ES2341159B1 - Multiple prototyping process for mechanical capacitive microsensors. - Google Patents

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ES2341159B1 ES200801029A ES200801029A ES2341159B1 ES 2341159 B1 ES2341159 B1 ES 2341159B1 ES 200801029 A ES200801029 A ES 200801029A ES 200801029 A ES200801029 A ES 200801029A ES 2341159 B1 ES2341159 B1 ES 2341159B1
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Iñaki Fernandez Lacabe
Andres Garcia-Alonso Montoya
Daniel Valderas Gazquez
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    • B81C2201/019Bonding or gluing multiple substrate layers

Abstract

Proceso de prototipado múltiple para microsensores mecánicos de tipo capacitivo, basado en la identidad del valor de un determinado número de parámetros geométricos: en los microsensores mecánicos, con los pasos de: Process multiple prototyping for mechanical microsensors capacitive type, based on the identity of the value of a number of geometric parameters: in mechanical microsensors, comprising the steps of:
\sqbullet \ sqbullet
Definir en un sustrato (5) microestructuras (2). Defined in a substrate (5) microstructures (2).
\sqbullet \ sqbullet
Definir sobre las microestructuras (2) una placa de condensador (3). Defining on the microstructures (2) a capacitor plate (3).
\sqbullet \ sqbullet
Posicionar en una segunda capa de sustrato superior (8) una segunda placa de condensador (9) rígida. Positioning a second upper substrate layer (8) a second condenser plate (9) rigid.
\sqbullet \ sqbullet
Definir en una tercera capa de sustrato inferior (10), unas cavidades (12). Define a third layer lower substrate (10), cavities (12).
\sqbullet \ sqbullet
Apilar y pegar las tres capas de sustrato (5, 8 y 10). Stacking and pasting the three substrate layers (5, 8 and 10).

Description

Proceso de prototipado múltiple para microsensores mecánicos de tipo capacitivo. Multiple prototyping process for mechanical capacitive microsensors.

Sector de la técnica TECHNICAL FIELD

La presente invención está relacionada con los sistemas microelectromecánicos (MEMS) y más concretamente con el proceso de fabricación de microsensores mecánicos, proponiendo un proceso de fabricación basado en la identidad entre un número determinado de parámetros geométricos, que permite el prototipado múltiple de diferentes microsensores mecánicos de tipo capacitivo. The present invention relates to microelectromechanical systems (MEMS) and more specifically the manufacturing process of mechanical microsensors, proposing a manufacturing process based on the identity of a number of geometric parameters which allows multiple prototyping different mechanical microsensors capacitive type.

Estado de la técnica State of the art

Los microsensores mecánicos de tipo capacitivo pueden corresponder a dispositivos para la medida de una misma variable pero cubriendo diferentes campos de aplicación (por ejemplo, acelerómetros para cubrir diferentes segmentos de aceleración y bandas de frecuencia), a dispositivos para la medida de diferentes variables (por ejemplo, acelerómetros y sensores de presión) oa dispositivos para la medida de diferentes variables y en diferentes campos de aplicación. Mechanical microsensors capacitive type may correspond to devices for measuring the same variable but covering different fields of application (for example, accelerometers to cover different segments of acceleration and frequency bands), devices for measuring different variables ( example, accelerometers and pressure sensors) or devices for measuring different variables and different application fields.

El desarrollo de estos nuevos dispositivos y su posterior entrada en el mercado exige un trabajo previo de diseño (modelización, simulación, análisis), prototipado y, test y caracterización del microsensor, conociéndose diferentes técnicas de fabricación como las descritas en las Patentes EP1705489, US2006005626, US2007275494 o JP2000077680, que describen diferentes procesos de fabricación de microsensores, como acelerómetros y sensores de presión, en función de las diferentes características que presentan. The development of these new devices and its subsequent entry into the market requires a preliminary design work (modeling, simulation, analysis), prototyping and testing and characterization of the microsensor, knowing different manufacturing techniques as described in EP1705489 Patent US2006005626 , US2007275494 or JP2000077680, describing different manufacturing processes microsensors such as accelerometers and pressure sensors, depending on the different characteristics presented.

El desarrollo de estos dispositivos es un proceso laborioso donde cada microsensor y cada campo de aplicación (con sus especificaciones particulares), demandan una dedicación exclusiva y personalizada, presentando inconvenientes tales como: The development of these devices is a laborious process where each microsensor and every application (with particular specifications), require an exclusive and undivided, presenting disadvantages such as:

- -
Fase de diseño y prototipado costosa. Design phase and costly prototyping.

- -
Fase de diseño y prototipado larga. Long design phase and prototyping.

- -
Complejidad para automatizar el diseño y el prototipado de microsensores. Complexity to automate the design and prototyping of microsensors.

- -
Complejidad para automatizar el diseño y prototipado de un dispositivo que integre sensores MEMS y circuitos CMOS. Complexity to automate the design and prototyping of a device that integrates MEMS sensors and CMOS circuits.

  \vskip1.000000\baselineskip \ Vskip1.000000 \ ester 

Actualmente no se conocen procesos de fabricación de microsensores que solucionen la problemática anteriormente citada. Currently no microsensors manufacturing processes that solve the aforementioned problems are known. Si bien se conocen técnicas como las descritas en las Patentes EP 0 365 456, US 5 197 120, US 5 548 698 o US 7 013 246, que describen soluciones alternativas para agilizar la fase de prototipado y que se basan en el diseño paramétrico de objetos, estas soluciones se abordan desde una perspectiva general, no aportando ningún tipo de solución para el caso de los microsensores mecánicos de tipo capacitivo. While techniques as described are known in the EP 0365456 patent, US 5,197,120, US 5,548,698 or US 7,013,246 which describe alternatives to expedite the prototyping phase and based on the parametric design objects, these solutions are approached from a general perspective, not bringing any solution for the case of mechanical capacitive microsensors.

Objeto de la invención OBJECT OF THE INVENTION

De acuerdo con la presente invención se propone un proceso de prototipado de múltiples microsensores de tipo capacitivo, basado en la identidad de un determinado número de parámetros geométricos entre estos microsensores mecánicos. According to the present invention a multi prototyping process microsensors capacitive, based on the identity of a number of geometric parameters between these mechanical microsensors is proposed.

Es decir, dado que para diferentes microsensores mecánicos se definen mediante micromecanizado en volumen unas microestructuras 3D que determinan un determinado número de parámetros geométricos de idéntico valor, este hecho permite el prototipado simultaneo de los diferentes microsensores en un mismo proceso de fabricación, independientemente de si estos microsensores van a medir diferentes variables o diferentes variables cubriendo además diferentes campos de aplicación para cada variable. That is, since for various mechanical microsensors are defined by micromachining volume a 3D microstructures which determine a number of geometric parameters of identical value, this allows the simultaneous prototyping different microsensors in the same manufacturing process, whether these microsensors will measure different variables or different variables besides covering different fields of application for each variable.

En general, todos los prototipos de microsensores de tipo capacitivo, como los acelerómetros y los sensores de presión, presentan al menos tres parámetros geométricos de idéntico valor, los cuales son el espesor del sustrato, el espesor de los brazos que unen la masa inercial al chip y/o el espesor de la membrana deformable y la separación entre placas de los condensadores. In general, all prototypes microsensor capacitive type, such as accelerometers and pressure sensors, having at least three geometric parameters identical value, which is the substrate thickness, the thickness of the arms connecting the inertial mass to chip and / or thickness of the deformable membrane and the separation between capacitor plates.

En base a todo ello, el proceso de fabricación objeto de la invención consta de los siguientes pasos; Based on all this, the manufacturing process of the invention comprises the following steps;

- -
Definir en el sustrato mediante micromecanizado en volumen las microestructuras móviles y/o deformables. Define the substrate micromachining volume moving and / or deformable microstructures.

- -
Definir sobre las microestructuras móviles y/o deformables una placa de condensador. Defining on mobile microstructures and / or deformable plate capacitor.

- -
Posicionar en una segunda capa de sustrato una segunda placa de condensador rígida, haciendo la función de tapa superior. Positioning a second substrate layer a second rigid plate capacitor, making the function of upper cover.

- -
Definir en una tercera capa de sustrato que hace de tapa inferior, unas cavidades y/o orificios que permiten el libre desplazamiento y/o deformación de las microestructuras. Define a third substrate layer makes lower lid, recesses and / or holes that allow the free movement and / or deformation of the microstructures.

- -
Apilar y pegar las tres capas de sustrato para formar el microsensor mecánico. Stacking and pasting the three substrate layers to form the mechanical microsensor.

  \vskip1.000000\baselineskip \ Vskip1.000000 \ ester 

Este proceso de la invención, en el que se fijan un número determinado de parámetros geométricos, reduce los grados de libertad en el diseño de manera que se simplifica el diseño del prototipo y se facilita el establecimiento de relaciones paramétricas que agilizan el diseño de un nuevo prototipo, proporcionando las siguientes ventajas; This process of the invention, in which a number of geometric parameters are set, reduces the degrees of freedom in design so that simplifies the design of the prototype and the establishment of parametric relationships that streamline design facilitates a new prototype, providing the following advantages;

- -
Reducción de costos en la fase de prototipado de microsensores mecánicos de tipo capacitivo. Cost reduction in mechanical prototyping phase capacitive microsensors.

- -
Reducción de tiempos en la fase de prototipado de microsensores mecánicos de tipo capacitivo. Time reduction in mechanical prototyping phase capacitive microsensors.

- -
Posibilidad de desarrollar una herramienta de diseño paramétrico que agilice la fase de prototipado. Possibility of developing a parametric design tool to speed up the prototyping phase.

- -
Posibilidad de desarrollar librerías de dispositivos MEMS para su incorporación a herramientas de diseño de circuitos integrados. Possibility of developing libraries MEMS devices for incorporation into design tools integrated circuits.

- -
Posibilidad de extender estas ventajas a la fase de producción de microsensores mecánicos de tipo capacitivo. Possibility of extending these advantages to the production phase of mechanical capacitive microsensors.

  \vskip1.000000\baselineskip \ Vskip1.000000 \ ester 
Descripción de las figuras DESCRIPTION OF FIGURES

La figura 1 muestra una perspectiva seccionada transversalmente de un acelerómetro fabricado con el proceso de la invención. 1 shows a sectional view transversely of an accelerometer manufactured with the process of the invention.

La figura 2 muestra una vista en planta en correspondencia con el acelerómetro de la figura anterior. Figure 2 shows a plan view corresponding to the accelerometer of the previous figure.

La figura 3 muestra una perspectiva seccionada parcialmente de un sensor de presión fabricado con el proceso de la invención. Figure 3 shows a partially sectioned of a pressure sensor manufactured by the process of the invention perspective.

La figura 4 muestra una vista en planta en correspondencia con el sensor de presión de la figura anterior. Figure 4 shows a plan view corresponding to the pressure sensor of the previous figure.

La figura 5 muestra una vista en alzado de una sección transversal de un acelerómetro fabricado con el proceso de la invención. Figure 5 shows an elevational view of a cross section of an accelerometer manufactured with the process of the invention.

La figura 6 muestra una vista en alzado de una sección transversal de un sensor de presión fabricado con el proceso de la invención. Figure 6 shows an elevational view of a cross section of a pressure sensor manufactured by the process of the invention.

La figura 7 muestra un esquema del proceso de prototipado de un acelerómetro según la invención. 7 shows a schematic of the prototyping process of an accelerometer according to the invention.

La figura 8 muestra un esquema del proceso de prototipado de un sensor de presión según la invención. Figure 8 shows a diagram of a prototyping process pressure sensor according to the invention.

Descripción detallada de la invención Detailed description of the invention

El proceso objeto de la invención se refiere a un proceso de fabricación para diferentes microsensores mecánicos de tipo capacitivo como acelerómetros o sensores de presión, permitiendo el prototipado de los mismos de forma simultánea y resultando realmente ventajoso para esta aplicación. The process object of the invention relates to a manufacturing process for various mechanical capacitive microsensors such as accelerometers or pressure sensors, allowing prototyping thereof simultaneously and resulting really advantageous for this application.

Los acelerómetros (1), ver figuras 1 y 2, son sensores de movimiento basados en el desplazamiento de una masa inercial (2) colocada debajo de las placas de unos condensadores. Accelerometers (1), see Figures 1 and 2 are sensors based on the displacement of an inertial mass (2) placed under the plate capacitors movement. Al desplazarse dicha masa inercial (2) se produce el desplazamiento de una de las placas, modificándose la distancia entre las placas del condensador y variando en consecuencia la capacidad del mismo. To move said inertial mass (2) displacement of the plates occurs, modifying the distance between the capacitor plates and varying accordingly the capacity thereof.

El prototipado de diferentes acelerómetros (1) para cubrir diferentes segmentos de aceleración "A" y diferentes bandas de frecuencia "f", implica definir diferentes dimensiones para la masa inercial (2) y diferentes longitudes y anchuras para los brazos (4) de sujeción de la masa (2) al marco de un chip. Prototyping different accelerometers (1) to cover different segments of acceleration "A" and different frequency bands "f" involves defining different dimensions for the inertial mass (2) and different lengths and widths for the arms (4) holding mass (2) to within a chip.

El caso más sencillo de acelerómetro (1), determina una masa inercial (2) de base cuadrada y altura igual al espesor de la capa de sustrato (5) (por ejemplo silicio) y una anchura fija de los brazos (4), de manera que los grados de libertad para el diseño de diferentes acelerómetros (1) serán el lado de la base de la masa inercial (2) y la longitud de los brazos (4) de sujeción al chip. The simplest of accelerometer case (1), determines an inertial mass (2) square base and height equal to the thickness of the substrate layer (5) (for example silicon) and a fixed width of the arms (4), of so that the degrees of freedom for the design of different accelerometers (1) is the base side of the inertial mass (2) and the length of the arms (4) holding the chip.

En el caso de los sensores de presión (6), ver figuras 3 y 4, que son sensores de movimiento basados en la deformación de una membrana (7) por compresión de un fluido, el prototipado de diferentes sensores de presión (6) resulta más sencillo que el de los acelerómetros (1), ya que estos únicamente disponen de un grado de libertad que es el área del diafragma deformable (7). In the case of pressure sensors (6), see Figures 3 and 4, which are sensors based on the deformation of a membrane (7) for compressing a fluid, movement prototyping different pressure sensor (6) is simpler than the accelerometers (1), since these only have one degree of freedom which is the area of ​​the deformable diaphragm (7).

Se consideran, por lo tanto, al menos tres parámetros comunes a todo tipo de microsensores mecánicos de tipo capacitivo; Are considered, therefore, at least three parameters common to all mechanical capacitive microsensors; el espesor del sustrato (5) (silicio), el espesor de los brazos (4) y/o membrana (7) y la separación entre las placas (3 y 9) de los condensadores (figuras 5 y 6). the thickness of the substrate (5) (silicon), the thickness of the arms (4) and / or membrane (7) and the spacing between the plates (3 and 9) of the capacitors (5 and 6).

Una vez definidos los parámetros comunes de los microsensores, el proceso de prototipado consta de los siguientes pasos; After defining the common parameters of microsensors, the prototyping process consists of the following steps;

- -
Definir en el sustrato (5) mediante micromecanizado en volumen las microestructuras móviles (2) y/o deformables (7). Defining on the substrate (5) by volume micromachining mobile microstructures (2) and / or deformable (7).

- -
Definir sobre las microestructuras móviles (2) y/o deformables (7) una placa de condensador (3). Defining on mobile microstructures (2) and / or deformable (7) a capacitor plate (3).

- -
Posicionar en una segunda capa de sustrato una segunda placa de condensador (9) rigida, haciendo la función de tapa superior (8). Positioning a second substrate layer a second condenser plate (9) rigida, functioning upper cover (8).

- -
Definir en una tercera capa de sustrato que hace de tapa inferior (10), unas cavidades (12) y/o orificios (11) que permiten el libre desplazamiento y/o deformación de las microestructuras. Define a third substrate layer makes lower cap (10), cavities (12) and / or holes (11) allowing free movement and / or deformation of the microstructures.

- -
Apilar y pegar las tres capas (5, 8 y 10) de sustrato para formar el microsensor mecánico. Stacking and pasting the three layers (5, 8 and 10) substrate to form the mechanical microsensor.

Tal y como se puede observar en el esquema del proceso de fabricación que se muestra en las figuras 7 y 8, en un primer paso el sustrato (5), una oblea de silicio, es térmicamente oxidada (a) para, a continuación, mediante un proceso fotolitográfico (b) de doble cara, abrir unas ventanas (14) para la posterior definición de los brazos (4) en la cara superior y el proceso de micromecanizado en la cara inferior. As you can be seen in the outline of the manufacturing process shown in Figures 7 and 8, in a first step the substrate (5), a silicon wafer, is thermally oxidized (a), then by a photolithographic process (b) double-sided, open a window (14) for further definition of the arms (4) on the upper side and the micromachining process on the underside.

Posteriormente, se deposita una película metálica (15) mediante evaporación (sputtering) (c) y en ella se definen mediante fotolitografía (d) las placas inferiores (3) de los condensadores (en los ejemplos representados, los condensadores son cuatro). Subsequently, a metal film (15) is deposited by evaporation (sputtering) (c) and defined therein by photolithography (d) the bottom plates (3) of the capacitors (in the examples shown, capacitors are four).

El proceso de micromecanizado en volumen (e), define la masa inercial (2) de los acelerómetros (1) y la membrana deformable (7) de los sensores de presión (6) y finalmente, un proceso de ataque seco (f) permite obtener en los acelerómetros (1) los brazos (4) que sujetan la masa inercial (2) al marco del chip. The micromachining process by volume (e) defines the inertial mass (2) of accelerometers (1) and the deformable membrane (7) of the pressure sensors (6) and finally, a process of dry etching (f) allows obtained from the accelerometers (1) the arms (4) holding the inertial mass (2) to the frame of the chip.

Paralelamente a estos pasos del procedimiento, se procesan las tapas superior (8) e inferior (10), definiéndose en la tapa superior (8) mediante micromecanizado una cavidad (13) donde se ubica la segunda placa del condensador (9), siendo una placa común para todos los condensadores presentes en el dispositivo. Parallel to these process steps, the upper (8) and lower caps (10) are processed, defined on the top lid (8) by micromachining a cavity (13) wherein the second capacitor plate (9) is located, being a common plate for all capacitors in the device.

La tapa inferior (10) presenta para los microsensores de presión (6) un orificio (11) que permite el contacto entre la membrana deformable (7) y el fluido cuya presión se pretende determinar, mientras que en el caso de los acelerómetros (1), presenta una cavidad (12) para garantizar el libre desplazamiento de la masa inercial (2). The bottom cover (10) has for microsensors pressure (6) a hole (11) allowing contact between the deformable membrane (7) and the fluid whose pressure is to be determined, while in the case of accelerometers (1 ), a cavity (12) to ensure free movement of the inertial mass (2).

En un último paso se procede al pegado del sustrato (5), oblea de silicio, a las dos tapas (8 y 10), obteniéndose finalmente el prototipo de microsensor mecánico de tipo capacitivo deseado. In a last step we proceed to gluing of the substrate (5), silicon wafer, the two lids (8 and 10), finally obtaining the prototype mechanical microsensor desired capacitive type.

Claims (6)

  1. 1. Proceso de prototipado múltiple para microsensores mecánicos de tipo capacitivo, caracterizado porque se basa en la identidad del valor de un determinado número de parámetros geométricos entre los microsensores mecánicos y consta de los pasos de; 1. Process for multiple mechanical prototyping capacitive microsensors, wherein the identity is based on the value of a number of geometric parameters between mechanical and comprises the steps of microsensors;
    - -
    Definir en el sustrato (5) mediante micromecanizado en volumen las microestructuras móviles (2) y/o deformables (7). Defining on the substrate (5) by volume micromachining mobile microstructures (2) and / or deformable (7).
    - -
    Definir sobre las microestructuras móviles (2) y/o deformables (7) una placa de condensador (3). Defining on mobile microstructures (2) and / or deformable (7) a capacitor plate (3).
    - -
    Posicionar en una segunda capa de sustrato una segunda placa de condensador (9) rígida, haciendo la función de tapa superior (8). Positioning a second substrate layer a second condenser plate (9) rigid, making the function of upper cover (8).
    - -
    Definir en una tercera capa de sustrato que hace de tapa inferior (10), unas cavidades (12) y/o orificios (11) que permiten el libre desplazamiento y/o deformación de las microestructuras. Define a third substrate layer makes lower cap (10), cavities (12) and / or holes (11) allowing free movement and / or deformation of the microstructures.
    - -
    Apilar y pegar las tres capas de sustrato (5, 8 y 10) para formar el microsensor mecánico. Stacking and pasting the three substrate layers (5, 8 and 10) to form the mechanical microsensor.
  2. 2. Proceso de prototipado múltiple para microsensores mecánicos de tipo capacitivo, según la primera reivindicación, caracterizado porque los parámetros comunes en el proceso son al menos tres, los cuales son el espesor del sustrato (5), el espesor de la membrana deformable (7) y/o los brazos (4) que unen la masa inercial (2) al marco del chip y la separación entre las placas del condensador (3 y 9). 2. Process multiple prototyping for mechanical microsensors capacitive type according to the first claim, characterized in that the common parameters in the process are at least three, which are the thickness of the substrate (5), the thickness of the deformable membrane (7 ) and / or arms (4) connecting the inertial mass (2) to the frame of the chip and the spacing between the capacitor plates (3 and 9).
  3. 3. Proceso de prototipado múltiple para microsensores mecánicos de tipo capacitivo, según las reivindicaciones primera y segunda, caracterizado porque el sustrato (5) empleado en la fabricación de los mismos es silicio. 3. Process multiple prototyping for mechanical microsensors capacitive type as the first and second claims, wherein the substrate (5) used in the manufacture thereof is silicon.
  4. 4. Proceso de prototipado múltiple para microsensores mecánicos de tipo capacitivo, según la primera y segunda reivindicaciones, caracterizado porque los microsensores fabricados son acelerómetros (1) idénticos en todos los prototipos en, como minimo, el espesor del sustrato (5) de silicio, el espesor de la tapa superior (8), el espesor de la tapa inferior (10), el espesor de los brazos (4) que unen la masa inercial (2) al marco del chip y la separación entre las placas del condensador (3 y 9) (o los condensadores). 4. Process multiple prototyping for mechanical microsensors capacitive type according to the first and second claims, characterized in that the microsensors are produced accelerometers (1) identical in all prototypes, at least the thickness of the substrate (5) silicon, the thickness of the top cover (8), the thickness of the bottom cover (10), the thickness of the arms (4) connecting the inertial mass (2) to the frame of the chip and the spacing between the capacitor plates (3 and 9) (or capacitors).
  5. 5. Proceso de prototipado múltiple para microsensores mecánicos de tipo capacitivo, según la primera y segunda reivindicaciones, caracterizado porque los microsensores fabricados son sensores de presión (6) idénticos en todos los prototipos en el espesor del sustrato (5) de silicio, el espesor de la tapa superior (8), el espesor de la tapa inferior (10), el espesor de la membrana deformable (7) y la separación entre placas del condensador (3 y 9) (o condensadores). 5. Process multiple prototyping for mechanical microsensors capacitive type according to the first and second claims, characterized in that the microsensors are produced pressure sensors (6) identical in all prototypes in the thickness of the substrate (5) silicon, the thickness the top cover (8), the thickness of the bottom cover (10), the thickness of the deformable membrane (7) and the separation between capacitor plates (3 and 9) (or capacitors).
  6. 6. Proceso de prototipado múltiple para microsensores mecánicos de tipo capacitivo, según la primera reivindicación, caracterizado porque los microsensores fabricados son acelerómetros (1) y sensores de presión (6) en los que son dénticos en todos los prototipos el espesor del sustrato (5) de silicio, el espesor de la tapa superior (8), el espesor de la tapa inferior (10), el espesor de la membrana deformable (7) y de los brazos (4) que unen la masa inercial (2) al marco del chip, y la separación entre placas del condensador (3 y 9) (o condensadores). 6. Process multiple prototyping for mechanical microsensors capacitive type according to the first claim, characterized in that the microsensors are produced accelerometers (1) and pressure sensors (6) in which are dénticos in all prototypes thickness of the substrate (5 ) silicon, the thickness of the top cover (8), the thickness of the bottom cover (10), the thickness of the deformable membrane (7) and the arms (4) connecting the inertial mass (2) to the frame chip, and the separation between capacitor plates (3 and 9) (or capacitors).
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