Anàlisi termo-mecànica d'estructures micromecanitzades per a sensors de gas

• Autores: Jordi Puigcorbé Punzano
• Directores de la Tesis: Santiago Marco Colás (dir. tes.), Joan Ramon Morante i Lleonart (dir. tes.), Anna Vilà Arbonés (dir. tes.)
• Lectura: En la Universitat de Barcelona ( España ) en 2005
• Idioma: catalán
• Tribunal Calificador de la Tesis: Santiago Marco Colás (presid.), Christophe Serre (secret.), Javier Gracía Gaudó (voc.), Carles Cané Ballart (voc.), Francisco Javier Gutiérrez Monreal (voc.)
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  • Tesis en acceso abierto en: TDX
• Resumen

  • En aquest treball sha establert una metodologia danàlisi i caracterització del comportament tèrmic, mecànic i termomecànic destructures micromecanitzades per a sensors de gas a través de la combinació de simulacions numèriques i tècniques de caracterització de microsistemes (mesures electro-tèrmiques, termografia, nanoindentació, AFM, XRD, microscopia confocal, Auger).

    Lestudi del comportament tèrmic de les estructures micromecanitzades ha permès obtenir les característiques bàsiques que controlaran el comportament del sensor, com són el consum en potència, la distribució de temperatura i el temps de resposta del substrat. Lanàlisi termomecànic ha consistit en determinar els esforços residuals en cada estructura així com lestudi de la deformació dels diferents dissenys per a diferents temperatures de treball. Shan identificat diferents mecanismes de degradació en els materials que formen els sensors i sha obtingut el comportament termomecànic fins la ruptura del sensor. Tant en lestudi tèrmic com en el termomecànic, la interacció entre la capa sensora i el substrat micromecanitzat així com linfluencia del material sensor en el comportament global del dispositiu han estat aspectes investigats.

    El treball inclou, a més, la caracterització termomecànica del Pt-Ti emprat en estructures micromecanitzades a través de la utilització de mètodes de Nanoindentació, Microscopia de Forces Atòmiques (AFM), Difracció de Raigs X (XRD) i espectroscopia Auger.

    També inclou el desenvolupament duna metodologia per predir la fatiga tèrmica en microsistemes basada en la combinació dels models elasto-plàstics de metalls en capa prima (Alumini, Pt-Ti) amb simulacions numèriques.

    Finalment, de la metodologia danàlisi electro-termo-mecànic que sha dut a terme, es poden obtenir regles de disseny per la implementació de microsistemes que treballin en diferents règims de temperatura i en concret, directament aplicables al disseny i fabricació destructures micromecanitzades per a sensors de gas "ENGLISH ABSTRACT:

    This work presents a complete thermomechanical study of different micromachined gas sensor substrates based on closed and suspended membrane microstructures. The work has been carried out combining coupled electro-thermo-mechanical three-dimensional finite element method simulations with different experimental techniques such as those used in Microsystems characterization (thermo-electrical, thermography, AFM, XRD, confocal microscopy, Auger..). The performances predicted by simulations, such as the power consumption, the temperature distribution, the time response, the membrane deflection during operation and the preferential failure sites in the micromachined substrates have been confirmed by experience.

    The work includes the thermo-mechanical characterization of Pt-Ti thin films used in the structures using Nanoindentation, AFM, XRD and Auger spectroscopy. Additionally, a methodology to predict the thermal fatigue in microsystems, which combines experimental thin metal elasto-plastic models (Al, Pt-Ti) and coupled thermo-mechanical FEM simulations, has been developed.

    The good agreement between simulations and experimental results validates the numerical models, and allows us to consider the adaptability of the analyzed designs as micromachined substrates for integrated gas sensors.

    Keywords: MEMS, Microsystems, gas sensors, thermal fatigue, Al, Pt-Ti, FEM." RESUMEN EN CASTELLANO:

    En este trabajo se ha establecido una metodología de análisis y caracterización térmica y termomecánica de estructuras micromecanizadas en silicio para aplicaciones en sensores de gas. Esta investigación ha combinado simulaciones numéricas mediante el método de los elementos finitos con técnicas experimentales de caracterización utilizadas en el campo de los microsistemas (medidas electro-térmicas, termografía, AFM, XRD, microscopia confocal, Auger).

    El estudio térmico de dichas estructuras ha permitido obtener su consumo en potencia, la distribución de temperaturas, la dinámica térmica, así como ha permitido fijar con precisión las propiedades térmicas de los materiales típicamente utilizados en la tecnología de los microsistemas. El estudio mecánico ha permitido obtener los esfuerzos residuales inducidos por los procesos de fabricación. Además, se ha obtenido la deformación de las estructuras a diferentes temperaturas de trabajo hasta la ruptura total de las membranas. Durante las altas temperaturas de trabajo se han detectado y analizado diferentes mecanismos de degradación en los materiales.

    El trabajo incluye además, la caracterización termo-mecánica del Pt-Ti depositado por sputtering, ampliamente utilizado en microsensores de gas, mediante el empleo de técnicas de Nanoindentación, Microscopia AFM, Difracción de Rayos X (XRD) y espectrocopia Auger.

    También presenta el desarrollo de una metodología para la predicción de la fatiga térmica en microsistemas, que se basa en la combinación de modelos elasto-plásticos para metales en capa delgada con simulaciones numéricas.

    Finalmente, de la metodología de análisis termo-mecánico que se ha llevado a cabo, se pueden obtener reglas de diseño para microsistemas que trabajen a diferentes temperaturas, y en concreto directamente aplicables al diseño y fabricación de estructuras micromecanizadas para sensores de gas.

    Palabras clave: MEMS, microsistemas, sensores de gas, fatiga térmica, Al, Pt-Ti, MEF.