedono la realizzazione di una doppia membrana sottile, la prima fissa e forata, la seconda mobile e collegata a molle sulle quali sono integrati dei sensori. Questi elementi permettono la trasduzione delle vibrazioni o delle onde sonore con grande accuratezza e selettività di banda, ad esempio di uno specifico 97

4 spettro sonoro tipico della voce umana o tipico di una macchina utensile. Con questa tecnologia si possono realizzare microfoni altamente integrabili e con la possibilità di fare misure selettive, direzionali e configurabili che li rendono particolarmente adatti per nuove applicazioni in sistemi per: sicurezza, macchine utensili, domotica, monitoraggio ambientale, dispositivi portatili, automotive. Causa la multidisciplinarietà delle competenze e delle tecnologie richieste, particolarmente degno di attenzione il fatto che i microsistemi in silicio si stanno dimostrando una buona opportunità, quasi unica a livello nazionale in Italia, per una vera collaborazione tra le imprese tecnologiche, interessate a realizzare prodotti innovativi, e i centri di ricerca e le università che risultano fondamentali per sviluppare le soluzioni tecnologiche necessarie. Contatti: Alfredo Maglione Optoelettronica Italia S.r.l. Località Spini, 115 I Gardolo (TN) ITALIA Tel.: (+39) Fax: (+39) info@optoi.com Web: 98

5 Microsistemi in silicio innovazione nello sviluppo di nuove applicazioni Vicenza, 16 marzo 2007 A. Maglione Sensori e Microsistemi Azienda Innovativa Azienda Spin-off della Ricerca R&D, Sviluppi Innovativi, Produzione Sviluppi e Prodotti Custom Progettazione e Produzione in Italia Prodotti & Servizi Sensori Optoelettronici Microsistemi e Sensori MEMS Packaging Microelettronico Sistemi ed Elettroniche Smart 99

6 Evoluzione Background iniziale Progettazione e Realizzazione di Microsistemi in Silicio Ingegneria dei Materiali Esperienza in Applicazioni Industriali Istituto ITC-irst Passi Principali nei primi 10 anni Idea iniziale di fare uno spin-off, Azienda Microelettronica Innovativa Fondata società Optoelettronica Italia srl spin-off Divisione Microsistemi dell istituto ITC-irst Nuova sede Optoi Completati i laboratori, primi sviluppi innovativi e inizio produzione di piccole serie industriali Progetti e produzioni industriali, inizio mercato estero, marchio internazionale OPTOI Microelectronics Costruzione nuova sede in zona industriale Spini di Gardolo, Certificazione ISO 9001:2000 del Sistema Gestione Qualità Completata nuova sede Optoi con linea di produzione microelettronica, incremento progetti, produzioni e tecnologie Primo decennio attività produttiva Optoi, inizio Distretto Tecnologico Trentino, staff Optoi in ITC-irst Linea di produzione Optoi Tecnologie Linea di Produzione substrate dicing direct die bonding wire bonding hermetic welding encapsulation oven curing Packaging COB (Chip On Board) CSP(Chip Scale Package) MCM (Multi Chip Module) Stack 3D (3 Dim. Stacking) SMD (Surface Mount Device) SiP (System in Package) die shear test wire pull up test on line and final test climatic chamber firing furnace SMD assembly line Package Polimerici: G200, Kapton, black FR4 Ceramici: Alumina, LTCC, Glass Metallici: Kovar, Al-clad, Inox 100

7 Sensori di Pressione 1/3 Principio di funzionamento P1>P2 P1 P2 Sensitività= ΔV/(ΔP V 0 )=ΔR/R(1/V 0 ) ΔV=V 0 *ΔR/R σ l = stress longitudinale σ t = stress trasversale Simulazione Progettazione membrana sottile trasduce P in V deformazione elastica della membrana MEMS Sensor - Micromachined membrane Back (or Surface) micromachining tech. piezoresistori in conf. Wheatstone bridge Linee di attività Produzione, Sviluppi, Ricerca Produzione sensori optoelettronici sensori per fibre ottiche sensori per controllo automotive bio-microsistemi Sviluppi innovativi sensori di pressione sensori di flusso sensori acustici - microfoni sensori e sistemi per domotica LED ad alta luminosità dispositivi aerospaziali RF-MEMS imaging termico Microsistemi in Silicio Sensori MEMS Applicazioni innovative Progetti di ricerca multi-sensori per qualità acqua celle fotovoltaiche a concentrazione 101

8 Sensori di Pressione - Tecnologia 2/3 Produzione DIE (Front-End) Assemblaggio PACKAGE (Back-End) integrazione microelettronica DIE su fette di Silicio realizzazione piezoresistenze e termometri realizzazione membrana sottile (pochi micron) tecnologia di Micromachining (bulk or surface) taglio fetta in singoli DIE (dicing MEMS) posizionamento sensore (DIE bonding) collegamento sensore (Wire bonding) protezione sensore (Glob top e cover) in ARIA: package SMD plastici-metallici in ACQUA: package TO metallici Sensori di Pressione - Applicazioni 3/3 Caratteristiche Vantaggi applicativi segnale uscita lineare sensori miniaturizzati basso costo buona sensitività possibile integrazione ASIC Applicazioni Innovative Sensitività [mv/bar] Linearità uscita V vs. P 350 simulato 300 sperimentale Spessore membrana [µm] Industriali Sistemi pneumatici (impianti, macchinari) Elettrodomestici (lavatrici, frigoriferi) Civili-Ambientali Impianti idraulici a pompe (edifici, giardini) Misure di livello (profondità, altimetria) Bio-Medicali Analisi mediche (cateteri endoscopia) Misure in laboratorio (microanalisi, test in vitro) Varie Portatili (telefonini, palmari, videogames) Automotive (controllo pneumatici) 102

9 Sensori di Flusso 1/3 Principio di funzionamento Anemometro a filo caldo Microheater e termometri realizzati su microbridge Il flusso genera una T tra i due termometri Flux T 1 T 2 Heater Simulazione Progettazione Progettazione MEMS Sensor Microbridge sospeso Surface micromachining technology il flusso sbilancia il gradiente termico heater struttura microbridge F -> T -> R -> V Integrazione di microheater e termometri in conf. Wheatstone bridge Sensori di Flusso - Tecnologia 2/3 Produzione DIE (Front-End) Assemblaggio PACKAGE (Back-End) mm integrazione microelettronica DIE su fette di Silicio realizzazione microheater e termoresistenze realizzazione microbridge (spessore circa 1 µm) tecnologia di Micromachining (surface) taglio fetta in singoli DIE (dicing MEMS) posizionamento sensore (DIE bonding) collegamento sensore (Wire bonding) protezione sensore (no Glob top) in ARIA: package SMD plastici con pipe in ACQUA: package specifici per tubazioni 103

10 Sensori di Flusso - Applicazioni 3/3 Output (mv) Caratteristiche OIF2 - Output Voltage vs Flow Flow (sccm) Flusso in Aria: uscita V vs. F Vantaggi applicativi sensibilità molto alta per flussi minimi segnale uscita simmetrico vs. flusso bidirezionale sensori con dimensioni ridotte costo contenuto possibile integrazione ASIC Applicazioni Innovative Civili-Ambientali Impianti edifici (condizionamento aria) Impianti caldaie (miscelazione aria-gas) Misure di portata acqua (tubazioni, fiumi) Industriali Sistemi a iniezione (presse, estrusori) Elettrodomestici (lavatrici, frigoriferi) Medicali Controllo respirazione (spirometria, anestesia) Test portatili (flusso aria per test tasso alcolico) Flusso in Acqua: T vs. F Varie Hobbistica (filtri-pompe acquari) Aerospaziale (flussi prossimi a zero) Microfoni 1/3 Principio di funzionamento Sound Onda sonora genera una P trasdotta in C per movimento membrana mobile rispetto a membrana fissa Frequenza sonora P -> C -> V Back chamber Perforated fixed electrode Acoustic gap Progettazione Piston Spring MEMS Sensor Membrane sospese Simulazione Bulk e surface micromachining tech Integrazione di membrana mobile a molle e rinforzi (bulk micromach.) Integrazione di membrana fissa con fori (surface micromach.) 104

11 Microfoni - Tecnologia 2/3 Produzione DIE (Front-End) Assemblaggio PACKAGE (Back-End) integrazione microelettronica DIE su fette di Silicio realizzazione di membrana mobile a molle e rinforzi realizzazione di membrana fissa con fori taglio fetta in singoli DIE (dicing MEMS) posizionamento sensore (DIE bonding) collegamento sensore (Wire bonding) protezione sensore (no Glob top) package SMD plastici con cover forato il package influenza la camera acustica Microfoni - Applicazioni 3/3 Caratteristiche Vantaggi applicativi sensibilità molto alta alto rapporto segnale/rumore risposta piatta con picco risonanza selettivo possibilità di array di microfoni configurabili sensori miniaturizzati possibile integrazione ASIC Applicazioni Innovative Risposta in Frequenza: C vs. F Civili-Ambientali Domotica (sensori rumori, sistemi sicurezza) Monitoraggio ambientale (inquin. acustico) Sistemi voce direzionali (array microfoni) Industriali Controllo macchinari utensili (spettro vibrazioni) Protezione valori (casseforti, cabine telefoniche) Varie Portatili (telefonini, videogames) Automotive (microfoni smart per veicoli) Spostamento della membrana in X e Y 105

12 Sensori MEMS -> Microsistemi -> Sistemi Smart ricerca, cultura e creatività in Italia permettono di fare vera innovazione Istituti di ricerca Istituti di ricerca Industrie Industrie Università Università La Cometa di Halley passa ogni 76 anni.... il Sole sorge ogni giorno! Grazie per l attenzione A. Maglione 106