Antureiden aika Elektroniikkainsinöörien seura EIS 80 vuotta Hannu Martola toimitusjohtaja VTI Technologies Oy

Transkriptio

1 Antureiden aika Elektroniikkainsinöörien seura EIS 80 vuotta Hannu Martola toimitusjohtaja VTI Technologies Oy

2 Sisältö Historia Jack Kilby ja integroitu piiri Richard Feynman ja miniatyrisointi Anturien vuosikymmen Paineanturit 3-akseliset kiihtyvyysanturit Kulmanopeusanturit Piiresonaattorit MEMS anturien kotelointi Chip on MEMS ja tulevaisuus

3 Jack Kilby ja integroitu piiri Texas Instruments 1958 Nobel palkinto 2000 Passiivi- ja aktiivikomponentit tehdään samasta materiaalista Keksintö mullisti elektroniikkateollisuuden ja muutti maailman Kilbyn mukaan suurin yllätys hänelle jälkeenpäin oli, mihin kaikkeen integroituja piirejä käytettiin hinnan pudotessa tarpeeksi

4 Richard P. Feynman ja miniatyrisointi Feynman on MEMSin (Micro Electro Mechanical Systems) henkinen isä Esitelmä "There's plenty of Room at the Bottom" Caltechissa American Physical Societyn vuosikokouksessa "Encyclopedia Brittanican 24 osaa mahtuvat nuppineulan päähän"

5 VTI - Anturien vuosikymmen

6 Bulk ja pintamikromekaniikka ovat yhdistymässä Pintamikromekaniikan kerrokset tulevat paksummiksi, 10 µm RIE syövytyslaitteita käytetään jo paksuihin syövytyksiin, jopa 500 µm Kiekkotason suljentaa tarvitaan myös pintamikromekaniikassa

7 Tulevaisuuden anturi MEMS MEMS säilyy sovelluskohtaisena Anturi MEMS poikkeaa muusta MEMSistä Bulk ja pintamikromekaniikka yhdistyvät Kuivaetsaus (DRIE ) yleistyy koko MEMS teollisuuteen Kiekkotason liitäntä (bonding) tarvitaan suljentaan, ns. kansikiekko Rakennekerrokset ovat kymmenestä satoihin mikrometriin paksuja VTI'n ratkaisu: 3D-MEMS Bulk - Paksut ja syvät rakenteet - Pinta-elektrodit - Liike tasosta poispäin - Kiekkotason suljenta - RIE - Liike tasossa - kampaelektrodit Pinta (Surface) 3D-MEMS

8 3D-MEMS: DRIE paksuille mikrorakenteille Nopea kiekon läpi syövytys 1:10 suhde (aspect ratio) Kamparakenteet 1:25 suhde 100 µm paksu, 4 µm välit SOI kiekkoon rakennetut vääntörakenteet Mahdollistavat x,y,z-kiihtyvyys- ja kulmanopeusanturit ja näiden yhdistelmät

9 SMD/ lankabondattava paineanturi Contact pads

10 Altimetrit kannettaviin laitteisiin Rannetietokoneet, kellot, navigaattorit SCP1000: Altimetri jossa digitaalinen ulostulo ja pieni virrankulutus 17 bit resoluutio, 35 µa 6 mm

11 3-akselinen kiihtyvyysanturielementti Useita massa-jousirakenteita eri kulmissa 6 kapasitanssia Molemminpuoliset suljentakiekot 300 µm Sensitivity axis Sensitivity axis 45 45

12 MEMS Piiresonaattori Kvartsiteknologian korvaaminen 320 x 320 µm taso 13 MHz taajuudelle S21[dB] Vbias=4 V Vbias=8 V Vbias=12 V Vbias=16 V Vbias=20 V Frequency[kHz] Sähköstaattinen energian vaihto akustiseen toimintamoodiin ja takaisin 6 vuoden kehitystyön tulos VTTn kanssa

13 Lyhyen kantaman radiot Nykyinen: diskreetti kvartsikide stabiloimaan kellon ja RFtaajuuden Tulevaisuus: Piiresonaattori liitetty radiopiiriin (esim. 6x6 mm2 BGA kotelo) RF Micro Devices, 2003 Kvartsikide Radio IC µm bumps Piiresonaattori (0.7x0.7x0.2 mm 3 )

14 Anturien aikakauden edellytys Hinta Koko Langattomuus edellyttää alhaista virrankulutusta Useiden anturien yhdistäminen systeemiksi => Kotelointiteknologian tulee kehittyä

15 Muovista esivaletut MEMS kotelot Hyvä luotettavuus ja suorituskyky

16 Yleisin MEMS anturin kotelo Teollisuusstandardi: Ylivalettu QFN kotelo Miten päästä kotelosta eroon?

17 Onko monoliittinen integrointi ratkaisu? Jos MEMS ja IC ovat yhtä suuri kustannus on 2x verrattuna kahteen erilliseen elementtiin Jos MEMS on pieni IC:n verrattuna ja MEMS kustannus/ala on alhainen, monoliittinen ratkaisu on OK IC MEMSin päällä olisi ratkaisu Monoliittinenkin MEMS tarvitsee suljennan yksi poikkeus: absoluuttinen paineanturi MEMS IC

18 Uusi kiekkotason kotelointi Chip-on-MEMS: COM VTIn kiekkotason suljenta mahdollistaa tasainen pinta on erinomainen anturine asennukseen MEMS ja IC yhdistyvät flip chip Erittäin pieni ja kustannustehokas 2.4 x 1.6 x 0.7 mm 3 Patents pending

19 Kiitos!