Ansys

Seminario de Electrónica.

2 de Febrero de 2009

FCFM-BUAP

ANÁLISIS DE LAS CARACTERÍSTICAS 
ESTRUCTURALES Y PROPIEDADES ELÉCTRICAS 
DE UN MICROSENSOR DE PRESIÓN TIPO 
DIAFRAGMA
Francisco López H. 
FCFM-BUAP, ICUAP-BUAP, MICRONA-UV, FM-UADY

Seminario de Electrónica.

2 de Febrero de 2009

Integración de MEMS
FCFM-BUAP

• Diseño de Microestructuras y circuitoselectrónicos
electrónicos de sistemas de registro

ESQUE‐
MATICO
TERMICO

ESTRUC
TURAL

ELECTRO‐
MAGNETI‐
CO

Estudio y
Simulación MP de
Microestructuras

LAYOUT

Estudio y Simulación
Eléctrica
Eléctrica de
Circuitos

EXTRAIDO

CADENCE**

ANSYS*
* En proyecto con MICRONA ‐ UV
** En proyecto con FM ‐ UADY

Seminario de Electrónica.

2 de Febrero de 2009

ContenidoFCFM-BUAP

•
•
•
•
•
•

Antecedentes
Diagrama de flujo en el diseño MEMS
Análisis de elemento finito
Simulación Estructural 
Resultados
Conclusiones

BUAP

Seminario de Electrónica.

2 de Febrero de 2009

Antecedentes
FCFM-BUAP

• Circuito de lectura

Señal 
eléctrica

Microsensor
EB
presión

MEMS

Efecto Hall
Corrientes 
iónicas

temperaturaPiezoeléctrico
Capacitivo
Resonador

Energía

Electrodo

Seminario de Electrónica.

2 de Febrero de 2009

Diagrama de flujo de diseño MEMS
FCFM-BUAP
Estructural

IDEAS

Definición 
modelo

SIMULACIONES

• Deformación
• Esfuerzos

Térmico

Electrostático

Definición 
MEMS

Estudio 
analítico

Verificación

Especificaciones

Sensor

• Gradiente
Distribución
•Distribución
• Flujo de i
• Líneas EF

Optimización 
y fabricación 
MEMS

Seminario de Electrónica.

FCFM-BUAP

2 de Febrero de 2009

¿Cómo funciona Microsensor de 
Presión? 

• Dispositivo rectangular
• Es un diafragma cuadrado de longitud l, con un
espesor t. Para una mayor sensibilidad, se ubican
los elementos sensibles en el borde del diafragma.

Seminario deElectrónica.

2 de Febrero de 2009

¿Cómo funciona Microsensor de 
Efecto Presión? (2) 

FCFM-BUAP

ρ ij = π ijkl σ kl
σt

Cristal con simetría cúbica
0
0 ⎞⎛ σ 11 ⎞
⎛ ρ 11 ⎞ ⎛ π 11 π 12 π 12 0
⎜ ⎟⎜
⎟
⎟⎜
ρ 22 ⎟ ⎜ π 12 π 11 π 12 0
0
0 ⎟⎜ σ 22 ⎟
⎜
⎜ ρ ⎟ ⎜π
0
0 ⎟⎜ σ 33 ⎟
π 12 π 11 0
12
33
⎜ ⎟=⎜
⎟
⎟⎜
0
0 π 44 0
0 ⎟⎜ 2σ 12 ⎟
⎜ ρ 12 ⎟ ⎜ 0
⎜ ⎟⎜
⎟
⎟⎜
0
0
0 π 44 0 ⎟⎜ 2σ 13 ⎟ρ 13 ⎟ ⎜ 0
⎜
⎜ρ ⎟ ⎜ 0
0
0
0
0 π 44 ⎟⎜ 2σ 23 ⎟
⎠⎝
⎝ 23 ⎠ ⎝
⎠

π l = 12 (π 11 + π 12 + π 44 )
π t = 12 (π 11 + π 12 − π 44 )

σl

Δρ

ρ

= π lσ l + π tσ t
l

Δρ

ρ

= π lσ t + π tσ l
t

Seminario de Electrónica.

2 de Febrero de 2009

Criterios de Diseño
FCFM-BUAP

• Geometría: las dimensiones del diafragma no pueden 
ser superiores a 1500 x 1500 µm
•Tecnología de fabricación comercial: AMI Semiconductor 
• Parámetros tecnológicos fijos: concentración de 

portadores, espesor de capas, dimensiones mínimas de 
capas

Seminario de Electrónica.

2 de Febrero de 2009

Modelo de elemento finito
FCFM-BUAP

• Tipos de análisis 
• Modelo en 2D y 3D

Seminario de Electrónica.

•

FCFM-BUAP

2 de Febrero de 2009División (mallado) de la 
microestructura

• Elección del ELEMENTO
• PROPIEDADES de los materiales

elastic modulus

thermal
expansion
(CTE)

shear modulus
Poisson's ratio

thermal 
conductivity
thermal 
diffusivity
density

SOLID98 ELEMENTO DE 10 NODOS 
SALIDAS: MAGNÉTICO, TÉRMICO, ELÉCTRICO, 
PIEZOELÉCTRICO, CAMPO ESTRUCTURAL
Manual ANSYS SOLID95 3-D Structural Solid

specific heatelectrical
conductivity

Seminario de Electrónica.

FCFM-BUAP

2 de Febrero de 2009

Generación de la MALLA en 
microestructura

Aprovechando la SIMETRIA de la 
ESTRUCTURA

Mallado refinado

Mallado refinado

Mallado burdo
Mallado  burdo

Proporcional al 
número de NODOS
Proporcional al 
TIEMPO DE COMPUTO

Seminario de Electrónica.

2 de Febrero de 2009...