advertisement

Trt 1221009-mems pressure sensor-thursy

67 %
33 %
advertisement
Information about Trt 1221009-mems pressure sensor-thursy
Technology

Published on February 17, 2014

Author: ThursyAnagThoyyibb

Source: slideshare.net

Description

tentang pressure sensor atau sensor tekanan
advertisement

MEMS Pressure Sensor Diajukan untuk memenuhi kelulusan mata kuliah Teknik Rangkaian Terintegrasi Dosen : Hadi Puspa Handoyo, M.Sc Disusun oleh: Thursy Rienda Aulia Satriani (1221009) Jurusan Teknik Elektro Fakultas Teknologi Industri Universitas Internasional Batam UIB-Batam 2014 i

Daftar Isi DAFTAR ISI .........................................................................................................ii DAFTAR GAMBAR .............................................................................................iii DAFTAR TABEL ..................................................................................................v KATA PENGANTAR............................................................................................vi BAB I PENDAHULUAN ......................................................................................1 1.1.Latar Belakang............................................................................................1 1.2.Rumusan Masalah ......................................................................................1 1.3.Tujuan Penulisan ........................................................................................1 1.4.Landasan Teori...........................................................................................2 1.4.1. Pengertian MEMS ............................................................................2 1.4.2. Definisi dan Klasifikasi .....................................................................4 1.4.3. Sejarah ..............................................................................................5 BAB II MEMS PRESSURE SENSOR .................................................................7 2.1. MEMS Pressure Sensor ............................................................................7 2.2.Prinsip Kerja ..............................................................................................8 2.3.Fabrikasi Chip dan Wafer ..........................................................................17 2.3.1. Design Configuration ........................................................................17 2.3.2. Teknik dan Langkah-langkah Fabrikasi............................................19 2.4.Packaging....................................................................................................29 2.5.Aplikasi.......................................................................................................35 BAB III KESIMPULAN........................................................................................40 3.1.Kesimpulan. ................................................................................................40 DAFTAR PUSTAKA ............................................................................................41 LAMPIRAN ...........................................................................................................43 ii

Daftar Gambar Gambar 1 Ilustrasi skematik dari komponen MEMS Gambar 2 a) sebuah motor silicon MEMS dengan sehelai rambut manusia. b) kaki dari tungau yang berdiri di atas gear micro-engine Gambar 3 klasifikasi microsystems technology (MST) Gambar 4 Kiri: Schematic cross section of a typical bulk micromachined piezoresistive pressure sensor. Combination of a piezoresistive pressure sensor with (tengah) an NMOS process, and (kanan) a CMOS process Gambar 5 (a)Back side pressurized (b) Front side pressurized Gambar 6 Tampak atas die silikon. Gambar 7 Diagram skematik piezoresistor pressure sensor Gambar 8 Wheatstone bridge for signal transduction Gambar 9 Penempatan pada die persegi Gambar 10 Penempatan pada die persegipanjang Gambar 11 Perubahan bentuk pada diafragma. Gambar 12 Wheatstone bridge Gambar 13 Bentuk rangkaian kapasitor pada capasitive pressure sensor Gambar 14 Diagram skematik capasitive pressure sensor Gambar 15 Skema diagram struktur sensor tekanan kapasitif Gambar 16 Skematik diagram pressure sensor dengan mode touch Gambar 17 Diagram skematik struktur CPDS Gambar 18 Capacitive Pressure Sensor Comb Drive Gambar 19 Karakteristik Kapasitif sensor Gambar 20 Pengaruh suhu terhadap sensitifitas Gambar 21 Skema diagram resonant vibration pressure sensore Gambar 22 Konfigurasi jembatan Wheatstone dari Piezoresistor untuk sensor tekanan. RA dan RB merupakan resistor sensor. Gambar 23 Penempatan piezoresistor pada membrane Gambar 24 Tahap fabrikasi membran untuk MEMS pressure sensor Gambar 25 Anisotropic etching terhadap silikon menggunakan KOH atau TMAH Gambar 26 Membran terbentuk setelah bulk etching pada silikon iii

Gambar 27 Intersection <110> dan < 110> terbentuk setelah dilakukan anisotropic etching terhadap silicon Gambar 28 Tanda sejajar pada permukaan atas seperti yang terlihat melalui membran, tanda sejajar digunakan untuk menyelaraskan masker selama fotolitografi Gambar 29 Pola piezoresistor yang dikembangkan setelah fotolitografi untuk etching oksida yang diikuti oleh fosfor difusi. Gambar 30 Pola yang muncul setelah etching Gambar 31 proses packaging pressure sensor dengan pendekatan sacrifice replacement. Gambar 32 (a) 3D image of the packaged pressure sensor (sacrifice-replacement approach) and (b) its cross-section image at section A-A. Gambar 33 Proses packaging pressure sensor dengan pendekatan dam-ring Gambar 34 (a) 3D image of the packaged pressure sensor (dam-ring) and (b) its crosssection image at section A-A. Gambar 35 Cara kerja tire sensor Gambar 36 Peletakan MEMS aneurysm pressure sensor pada aorta Gambar 37 Bentuk MEMS aneurysm pressure sensor Gambar 38 Contoh penggunaan CPAC Gambar 39 Cara kerja switch dengan pressure sensor Gambar 40 Barometric Pressure Sensors iv

Daftar Tabel Tabel1 Nilai koefisisen piezoresistif longitudinal dan transfersal untuk wafer silikon <100> (dengan satuan 10-12 /Pa) dengan orientasi sepanjang <110> dan doping ≈10 18 /cm3 Tabel2 Tahap litografi Tabel3. Parameter deposisis termal aluminium Tabel4 perbandingan dimensi antara pendekatan sacrifice-replacement dan dam-ring. v

Kata Pengantar Puji syukur penulis panjatkan kepada Tuhan Yang Maha Esa, karena berkat kasih dan rahmat-Nya, penulis dapat menyelesaikan laporan ini tepat pada waktunya. Terimakasih juga saya haturkan kepada dosen atas bimbingannya dan semua pihak yang ikut andil, yang tidak dapat saya sebutkan satu per satu. Laporan ini dibuat guna memenuhi salah satu tugas akhir dari matakuliah Teknik Rangkaian Terintegrasi. Dengan semangat dan kerja keras, akhirnya penulis dapat menyelesaikan laporan “MEMS Pressure Sensor” ini dengan baik. Penulispun berharap semoga laporan ini dapat memberikan manfaat bagi pembaca dan penulis pada khususnya serta menjadi referensi bagi para pembaca yang ingin membahas MEMS pressure senso.r Penulis menyadari bahwa kesempurnaan hanyalah milik Tuhan, sehingga penulis percaya bahwa masih terdapat banyak kekurangan dalam penulisan laporan ini. Untuk itu, penulis sangat berterimakasih jika ada koreksi, kritik dan saran dari pembaca yang bersifat membangun demi penyempurnaan pada penulisan laporan ke depannya. Bangkok, Januari2014 Penulis vi

BAB I PENDAHULUAN 1.1.Latar Belakang MEMS diindikasi sebagai salah satu teknologi yang menjanjikan untuk abad ke-21 dan memiliki potensi untuk merevolusi dunia industri dan produk konsumen dengan mengkombinasikan silikon berbasis teknologi microelectronic dengan teknologi micromachining. Teknik dan alat berbasis micro-system memiliki potensi besar secara dramatis mengubah kehidupan kita dan cara kita hidup. Salah satu MEMS yang diramalkan akan menjadi primadona di tahun 2014 adalah MEMS pressure sensor. Dari hari ke hari aplikasi pressure sensor terus merambah dari bidang komersil, otomotif, automobile, industrial, medical hingga aerospace. Namun ada masalah utama yang dihadapi dalam memproduksi pressure sensor yaitu sistem packaging dan cara melindungi membrane diafragma. Mengingat MEMS pressure sensor yang sangat menarik dan hampir dapat diaplikasikan diberbagai bidang, maka dalam laporan ini akan dibahas mengenai teknik fabrikasi MEMS pressure sensor dan packaging. Prinsip kerja MEMS pressure sensor juga akan dibahas mengingat dari prinsip yang sederhana ini muncul berbagai alat yangmenarik dan dapat memberikan kemudahan dan manfaat bagi banyak orang, terutama di bidang kesehatan, dimana pressure sensor menjadi produk hasil penggabungan ilmu biologi dan ilmu elektronik. 1.2.Rumusan Masalah Ada beberapa masalah yang akan dibahas dalam makalah ini yaitu meliputi  Apa yang dimaksud dengan MEMS pressure sensor?  Bagaimana prinsip kerja MEMS pressure sensor?  Apasaja tahapan fabrikasi MEMS pressure sensor?  Bagaimana tahapan-tahapan packaging MEMS Pressure sensor?  Apasaja aplikasi pressure sensor? 1.3.Tujuan Penulisan Laporan ini ditulis untuk membahas lebih lanjut mengenai MEMS pressure sensor, yang meliputi prinsip kerja, desain konfigurasi, tahapan fabrikasi, dan membahas mengenai tahapan packaging dengan menggunakan dua pendekatan yang berbeda yaitu sacrifice-replacement dan dam-ring , dan yang terakhir laporan ini juga akan membahas aplikasi pressure sensor dalam beberapa bidang, yaitu bidang automotif, industry dan juga kesehatan dimana aplikasinya dalam bidang kesehatan banyak menarik perhatian banyak pihak terutama pasar. 1

1.4.Landasan Teori 1.4.1. Pengertian MEMS MEMS adalah teknologi yang digunakan untuk membuat sebuah perangkat terintegrasi yang berukuran kecil atau sebuah sistem yang menggabungkan komponen mekanik dan elektrik. MEMS diproduksi dengan menggunakan teknik dan proses fabrikasi IC (Integrated Circuit), memiliki ukuran yang berkisar Antara beberapa mikrometer hingga milimeter. Perangkat atau sistem ini memiliki kemampuan untuk sense, control dan actuate pada skala mikro dan menghasilkan efek pada skala makro. MEMS merupakan akronim yang berasal dari Amerika Serikat, yang juga disebut MST (Microsystem Technology) di Eropa, dan Micromachines di Jepang. Fabrikasi perangkat elektronik MEMS menggunakan teknologi IC “Computer Chip” sementara itu komponen mikromekaniknya dibuat dengan menggunakan manipulasi silikon dan substrat lain yang secara canggih difabrikasi menggunakan proses-proses micromachining. Proses micromachining dan HARM (High Aspect Ratio Micromachining) secara selektif menghapus bagian dari silicon atau menambahkan lapisan structural untuk membentuk komponen mekanis dan elektromekanis . Jika IC di rancang untuk mengeksploitasi sifat listrik dari silicon, MEMS mengambil keuntungan dari sifat mekanik silicon, atau kedua sifat elektrik dan mekanik dari silicon. Dalam bentuk yang paling umum, MEMS terdiri dari mechanical microstructures, microsensors, microactuators, dan microelectronics yang semuanya terintegrasi pada silicon chip yang sama, seperti yangditunjukkan pada gambar 1. Gambar1. Ilustrasi skematik dari komponen MEMS Microsensor mendeteksi perubahan sistem atau lingkungan dengan pengukuran mekanik, termal, magnetik, kimia, informasi elektromagnetik, atau fenomena. Microelectronics memproses informasi dan memberikan sinyal kepada microactuator untuk berekasi dan memberikan beberapa bentuk perubahan lingkungan. MEMS merupakan perangkat yang berukuran sangat kecil, komponennya biasanya berukuran mikroskopis. Tuas, gigi, roda, piston, dan bahkan mesin uap semuanya telah dibuat dalam MEMS (gambar 2). Namun MEMS bukan hanya tentang miniaturisasi komponen mekanik atau membuat hal-hal dari silicon 2

(karena kenyataannya istilah MEMS sering disalahartikan, karena banyak peralatan micromachine yang tidak mekanis dalam arti apapun). MEMS merupakan teknologi manufaktur; sebuah paradigma untuk merancang dan membuat perangkat sistem mekanik yang lebih kompleks serta sistem elektronik yang terintegrasi dengan menggunakan teknik fabrikasi massal. Gambar 2. a) sebuah motor silicon MEMS dengan sehelai rambut manusia. b) kaki dari tungau yang berdiri di atas gear micro-engine[2 - Sandia National Labs, SUMMiT *Technology, http://mems.sandia.gov]. Berangkat dari sebuah visi yang sangat awal pada tahun 1950-an, MEMS akhirnya dapat keluar dari laboratorium penelitian dan diaplikasikan pada produk sehari-hari. Pada pertengahan tahun 1990 sejumlah komponen MEMS mulai bermunculan diberbagai produk komersial, termasuk aplikasi akselerometer yang digunakan untuk melakukan control penyebaran airbag pada kendaraan, sensor tekanan pada peralatan medis, dan pada inkjet printer head. Dewasa ini perangkat MEMS juga ditemukan pada projection display sebagai micropositioner pada sistem penyimpanan data. Bagaimanapun juga potensial terbesar dari perangkat MEMS terletak pada telekomunikasi (optik dan wireless), biomedical, process control area. MEMS memiliki berbagai kelebihan sebagai sebuah teknologi manufacturing. Yang pertama cabang ilmu pengetahuan alam teknologi MEMS dan teknik micromachining nya (seperti yang kita ketahui aplikasinya berada pada bidang yang tidak berhubungan contohnya biologi dan mikroelektronic). Kedua MEMS dengan teknik fabrikasi batch memungkinkan komponen dan perangkat diproduksi dengan performa dan ketahanan yang lebih baik, ditambah lagi dengan berkurangnya ukuran fisik, volume, berat dan biaya yang dikeluarkan. Dan yang terakhir MEMS menyediakan dasar manufacture produk yang tidak bisa dibuat dengan metode lain. Faktor-faktor ini yang membuat MEMS berpotensi berkembang lebih jauh dibandingkan IC microchips. Bagaimanapun juga ada banyak tantangan dan hambatan teknologi yang berhubungan dengan miniaturisasi yang harus diatasi sebelum dapat menyadari potensinya yang luar biasa. 3

1.4.2. Definisi dan Klasifikasi Pada bagian ini akan dijelaskan mengenai terminologi dan klasifikasi yang berhubungan dengan MEMS. Gambar 3 menunjukkan klasifikasi dari Microsystem Technology (MST). Walaupun MEMS juga biasa disebut MST, sebenarnya MEMS merupakan sebuah proses teknologi yang digunakan untuk membuat sistem atau perangkat mekanik yang berukuran kecil, jadi MEMS merupakan bagian dari MST. Gambar3. klasifikasi microsystems technology (MST) Micro-optoelectromechanical systems (MOEMS) juga merupakan bagian dari MST yang dibentuk dengan menggunkan MEMS yang secara khusus menggunakan teknologi miniaturisasi yang merupakan kombinasi optik, elektronik, dan mekanik. Kedua mikrosistemnya menggabungakan penggunaan teknik microelectronic batch processing. Transducer Transducer merupakan perangkat yang mengubah dari suatu bentuk sinyal atau energy ke dalam bentuk yang lain. Maka dari pada itu transducer dapat digunakan pada sensor ataupun actuator, dan transducer sering dan biasa digunakan pada MEMS. Sensor Sensor merupakan perangkat yang dapat mengukur informasi dari lingkungan sekitar dan memberikan keluaran berupa sinyal elektrik sebagai respon dari parameter yang diukur. Berikut adalah domain energi dari perangkat MEMS:    Mechanical - force, pressure, velocity, acceleration, position Thermal - temperature, entropy, heat, heat flow Chemical - concentration, composition, reaction rate 4

   Radiant - electromagnetic wave intensity, phase, wavelength, polarization, reflectance, refractive index, transmittance Magnetic - field intensity, flux density, magnetic moment, permeability Electrical - voltage, current, charge, resistance, capacitance, polarization. Actuator Actuator merupakan sebuah perangkat yang mengubah sinyal elektrik menjadi gerak atau tindakan. Actuator dapat menciptakan gaya untuk menggerakkan dirinya sendiri, perangkat mekanik lain, atau lingkungan sekitar untuk menciptakan sejumlah fungsi yang berguna. 1.4.3. Sejarah Sejarah MEMS sangat berguna untuk mengilustrasikan keragaman, tantangan dan aplikasi. Berikut adalah rangkuman dari kejadian penting dari MEMS. 1950-an  1958 silicon strain gauges (silicon dengan ukuran) tersedia secara komersial  1959 “There’s Plenty of Room at the Bottom”-Richard Feynman memeberikan presentasi yang menjadi tonggak sejarah di Institute Teknologi California. Dia memberikan tantangan dengan menawarkan 1000$ kepada orang pertama yang menciptakan motor elektrik yang berukuran kurang dari 1/64 inch. 1960-an  1961 pressure sensor silikon pertama kali didemostrasikan.  1967 Penemuan micromachining permukaan. Westinghouse membuat Resonant Gate Field Effect Transistor, (RGT). Deskripsi penggunaan pengorbanan material untuk membebaskan perangkat micromechanical dari substrat silikon. 1970-an  1970 accelerometer silikon pertama didemostrasikan.  1979 micromachined inkjet nozzlepertama. 1980-an  Awal 1980 percobaan pertama micromachined pada permukaan silikon. Akhir 1980 micromachining mengangkat indistri microelectronic dan menyebarkan percobaan dan dokumentasiyangmeningkatkan ketertarikan public.  1982 transduser tekanan darah sekali pakai.  1982 “silikon sebagai materi mekanik”, instrumental paper untuk menarik minat komunitas saintis-referensi materi dan data etching untuk silikon.  1982 proses LIGA. 5

 1988 konferensi MEMS pertama. 1990-an Metode micromachining yang bertujuan mengembangkan dan memperbaiki sensor.  1992 MCNC memulai Multi-Users MEMS Process (MUMPS) yang disponsori oleh Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA).  1993 surface micromachined accelerometer terjual (Analog Devices, ADXL50)  1994 Deep Reactive Ion Etching dipatenkan.  1995 BioMEMS secara cepat dikembangkan.  2000 MEMS optical-networking components menjadi bisnis yang besar. 6

BAB II MEMS PRESSURE SENSOR 2.1.MEMS Pressure Sensor Pressure sensor memiliki hubungan yang erat dengan force sensor. Pada pressure sensor elemen utamanya selalu berupa membran. Pressure sensor yang konvensional menggunakan membrane yang terbuat dari logam (metal). Sebuah terobosan berhasil diciptakan pada awal 1980-an ketika micromechanics diperkenalkan dan metal membrane digantikan oleh (monocrystalline) membran silikon, yang mana jarang menderita kelelahan, dan histeris. Dan ditambah lagi dengan kombinasi ukurannya yang kecil, elastisitas yang tinggi, dan kepadatan yang rendah dari silikon dengan frekuensi yang beresonansi tinggi. silikon pressure sensor yang pertama berdasarkan pada pembacaan mekanik piezoresistif. Hingga saat ini piezoresistif pressure sensor yang sering digunakan. Piezoresistor bisa saja didifusi pada membran atau di deposisi pada bagian atas membran. Biasanya resistor dihubungkan dengan ke dalam sebuah konfigurasi jembatan wheatstone untuk keseimbangan atau kompensasi temperature. Manfaat utama dengan menggunakan pembacaan mekanik piezoresistif adalah proses fabrikasi yang sederhana, dan sinyal keluaran sudah tersedia dalam voltage. Masalah utamanya terletak pada luas sensitivitas temperaturnya dan penyimpangannya. Selanjutnya karena tingkat sensitifitas piezoresistor yang rendah, perangkat piezoresistif kurang cocok apabila digunakn sebagai pengukur yang akurat dan memiliki perbedaan tekanan yang rendah. Pembacaan dengan menggunakan mekanisme kapasitif memiliki sensitivitas yang rendah terhadap perbedaan suhu, dan secara ekstrim dapat mengkonsumsi daya yang sangat rendah. Bagaimanapun juga kapasitansi yang diukur biasanya sangat kecil dan membutuhkan electronic interface circuit, yang mana harus terintegrasi pada die sensor atau setidaknya terletak sangat dekat dengan chip sensor. Jika dibandingkan dengan piezoresistif sensor, sensitivitas terhadap pengukuran secara signifikan lebihtinggi. Biasanya kapasitansi berubah dari 30 hingga 50% yang dapat dengan mudah sementara itu disisi lain perangkat piezoresistif dibatasi dari 2 hingga 5%. Stuktur kapasitif juga menawarkan kemungkinan untuk memaksa feedback sebagai gaya elektrostatis antarplat kapasitor yang dapat digunakan untuk mengimbangi tekanan eksternal. Akurasi terbesar dapat diperoleh menggunakan sensor resonansi. Sensor jenis ini memilikisinyal keluaran dalam bentuk perubahan frekuensi resonansi dari elemen yang bergetar. Masalah yang ada pada sensor resonansi adalah kompleksivitasnya dalam proses fabrikasi dimana biasanya dibutuhkan vacuum sealing. Biasanya elemen yang bergetar terintegrasi pada sebuah deflecting membrane yang dapat menimbulkan permasalahan dari sisi coupling mekanik Antara resonantor dan membran. 7

2.2.Prinsip Kerja Gambar4: Kiri: Schematic cross section of a typical bulk micromachined piezoresistive pressure sensor. Combination of a piezoresistive pressure sensor with ( tengah) an NMOS process, and (kanan) a CMOS process Pada gambar 4 ditunjukkan beberapa contoh dari bulk micro-machined piezoresistive pressure sensor. Resistor bisa didifusikan pada membrane atau dideposisi di atas membran dengan lapisan isolasi intermediate. (biasanya SiO 2 ). Membran di etching dari belakang wafer biasnya memiliki ketebalan puluhan micrometer. Etching berdasarkan waktu memiliki beberapa kelebihan yaitu membrane tidak membutuhkan doping boron. Bagaimanapun juga kemampuan untuk memproduksi dengan ketebalan membran rendah. Etching dengan melibatkan boron memberikan control yang baik terhadap pengendalian ketebalan membrane, bagaimanapun tingkat doping yang tinggi melarang penggunaan difusi strain gauges. Maka dari itu electrochemical etching sering menggunakan membran dopingan yang lebih ringan. Karenamembran di-etching dari belakang wafer yang sangat memungkinkan dengan standar proses IC fabrikasi. Contoh dari sensor dengan menggunakan on-chip electronic dikembangkan oleh Toyota, mereka mengkombinasikan piezoresistif pressure sensor dengan sebuah rangkaian elektronik bipolar untuk menghasilkan kompensasi temperature dan untuk mengubah tegangan keluaran kedalam sebuah frekuensi yang mana lebih mudah di koneksikan dengan rangkaian elektronika. Gambar 4 (tengah) menunjukkan penampang skematik yang terakhir, di mana sebuah penguat operasional NMOS terintegrasi dengan sensor untuk amplifikasi dan kompensasi suhu sinyal strain gauge. Diusulkan dikombinasi dengan proses CMOS standar. Dalam hal ini sirkuit CMOS diwujudkan dalam tipe-n lapisan epitaxial seperti yang ditunjukkan pada Gambar 4 (kanan). Micro pressure sensor bekerja berdasarkan prinsip mekanik, melengkungnya diafragma yang terbuat dari lembaran silikon tipis (membran) yang bersinggungan dengan tekanan gas atau udara. 8

Gambar 5. (a) Back side pressurized (b) Front side pressurized Ketegangan yang terkait perubahan diafragma akan dibaca oleh piezoresistor yang berukuran sangat kecil dan juga diletakkan di tempat yang strategis pada diafragma. Piezoresistor kecil ini terbuat dari silikon yang didoping. Piezoresistor ini memiliki prinsip kerja yang sama dengan pengukur ketegangan foil hanya saja memiliki ukuran yang jauh lebih kecil (µm), namun piezoresistor ini memiliki sensitifitas dan resolusi yang jauh lebih tinggi. gambar 6. Tampak atas die silikon. 9

Gambar7. Diagram skematik piezoresistor pressure sensor Gambar8.Wheatstone bridge for signal transduction Vo = Vin ( ) (persamaan 1) R1,R3 = resistance induced by longitudinal and transverse stresses R2,R4 = reference resistors Berikut ini adalah lokasi yang digunakan untuk peletakan piezoresistor. Gambar9.Penempatan pada die persegi Gambar 10. Penempatan pada die persegipanjang 10

Gambar11.Perubahan bentuk pada diafragma. Gambar12. Wheatstone bridge R1 = Rg – merupakan resistansi variable (memiliki nilaihambatan yang dapat diubahubah) R2 , R3 , R4 – memiliki nilai resistansi yang tetap Untuk kondisi statis Untuk kondisi dinamis Tegangan Vo berubah berdasarkan waktu, dan perubahan direkam. Perubahan dari resistansi yang diukur adalah sebagai berikut: ( ) (persamaan 3) Dimana R1 = nilai asli dari Rg Cara lain mentransdusi perubahan diafragma untuk menghasilkan output sinyal adalah sebagai berikut: a) Capacitive Pressure Sensor Dengan menggunakan perubahan kapasitansi, cara ini biasanya digunakan apabila berhubungan dengan temperature tinggi. 11

Gambar13. Bentuk rangkaian kapasitor pada capasitive pressure sensor      4 kapasitor terlibat dalam jembatan. Ada 3 kapasitor identik dengan kapasitansi C. Kapasitor 4 dengan kapasitor variable, yang tergantung pada perubahan jarak antara dua pelat elektroda. Jembatan dikenai masukan berupa tegangan yang konstan, Vin. Variasi kapasitansi, ΔC kapasitor dapat diperoleh dari pengukuran tegangan keluaran. ∆C= Gambar14. Diagram skematik capasitive pressure sensor εr = permitivitas relatif = 1.0 dengan udara εo = permitivitas dalam ruang hampa = 8,85 pF / m A = luas Overlap d = Gap antara elektroda pelat berikut adalah jenis-jenis pressure sensor 12

 Absolute Pressure Sensor Skema struktur pelat kapasitif paralel adalah seperti yang ditunjukkan pada gambar 15. Besar kapasitansinya adalah sebagai berikut. di mana C adalah kapasitansi dari pelat paralel, 0 adalah 8,854 × 10-12 F/m, εr adalah permitivitas relatif medium dielektrik, A adalah luas permukaan efektif, dan d adalah jarak pemisahan antara membran. gambar15. Skema diagram struktur sensor tekanan kapasitif Sensor tekanan Capacitive dirancang untuk mengukur tekanan. Struktur ini memiliki sebuah ruang dengan tekanan referensi (tekanan absolut < 1mTorr) yang ditutupi oleh membran elastis yang bisa terkena tekanan yang ekstrim. Bersama dengan sisi berlawanan dari ruangan ini, membran elektrik konduktif membentuk pelat paralel sensor kapasitif. Membran diafragma berubah karena perbedaan tekanan antara tekanan eksternal dan tekanan referensi internal. Kapasitansi kapasitor berubah karena jarak variabel antara membran dan bagian belakang chamber yang bertindak sebagai elektroda co-operasi berubah. Tekanan eksternal dapat ditentukan dari perubahan dalam kapasitansi. Sensor tekanan absolut memiliki sensitivitas yang tinggi, tetapi rentang dinamisnya kecil. Rentang dinamis ditingkatkan dengan teknik servo kapasitor elektrostatik. Dalam sensor tekanan absolut, sebagian besar membran diafragma berperan sebagai planar dan dengan pusat diperintah. Keuntungan dari penyegelan vakum adalah untuk mencegah efek Ekspansi gas yang terperangkap.  Touch Mode Pressure Sensor Sensor tekanan kapasitif menghasilkan perubahan kuadratik untuk setiap tekanan yang diberikan. capasitive pressure sensor memiliki kapasitif respon yang nonlinier. sentuhan lembut pressure sensor dengan bentuk parabola dan rongga donat dikembangkan pada diagram polymide yang digunakan untuk meningkat sesitifitas kapasitif. diagram skematik pressure sensor dengan model sentuh ditunjukkan pada gambar 16. Sebagian besar 13

pressure sensor mode sentuh dirancang dengan membran diafragma. sumber perintah dari Gambar16. Skematik diagram pressure sensor dengan mode touch  Capacitive Differential Pressure Sensor (CDPS) CDPS menggunakan perbedaan tekanan antara dua sumber tekanan. CDPS mengukur perubahan tekanan dari defleksi diafragma menggunakan tekanan ukur. Rongga tekanan diisi dengan tekanan referensi dan disegel menggunakan membran diafragma. sensor ini mampu mengukur tekanan di bawah atau di atas tekanan referensi. Ketika tekanan yang terukur berada di bawah tekanan referensi, membran diafragma berdfleksi keluar dari lubang tekanan. jarak antara plat bertambah dan otomatis kapasitansi efektif berkurang, dan berlaku sebaliknya apa bila tekanan yang terukur berada di atas tekanan referensi. Berikut adalah struktur skematik CPDS. 14

Gambar17. Diagram skematik struktur CPDS     Capacitive Pressure Sensor in Biomedical Application Capacitive Pressure Sensor lebih banyak diaplikasikan pada dunia biomedical karena sensitifitas yang tinggi dan respon yang dinamik. Materi berupa polymer lebih dipilih karena cocok dengan dunia biomedis. microfabricated implantable intraocular pressure sensor, alat monitoring aktivitas uterus nirkabel, monitoring pediatric pasca operasi dan diagnosafungsi paru-paru masih terus dikembangkan dengan menggunakan capasitive pressure sensor. Electrostatic Tuned Capacitive Pressure Sensor capacitive vacuum-sealed sensor memiliki sensitivitas yang tinggi, namun hanya memiliki rentang dinamis yang sempit. Kapasitansi ditentukan dengan jarak antara dua elektroda, hal ini bisa dicapai apabila plat paralel diberi tegangan untuk menghasilkan gaya elektrostatis. Piezoelectrically Activated Capacitive Pressure Sensor Piezoelectrically activated tunable MEMS capacitor sudah didesain dan mulai difabrikasi, dengan laporan hasil rasio tuning dari 0.46pF hingga 10.02pF dengan tuning voltage 35V. Capacitive Pressure Sensor Comb Drive Micromachined comb drive capacitive sering digunakan pada micromachined acceleerometter dan Rangkaian tuning MEMS RF. manfaat utama dari struktur ini adalah memberikan perubahan kapasitif yang besar setiap terjadi perpindahan. Pressure sensor tipe ini banyak diusulkan untuk monitoring pediatric pasca operasi karena sensitifitas yang tinggi dan jangkauan dinamis yang lebar. Designnya terdiri dari membran bagian atas dan bawah dengan comb-interdigitized electrode seperti yang ditunjukkan pada gambar 18. Kapasitansi dari sensor berdasarkan jarak antara plat atas dan bawah. Jika jarak antar kedua plat membran terrsebut bertambah maka kapasitansi berkurang, dan sebaliknya. Gambar 19 menunjukkan karakteristik kapasitif sensor. Pada gambar 20 menunjukkan pengaruh suhu 15

terhadap terhadap sensitifitas. dan efeknya sangat minimum (<0,03) jika dibandingkan dengan piezoresistif dengan (0,27%) TCP. Gambar 18 Capacitive Pressure Sensor Comb Drive Gambar 19. Karakteristik Kapasitif sensor Gambar 20. Pengaruh suhu terhadap sensitifitas 16

b) Resonant Vibration Sensor ini biasanya digunakan untuk mendapatkan resolusi yang lebih tinggi. Sinyal keluarannya berupa pergeseran frekuensi resonansi ketika terjadi perubahan tegangan (stress) di bawah plat elektroda ketika diberi tekanan. Gambar21. Skema diagram resonant vibration pressure sensore 2.3.Fabrikasi Chip dan Wafer 2.3.1. Design Configuration Di dalam pressure sensor terdapat banyak sistem yang terintegrasi. MEMS pressure sensor menawarkan biaya pengeluaran yang rendah, dengan kemampuan membaca tekanan. diantara bermacam-macam topologi transduksi yang ada untuk sensor, piezoreistif merupakan salah satu yang paling banyak dan luas digunakan. MEMS juga menawarkan kecocokan dengan proses fabrikasi CMOS. Tipe wafer Tipe-n Tipe-p πl -316 718 πt -176 -663 Tabel1. Nilai koefisisen piezoresistif longitudinal dan transfersal untuk wafer silikon <100> (dengan satuan 10 -12 /Pa) dengan orientasi sepanjang <110> dan doping ≈10 18 /cm3 Gambar22. Konfigurasi jembatan Wheatstone dari Piezoresistor untuk sensor tekanan. R A dan RB merupakan resistor sensor. 17

 Piezoresistan silikon Resistansi dari piezoresistor silikon adalah fungsi dari stress (ketegangan) material dan orientasi piezoresistor. Variasi dari resistansi berdasarkan stress diberikan pada persamaan 7 di bawah ini. nilai umum koefisien piezoresistif <110> diberikan pada tabel1.  Pressure Sensor Design Sensor tekanan direalisasikan dengan menggunakan empat Piezoresistor yang diatur sepanjang <110> sumbu pada membran dalam konfigurasi jembatan Wheatstone seperti ditunjukkan pada Gambar 22. Sensitivitas tergantung pada orientasi piezoresistor dan lokasi, lokasi-lokasi Piezoresistor pada membran seperti ditunjukkan pada Gambar 23. Tegangan maksimum pada piezoresistor untuk membran persegi dengan lebar 2a , ketebalan h dan tekanan P yang sama diterapkan diberikan oleh Persamaan 8 berikut ini. ( ) Untuk membran dengan ketebalan 10mikron a=250 mikron dan pressur = 10 bar memberikan 625 MPa dimana lebih sedikit dibandingkan kekuatan silikon (7 GPa). Menggunakan persamaan 7 dan 8 menghasilkan ( ) 18

Gambar23. Penempatan piezoresistor pada membran Dimana v adalah rasio poisons ≈ 0,3 pada silikon. Hal ini menghasilkan ∆R/R =0,13825. Berdasarkan gambar dan dengan beranggapan bahwa semua resistor sama dengan tegangan keluaran, maka dihasilkan persamaan 10 berikut. 2.3.2. Teknik dan langkah- langkah Fabrikasi Awalnya wafer dengan ukuran 2 inci <100> yang memiliki kualitas prima dan merupakan wafer Si yang telah dipoles di kedua sisinya. Ketebalan wafer berkurang menjadi 230 mikron dengan etching KOH (e2). Langkah-langkah fabrikasi untuk mewujudkan membran untuk sensor tekanan yang ditunjukkan pada Gambar 24 dan dijelaskan di bawah ini. Berikut adalah langkah-langkahnya: 1. Wafer tipe P dibersihkan dengan menggunakan piranha cleaning (bagian a). 2. Thermal oksidation (Oksidasi termal) untuk menumbuhakan 200nm oksida (bagian b). 3. a) photoresist dilapiskan pada permukaan depan sampel dan berpola seperti yang dijelaskan dalam Sec. IIC. b) Sisi belakang wafer dilapisi dengan lilin untuk mencegah oksida terkena etching. 4. Bagian depan oksida dietching seperti yang dijelaskan dalam bagian d dengan durasi ≈ 45 detik. 5. Berikut adalah langkah ke-5: 19

a) 6. 7. 8. 9. 10. 11. 12. a) KOH etching diaplikasikan terhadap sisi depan silikon secara massal untuk mendapatkan struktur uji kedalaman 10 mikron (bagian e1). b) Piranha cleaning diaplikasikan pada wafer (bagian a). c) Setelah oksidasi termal, tumbuh 1µ oksida seperti yang dijelaskan dalam bagian b2. Fotoresis dilapiskan pada permukaan belakang sampel dan pola dipindahkan dengan bantuan tanda sejajar. Parameter fotolitografi dijelaskan dalam bagian c Bagian belakang oksida dietsa seperti yang dijelaskan dalam bagian d dengan durasi ≈ 3,5 menit. Etching silikon pada sisi belakang dilakukan dengan dua langkah proses. a) KOH etching awal dilakukan selama 2 jam untuk mengetsa 120μ silikon seperti yang dijelaskan dalam bagian e2 b) Lalu diikuti oleh TMAH etching untuk menyisakan 100 μ silikon di sisi belakang (Bagian f). Sebuah lubang yang tampak melalui struktur tes menunjukkan membran 10μ. Fotolitografi (bagian c dilakukan untuk mentransfer pola Piezoresistor pada oksida termal pada sisi depan wafer, diikuti dengan oksida yang dijelaskan dalam bagian d. Photoresist akan dihapus dengan menggunakan aseton diikuti dengan pembersihan IPA dan blow dry menggunakan N 2 . difusi fosfor dilakukan seperti yang dijelaskan bagian g untuk mewujudkan Piezoresistor tipe-n. Difusi fosfor terjadi di daerah-daerah yang tidak tercakup oleh oksida. Native Oxide akan terbentuk ketika wafer disimpan untuk waktu yang lama. Hal ini dapat dihilangkan oleh campuran HF dan air DI (1:10). Lalu diikuti dengan evaporasi termal dari aluminium pada wafer (bagian h) untuk membentuk kontak Piezoresistor. Pola untuk kontak aluminium ditransfer melalui litografi (bagian c) dan lalu diikuti oleh etching aluminium dijelaskan dalam bagian i. Photoresist akan dihapus dengan menggunakan aseton diikuti dengan pembersihan menggunakan IPA dan blow dry dengan menggunakan N 2 . Wafer kemudian menjalani tahap Annealing (bagian j). Piranha cleaning Wafer dibersihkan menggunakna larutan piranha. Larutan piranha terdiri dari H2 SO 4 : H2 O 2 dengan ratio volume 3 : 1, reaksi ini merupakan reaksi isothermik. Wafer dicelupkan ke dalam larutan selama 15 menit. Kotoran organik, ion alkali dihilangkan dengan menggunakan oksidator kuat yang terdapat dalam larutan. Permukaan silicon dipasivasi dengan (OH) sehingga membentuk kelompok hidrofilik. Setelah piranha cleaning wafer dicelupkan ke dalam kedalam HF yang diencerkan dengan air (HF : DI water = 1:50) pada suhu kamar untuk menghilangkan oksida bawaan. Diikuti dengan Blow Drying N2 . Penyelesaian lapisan oksida bawaan 20

dianggap telah sempurna apa bila hidrofobik silikon muncul di permukaan ( Si hidrofobik, SiO 2 hidrofilik) Gambar 24. Tahap fabrikasi membran untuk MEMS pressure sensor Berikut adalah beberapa hal-hal yang harus diperhatikan selama pembersihan wafer. 1) Pada temperature lebih dari 800 C H2 O 2 dapat terurai dan wafer Silikon dapat teroksidasi tak terkendali. 21

2) Wadah Teflon digunakan untuk pencelupan wafer ke dalam HF yang telah diencerkan setelah piranha cleaning. b) Thermal Oxidation Thermal Oxidation (oksidasi termal) digunakan untuk menumbuhkan lapisan SiO 2 di atas lapisan silikon yang telah dibersihkan. Lapisan SiO 2 berperan sebagai mask untuk Si etch. 1) 200nm SiO 2 growth Lapisan SiO 2 dengan ketebalan 200nm dibentuk pada tahap pertama oksidasi menggunakan dry-wet-dry oxidation sequence. Lapisan ini berperan sebagai mask untuk 10µ Si etching. Berikut ini adalah langkah-langkah oksidasi termal:  Atur suhu pembakaran oksidasi ke 10000 C dan bersihkan alat pembakar dengan gas N 2 murni dengan kecepatan aliran 1 liter/menit selama 15 menit.  Masukkan wafer ke dalam tempat pembakaran oksidasi yang telah diberi N 2.  Lakukan Dry Oxidation selama 10 menit Si + O 2  SiO2  Selanjutnya, gelembungkan oksigen pada tingkat aliran 1 liter / menit melalui DI water yang dipanaskan dalam bubbler tersebut. Oksigen membawa uap air ke permukaan wafer sehingga memungkinkan terjadinya wet oxidation selama 25 menit. Si + 2H2 O  SiO2 + 2H2  Lakukan dry oxidation selama 10 menit yang memungkinkan 200 nm dari SiO 2 terbentuk. Pada akhir durasi ini, ambien sekali lagi beralih ke N 2 dan wafer dikeluarkan.  Dry-wet-dry sequence digunakan di dalam proses untuk membantu mencapai kualitas Si-SiO2 interface (diaktifkan oleh dry oxidation) yang baik. dan pada saat yang sama laju oksidasi lebih cepat tercapai (akibat wet oxidation). Warna oksida 200 nm adalah kuning muda. 2) 1µ SiO 2 growth Sebuah lapisan SiO 2 dengan ketebalan 1µm ditumbuhkan pada tahap ke 5C dalam fabrikasi dengan menggunakan dry-wet-dry oxidation sequence. Lapisan ini berfungsi sebagai mask untuk membuat membran pada sensor tekanan. Langkah-langkah oksidasi termal adalah sebagai berikut: • Mengatur suhu pembakaran oksidasi sampai 1000 0 C dan bersihkan pemanas dengan gas N 2 murni dengan kecepatan aliran 1 liter/menit 22

    c) Masukkan wafer ke dalam tempat pembakaran oksidasi yang telah diberi N 2. Lakukan Dry Oxidation selama 10 menit Si + O 2  SiO2 gelembungkan oksigen melalui DI water panas. Oksigen membawa uap air ke permukaan wafer permukaan yang memungkinkan terjadinya wet oxidation selama 3 jam. Si + 2H2 O  SiO2 + 2H2 Melakukan dry oxidation selama 10 menit hingga warna 1 μ oksida hijau-ungu. Photolithography Fotolitografi diaplikasikan pada wafer untuk memindahkan sebuah pattern atau pola ke atas wafer yang selanjutnya akan digunakan pada proses etching. Berikut adalah fotolitografi secara detail. Proses Metode/material keterangan Wafer cleaning IPA dan aseton Untuk menghilangkan kontaminan organik Dehydration 1 jam Untuk menghilangkan kelembaban Photoresist S1813E Fotoresis positif Coating method Spin coating Untuk keseragaman ketebalan Ramp speed 500 rpm/detik Durasi 5 detik Spin speed 3000 rpm Durasi 35 detik Photoresist thickness 1,3 µm 0 Prebake at 115 C 60 detik Menguapkan pelarut fotoresis UV Exposure(Carl Suss Dengan panjang Durasi 13 detik MJB3 Mask Aligner) gelombang 350nm Dosage 85 ml/cm2 Developer AZ31B : DI = 1:3 1.1 Menit Cleaning DI Water Untuk menghilangkan developer Drying Blow drying Gas N 2 0 Postbaking at 125 C 2 menit Untuk menguatkan fotoresis Tabel2.Tahap litografi d) Oxide Etching Selama oksidasi termal bagian belakang wafer akan dioksidasi membentuk SiO 2 . Oksida ini lebih baik tidak dihapus karena bertindak sebagai mask saat dilakukan etching pada silikon. Bagian belakang oksida 23

ini dilindungi dengan lilin. Larutan penyangga HF (100mg NH4 F, 150ml DI Water, dengan perbandingan volume 3:1) digunakan untuk etching oksida pada bagian depan. Hal ini memberikan kecepatan mendekati 300nm/menit. Oksida dianggap sudah terhapus dengan lengkap ketika oksida yang hidrofilik menjadi oksida yang hidrofobik. Selanjutnya wafer diberrsihkan dengan trikloroetana untuk menghilangkan lilin diikuti dengan aseton dan IPA yang digunakan untuk menghapus fotoresis. Lalu wafer kembali dibersihkan dengan DI water dan dikeringkan menggunakan N 2 . e) KOH Etching KOH merupakan pengetsa silikon anisotropic, selektifitas KOH dalam melakukan etching terhadap <100>:<110>:<111> adalah 400:600:1. Keterbatasan KOH dalam etching adalah penyerangannya terhadap oksida, KOH juga jarang menjadi pilihan jika proses fabrikasi melibatkan transistor MOS, gambar berikut menunjukkan profil etsa yang menggunakan KOH. Langkah etching menggunakan KOH adalah sebagai berikut: 1) 10µ uji struktur etching Uji struktur etching difabrikasi dengan parameter proses sebagai berikut : a) 40% (berat) larutan KOH disiapkan b) Larutan tersebut dipanaskan hingga 750 C (dengan tingkat kecepatan etching 40µ/jam) c) Durasi etching ± 6 menit 40 detik. 2) Backside etching Membran 10µ difabrikasi menggunakan etching silikon dalam dua tahapan, awalnya etching menggunakan KOH dilakukan selama 2 jam, dan diikuti dengan etching dengan menggunakan TMAH selama 2 jam 15 menit. Langkah pertama yang melibatkan etching menggunakan KOH adalah sebagai berikut. a) 30% (berat) larutan KOH disiapkan b) Panaskan larutan hingga 750 C (dengan tingkat kecepatan etching 60µ/jam) c) 50% IPA ditambahkan sebagai larutan yang berfungsi mengurangi laju reaksi (konstanta dielektrik rendah IPA). IPA ditambahkan secara berkala sebagai ganti dari cairan yang menguap. Etching menggunakan KOH dilakukan selama 2 jam untuk etsa 120µ silikon. 24

Gambar 25.Anisotropic etching terhadap silikon menggunakan KOH atau TMAH f) TMAH Etching TMAH (Tetramethyl amonium hidroksida) adalah etsa silikon anisotropik. Selektivitas TMAH adalah <100>: <111>: 40:1. Meskipun TMAH kurang selektif dibandingkan dengan KOH, TMAH memiliki beberapa kelebihan, berikut keunggulan dibandingkan KOH etsa.  Hampir tidak menyerang oksida atau SiN, Selektivitas terhadap oksida lebih besar dari 1000.  TMAH etching sangat kompatibel untuk pengolahan CMOS.  Jika amonium persulfat ditambahkan secara berkala, dapat mencegah pembentukan deposit pada silikon dan memberikan permukaan yang halus. Karena KOH menyerang oksida, etsa silikon harus dilakukan dalam dua langkah proses Berikut adalah penjelasan mengenai TMAH etching,  Larutan TMAH 25% diencerakan menjadi larutan 5% dengan menggunakan DI water.  Larutan tersebut dipanaskan hingga 75 0 C (dengan tingkat kecepatan etching 40µ/jam)  Ammonium persulfat (0,5 gm untuk 60 ml larutan) ditambahkan setiap 15 menit sekali untuk menghindari pengendapan kotoran di permukaan silikon.  Etching dilakukan dengan durasi 2 jam dan 15 menit untuk melakukan etching 100 mikron Si dan membentuk membran 10µ. Setelah sebagian besar Si di etching, oksida di etching sebanyak 200 nm. Membrane dengan dimensi 500µ X 500µ, 450µ X 450µ dan 400µX400µ pun terwujud. 25

Gambar26.Membrane terbentuk setelah bulk etching pada silikon Gambar27. Intersection <110> dan < 110> terbentuk setelah dilakukan anisotropic etching terhadap silicon Gambar28.Tanda sejajar pada permukaan atas seperti yang terlihat melalui membran, tanda sejajar digunakan untuk menyelaraskan masker selama fotolitografi. g) Phosphorus Diffusion Piezoresistor kristal tunggal tipe-n dibentuk oleh difusi fosfor. Fosfor berdifusi melalui jendela hasil etching secara termal membentuk oksida tipe-p pada wafer. Pola piezoresistor ditunjukkan pada Gambar 29. 26

Gambar29.Pola piezoresistor yang dikembangkan setelah fotolitografi untuk etching oksida yang diikuti oleh fosfor difusi. Berikut adalah rincian prosedur difusi fosfor. 1. Tungku dipanaskan ke profil suhu berikut o Feedend : 9320 C o Middle of furnace : 9000 C o Load end : 9450 C 2. Nitrogen dialirkan ke dalam tungku selama 10-15 menit dengan laju aliran 1liter/menit untukmenghilangkan kontaminan. Kemudian letakkan wafer secara horizontal ke dalam tungku 3. POCl3 digunakan sebagai pendahulu untuk menyebarkan fosfor yang disimpan dalam wadah es untuk menjaga tekanan uap konstan dan keseragaman konsentrasi di dalam tungku selama reaksi. Mempertahankan konsentrasi sangat penting untuk mengontrol dosis fosfor yang disebarkan ke Si. 4. Nitrogen dan Oksigen digelembungkan dengan laju aliran masingmasing dari 0,4 liter / menit dan 0,6 liter / menit. Gas-gas ini membawa uap POCl3 ke wafer dengan bantuan nitrogen pada laju aliran 3 liter / menit. 5. Nitrogen membantu dalam pembilasan produk sampingan dari reaksi kimia dan oksigen membantu reaksi kimia. Persamaan kimia untuk reaksi yang diberikan di bawah ini: 4POCl3 + 3O2 2P2 O5 + 6Cl2 2P2 O5 + 5Si 4P + 5SiO2 6. P2 O5 bereaksi dengan silikon membentuk phosphosilicate glass (PSG) dan fosfor berdifusi melalui silikon. 7. Proses difusi dilakukan selama 30 menit pada satu wafer sampel dan 15 menit pada saat yang lainnya telah selesai. Pembentukan PSG dapat diamati ketika warna biru tua muncul pada wafer. 8. PSG dihapus oleh larutan HF 1,5 ml dan 1 ml HNO3 dalam 30 ml DI water. Penghapusan PSG membutuhkan waktu sekitar 20 detik. Setelah difusi fosfor resistivitas lembar berkurang yang dapat dilihat di bawah ini. Pengukuran dilakukan dengan menggunakan probe empat titik. 27

Pengukuran resistansi pada lembaran:  Sebelum doping : 24,6375Ω/sq  Setelah doping 30 menit : 10,203Ω/ sq  Setelah doping 15 menit : 14.63Ω/ sq h) Thermal Evaporation Aluminum Untuk membuat kontak logam untuk Piezoresistor, aluminium diendapkan pada substrat dengan evaporasi termal. Sekitar, 100 nm aluminium diendapkan pada substrat dengan proses ini. Kondisi deposisi dijelaskan dalam Tab. III Parameter Value Unit -5 Tekanan chamber 1X10 Mbar Pemisahan substrat-target 20 Cm Lama deposisi 2 Menit Tungsten heater voltage 60 Volt Tabel3.Parameter deposisis termal aluminium i) Prosedur untuk mendapatkan tekanan yang dibutuhkan dalam chamber untuk penguapan aluminium mirip dengan prosedur RF sputtering seperti yang dijelaskan dalam Lampiran. A. Satu-satunya perbedaannya bahwa evaporasi termal dilakukan pada tekanan rendah dari 10-5 mbar tanpa ambien gas inert atau medan listrik yang diterapkan antara substrat dan target. Aluminium dipanaskan dengan filamen tungsten. Logam mencair dan menguap, uap tersebut bergerak lurus ke atas (ruang tekanan rendah) dan terdeposisi pada substrat. Aluminum Etching Setelah thermal deposition aluminium pada sample ,fotolitografi dilakukan untuk menentukan pola kontak piezoresistor . Etching aluminium dilakukan dengan mengggunakan larutan H3 PO4 : DI Water: HNO 3 dengan perbandingan volume 19:4:1 dengan kecepatan etching 1,6 nm/menit pada suhu kamar selama 60 detik. Pola yang muncul setelah etching dilakukan dapat dilihat pada gambar 30. 28

Gambar30.Pola yang muncul setelah etching j) Annealing Setelah oksidasi termal aluminium, wafer diannealing dengan menggunakan gas N 2 :H2 = 9:1 dengan kecepatan aliran 1 liter/menit pada suhu 4000 C selama 35 menit. Hal tersebut aklan mengurangi hambatan kontak aluminium karena perluasan batas ikatan Kristal. Annealing (pemanasan) dapat mempengaruhi kekuatan lapisan ataupun kemampuan suatu lapisan untuk deformasi (berubah bentuk) ketika diberikan tekanan. Intensitas dari masing-masing bidang kristal dapat berubah jika suhu pemanasan juga mengalami perubahan. Pemilihan o temperatur pemanasan pada 600 C memperlihatkan puncak-puncak kristal yang cukup baik. 2.4.IC Packaging Sacrifice-replacement approach Gambar 31 menunjukkan tahapan dasar packaging dengan pendekatan replacement. Materi photoresist sepert SU-8 series (Doe Chemical Co., USA), JSR series (JSR Co., Japan), dan AZ series (MicroChemical Co., Germany) secara luas digunakan di bidang MEMS. Walaupun SU-8 series bisa digunakan untuk fabrikasi dengan range ketebalan dari puluhan micrometer hingga 2.1mm, sebagian kecil sisa fotoresis tidak bisa dielakkan akan tertinggal pada struktur yang sudah tercetak bahkan ketika menggunakan cairan stripping yang memiliki efektivitas tinggi, seperti hot NPM (1-methy-2-pyrolidinone). Residu fotoresis ini benar-benar tidak diinginkan untuk pressure sensor package developed, semenjak hal ini secara random mempengaruhi mekanisme original sensing pada package pressure sensor.Tseng dan Yu menyingkap bagaimana JSR THB-430N secara mudah dihilangkan untuk aplikasi pada thin film coating. Secara kontras berbeda dengan SU-8 series, JSR series fotoresis tone-negatif memiliki properties stripping yang lebih baik, dan secara mudah dapat dihilangkan tanpa meninggalkan residu pada permukaan. Fotoresist 151N negative tone UV merupakan versi terbaru dari JSR THB-430N, dan juga didesain untuk coating thin film yang tebal. Karena mereka memiliki komposisi 29

kimia yang mirip, THB 151N negative tone UV biasanya digunakan untuk sebagai materi blok fotoresis untuk pendekatan secara sacrifice-replacement.Pada awalnya, fotoresis JSR THB-151N negative-tone (dengan ketebalan 150µm) telah di spin coating pada permukaan teratas dari wafer pressure sensor yang dikombinasikan dengan sebuah pyrex glass wafer, seperti yang ditunjukkanpada gambar (31-b). Proses fotolitografi tradisional biasa digunakna untuk mencetak pola lapisan fotoresis. Fotoresis yang telah berpola melapisi hanya permukaan membran silikon dan setiap permukanan chip pressure sensor, seperti yang ditunjukkan gambar (31-c). gambar 31-d menunjukkan proses pemotongan (dicing) pemisahan wafer menjadi chip pressure sensor yang individual. Sebuah materi yang adhesive (Henkel-3880, US) dilepaskan pada panel substrate organic 9NP-180R, Nan-Ya Plastic Co.,Taiwan). Chip pressure sensor individual yang ditutupi dengan fotoresis diangkat dan diletakkan pada die pad dari panel organic substrat dengan bentuk array Mx.N. dan akhirnya setelah pemasangan dari beberapa kombinasi diaplikasikan pemanasan melintasi link materi adhesive untuk mengikat chip pressure sensor pada panel substrat. Semua tahapan proses yang sesudah itu dapat diteruskan dalam batch mode, hingga kini meningkatkan penyelesaian proses packaging. Wire bonding digunakan untuk menghubungkan sinyal Antara bonding pads aluminium pada chip pressure sensor dengan pad electrode pada panel organic substrat, seperti yang ditunjukkan pada gambar 31-e. Panel organik substrat diletakkan pada cetakan transfer untuk enkapsulasi chip pressure sensor dan organik panel substrat yang ditunjukkan gambar 31-f. Panel organik substrat dengan enkapsulasi EMC diletakkan pada sebuah cairan stripping fotoresis (THB-S1, JSR Co.,Japan) untuk melepaskan blok fotoresis dari atas molded package setelah dilakukannya proses de-molding. Sensing channel dari plastic package akhirnya tersedia dan permukaan membrane silikon pressure sensor terekspos bebas berinteraksi dengan tekanan atmosfer, seperti yang ditunjukkan gambar 31-g. Setelah 6 jam pasca pembakaran 175 0 C untuk melengkapi molding compound, pressure sensor individual dengan sensing channel tersendiri sudah terpisah dari panel organik substrat yang telah tertutup molding dengan menggunakan mesin pemotong packaging tradisisonal (DISCO-DAD-321, Japan), seperti yang ditunjukkan pada gambar 31-h. 30

Gambar31.Proses packaging pressure sensor dengan pendekatan sacrifice replacement. Gambar 32 menunjukkan tampilan luar dari package pressure sensor (sacrificereplacement approach) . pada lapisan teratas sensing membranebenar-benar bebas dari kontaminasi EMC, jadi tingkat efektifitas dari fotoresis pada membran silikon pressure sensor harus benar-benar kuat. Permukaan teratas dari membran silikon terpapar seluruhnya untuk secara bebas merasakan tekanan sekitar melalui sensing channel pada packaged pressure sensor. Untuk memastikan kontak antara permukaan mold dan semua fotoresist penutup yang dikorbankan, sebuah nilai inteferensi yang sangat kecil sengaja didesain Antara kedalaman lubang mold dan ketinggian total package. Hal tersebut mengakibatkan permukaan teratas dari fotoresis tertekan ketika transfer mold tertutup. Tampilan cekung dari fotoresis penutup yang dikarenakan tertekannya mold, dapat diperbaiki dengan desain interferensi yang pantas. Fotoresis pelindung secara efektif melindungi membran perasa pressure sensor dari EMC, memperbaiki yield dari proses packaging. Seperti yang ditunjukkan gambar 6(b), dinding tepi dari sensing channel meruncing kearah luar. Ukuran sensing channel yang terpapar pada bagian atas lebih lebar dari pada bagian bawah. Perubahan geomatri yang ringan di sepanjang sensing channel tidak memberikan pengaruh negatif pada kemampuan mendeteksi pressure sensor. Pendekatan sacrifice replacement terbukti berguna untuk diaplikasikan pada pressure sensor. Melihat pada kebutuhan proses dari spesimen cold-mount, sebuah clear epoxy (CMA1-K02, Pentad Scientific Co., Taiwan) digunakan untuk mengisi cetakan cold-mound selama proses persiapan specimen. Jarak asli pada channel yang tebuka merupakan lubang yang lebih nyata jika dibandingkan cold-mountes clear epoxy, seperti yang terlihat pada gambar. 31

Gambar32. (a) 3D image of the packaged pressure sensor (sacrifice-replacement approach) and (b) its cross-section image at section A-A. Dam-ring approach Gambar 33 menunjukkan langkah dasar packaging dengan pendekatan damring. Fotoresis SU-8 series juga digunakan sebagai alternatif biaya rendah untuk proses fabrikasi LIGA(Lithographic, Galvanoformung, Abformung) dengan aspek rasio bagian mikro dan mold yang tinggi. Maka dari itu SU-8 series digunakan sebagai materi blok fotoresis dengan pendekatan dam-ring. Gambar33. Proses packaging pressure sensor dengan pendekatan dam-ring. Diawali dengan sebuah lapisan ultra tebal (150µm) dari SU-8 negatif –tone fotoresis di spin-coat di permukaan yang lebih atas dengan 4-inch wafer pressure sensor yang dikombinasikan dengan sebuah wafer kaca pyrex. Secara general, sebuah model fotoresis yang spesifik digunakan untuk ketebalan coating yang spesifik untuk memperoleh sebuah jendela operasi yang lebar. Sebuah fotoresis dengan viskositas yang tinggi cocok untuk coating film dengan ketebalan tinggi, tapi masalah gelembung selama proses spin coating mencegah yield yang tinggi. Hal tersebut 32

menyebabkan fotoresis model SU8-50 dan SU8-100 digunakan utnuk memperoleh ketebalan coating masing-masing 50 dan 100µm. sebuah spin-coater (model SUSS Delta 80BM) dan hotplate (model SUSS Delta 150XBM/T3) digunakan untuk proses spin coating dari materi dam-ring.untuk memastikan kebersihan dari permukaan wafer, permukaan wafer dibersihkan dengan aseton, IPA dan DI water sebelum memasuki tahap spin coating. Dua tahapan proses spin coating diberlakukan untuk menghasilkan lapisan sacrifice replacement ultra tebal (150µm). fotoresis SU8-100 di spin-coat setelah pembersihan wafer. Fotoresis SU8-50 dilapiskan di atas wafer mengikuti proses pembakaran lapisan fotoresis yang pertama. Lapisan coating fotoresis ganda di beri pola dengan bentuk dam-ring denganmenggunakan proses litografi. Edge Bead Removal (EBR) digunakan untuk menghilangkan tonjolan pada tepi materi fotoresis selama coating setiap lapisan. Akhirnya coating dengan ketebalan rata-rata 154.9 μm dan keseragaman sekitar 4,5% dapat diperoleh untuk 2 tahap proses spin coating. Gambar 33-b. Sesudah itu sebuah proses fotolitografi tradisional diunakan untuk meberi pola dam-ring di sekitar permukaan mebran silikon dari pressure sensor (gambar 33-c). proses pemotongan (dicing)digunakan untuk memisahkan wafer menjadi chip pressure sensor yang mandiri (gambar 33-d). Sebuah materi adhesive (Henkel-3880, US) dilepaskan ke atas die pad dari panel organik substrat. Sebuah pressure sensor individual dengan dam-ring lalu diangkat dan diletakkan ke atas die pad dari panel organik substrat dengan menekan materi adhesive. Akhirnya dilanjutkan dengan proses pemanasan dengan melintasi materi adhesive untuk mengikat pressure sensor pada panel organic substrat. Proses selanjutnya dari packaging dapat dilanjutkan dengan batch mode, dan terusdilanjutkan dengan proses packaging yang lebih baik. Wire bonding dilakukan untuk menghubungkan sinyal antara bonding pad aluminium daripressure sensor dan pad elektroda daripanel organic substrat (gambar 33-e). Selanjutnya panel organic substrat disematkan dengan sistem array pada pressure sensor dan lalu ditempatkan pada cetakan transfer mold untuk enkapsulasi pressure sensor dan panel organic subtrat (gambar 33-f). Setelak menyematkan individual pressure sensor ke panel organic substrat, substrat diletakkan pada transfer mold. Proses ini merupakan teknik yang dibangun untuk mendapatkan enkapsulasi yang berbiaya rendah dari produk elektronik. Untuk meminimalisir induksi termal dari enkapsulasi produk, molding compound harus dipilih secara hati-hati sehinggaCTE (coefficient of thermal expansion) cocok dengan substrat organic. Molding dengan temperatur rendah sekitar 1650 C dan waktu packaging 200 detik digunakan utnuk mengeliminasi pembungkus dari panel organic substrat. Molding compound dan dam-ring membentuk sebuah permukaan planar setelah dilakukan de-molding process. Sensing channel berupa area yang bebas untuk terjadinya interaksi antara membran silikon dari pressure sensor dan tekanan yang diberikan lingkungan. Karena permukaan teratas dam-ring menekan melawan permukaan dinding terdalam dari transfer mold dalam posisi mold yang tertutup, bagian terdalam dari dam-ring tidak terisi oleh EMC selama proses transfer molding. Sensing channel dari pressure sensor packaging biasanya tersedia setelah proses de-molding. Setelah proses de-molding panel organik substrat dengan 33

enkapsulasi EMC dibakar dengan suhu 175 0 C selama 6 jam yang digunakan untuk menghilangkan EMC. Pressure sensor dengan area sensing channel sudah terpisah dari panel organik substrat menjadi sebuah unit tersendiri menggunakan proses packaging tradisional yaitu mesin pemotong (saw-machine) setelah menyelesaikan proses pasca pembersihan EMC (gambar 33-g). Gambar34. (a) 3D image of the packaged pressure sensor ( dam-ring) and (b) its cross-section image at section A-A. Gambar 34 menunjukkan gambar 3D dan cross-section dari daerah central pressure sensor yang telah di rangkai dan dikemas dengan pendekatan dam-ring. Daerah bebas yang digunakan untuk sensing channel tersedia secara lengkap pada area central dari plastic pressure sensor package. Permukaan teratas dari membrane silikon harus terbebas dari kontaminasi EMC, seperti yang ditunjukkan gambar 34 (b). Maka dari itu, bagian dam-ring sukses melindungi ruangan dam-ring yang lebih dalam dari kelebihan aliran atau kebocoran cairan EMC dengan temperatur molding yang tinggi yaitu 1650 C. tekanan molding yang diinjeksikan didorong aliran EMC yang menekan bagian dinding terluar dam-ring selama proses transfer molding, sehingga tepi batas terluar dari dam ring selama preses transfer molding, sehingga sekeliling tepi dari dam-ring secara perlahan mengalami perubahan bentuk kea rah dalam. Bagaimanapun juga dam-ring masih terikat pada permukaan teratas dari pressure sensore. Aliran EMC tidak merusak untuk menutupi permukaan teratas dari membran silikon melalui pertemuan antara dam-ring dan permukaan teratas pressure sensor. Hal tersebut menyebabkan dam-ring menampilkan fungsinya. Perubahan kecil formasi dari dinding dam-ring dapat diperbaiki denganmenggunakan dinding samping dam-ring yang lebih tebal untuk meningkatkan kekuatan. Berikut adalah perbandingan dimensi antara pendekatan sacrifice-replacement dan dam-ring. Items Unit Ukuran Packaging Sensing channel opening Kedalaman Sensing Channel mm3 µm µm Dimensi Packaging Sacrifice-replacement Dam-ring 4.0 x 4.0 x 1.5 4.0 x 4.0 x 1.5 950 650 150 150 34

Ukuran membrane silikon Ketebalan membran silikon µm2 µm 576 x 576 20 576 x 576 30 Tabel4. perbandingan dimensi antara pendekatan sacrifice-replacement dan dam-ring. Perbandingan pendekatan packaging Dengan menggunakan fotoresis yang ultra tebal, dua pendekatan packaging, sacrifice replacement dan dam-ring, dikembangkan ke arah packaging yang memiliki konsep yang sama. Fotoresis yang telah berpola untuk pendekatan dam-ring merupakan bagian akhir dari pengemasan pressure sensor. Secara kontras, fotoresis yang berpola untuk pendekatan sacrifice replacement secara sementara dideposisi pada badan packaging, dan harus dihilangkan dari package pressure sensor. Pendekatan dam-ring mengeliminasi proses removal tambahan untuk pembersihan fotoresis,memperbaiki hasil packaging jika dibandingkan dengan pendekatan sacrifice replacement. Pada umumnya untuk menghilangkan secara lengkap lebih sulit jika dibandingkan hanya menggunakan soft-baked. Jika dibandingkan dengan pendekatan sacrificereplacement, pendekatan dam-ring lebih cocok untuk diaplikasikan pada lubang sensor yang terbuka, seperti sensor gas. Karena sisa fotoresis pada lapisan materi perasa dari sensor gas akan mengurangi efektivitas area permukaan perasa, dan mengurangi performa sensing disaat yang bersamaan. Pendekatan secara sacrifice replacement dan dam-ring memiliki keutamaan yang sama yaitu mendesain channel perasa yang terbuka. Bagaimanapun juga fotoresis digunakan pada pendekatan sacrifice-replacement hanya mennutupi area aktif perasa dari chip sensor, seperti area membran silikon pada pressure sensor. Pendekatan sacrifice-replacement cocock untuk chip sensor yang memiliki ukuran chip yang kecil dan memiliki area sensing yang luas. 2.5.Aplikasi a. Automotif Pada mobil digunakan beberapa jenis pressure sensor, yang memiliki prinsip kerja yang sama, yang berfungsi memonitoring tekanan.  Tire pressure Digunakan untuk memonitoring tekanan pada ban. Dengan cara membaca tekanan dan memancarkannya melalui transmitter lalu dibaca oleh receiver. 35

Gambar35. Cara kerja tire sensor   Fuel pressure Digunakan untuk memonitoring tekanan bahan bakar. Oil pressure Digunakan untuk memonitoring tekanan oli Marine vehicle Garis lateral yang ditemukan dikebanyakan spesies ikan merupakan sebuah organ sensor yang tidak sama dengan manusia. Dengan menggunakan umpan balik dari garis lateral, ikan mampu mendeteksi mangsa, belajar, menghindari rintangan dan mendeteksi struktur aliran pusaran air. Tersusun dari dua komponen, komponen pertama terletak di dalam kanal di bawah kulit ikan, dan komponen kedua terletak di bagian luar, garis lateral bekerja dengan cara yang mirip dengan susunan dari perbedaan sensor tekanan. Dengan sebuah usaha untuk meningkatkan kepekaan situasi dan lingkunagn pada kendaraan laut, lateral-line menginspirasi pengembangan sensor tekanan yang meniru kemampuan sensory ikan. Tiga susunan sensor tekanan yang fleksibel dan tahan air difabrikasi untuk digunakan sebagai susunan permukaan “smart skin” pada kendaraan laut. Dua susunan sensor didasarkan pada penggunaan die sensor piezoresistif yang tersedia secara komersil, dengan inovasi skema packaging menciptakan fleksibilitas dan pengoperasian di bawah laut. Sensor menggunakan liquid crystal polymer dan PCB substrat yang fleksible dengan rangkaian metalik dan enkapsulasi silikon. Sensor yang ketiga menggunakan material nano composite yang baru yang memungkinkan untuk fabrikasi dan menghasilkan sensor yang fleksibel. Ketiga sensor tersebut ditempelkan pada permukaan lekukan lambung kapal. Dan ketiga sensor menghasilkan monitoring yang akurat dan dinamis. b. Medical Teknologi dibutuhkan untuk membuat sensor tekanan yang digunakan untuk kepentingan medis yang membutuhkan keahlian membuat alat yang memiliki akurasi pada tekanan rendah. Pada pasar medis jutaan pressure sensor 36

digunakan pada peralatan yang murah dan sekali pakai, seperti kateter yang digunakan untuk pembedahan atau monitoring tekanan darah. Namun Pressure sensor juga dapat ditemukan diperalatan yang berharga mahal, seperti berikut,  Cardio MEMS, sensor tekanan pembengkakan pembuluh darah Gambar36. Peletakan MEMS aneurysm pressure sensor pada aorta o o o o Memonitoring stent graft aorta. Tekanan pada membrane lubang mikro, memberikan hasil berupa perubahan frekuensi resonansi pada sensor. Sinyal diperkuat dengan energy RF, yang disediakan oleh antenna external. Enkapsulasi menggunakan campuran antara silica dan dilikon, dan dikelilingi oleh PTFE kawat titanium yang dilapisi nikel. Gambar37. Bentuk MEMS aneurysm pressure sensor  CPAC 37

Gambar38. Contoh penggunaan CPAC Continuous positive airway pressure (CPAC) merupakan mesin yang digunakan untuk merawat sleep apnea (merupakan sebuah kondisi yang berhubungan dengan tekanan darah tinggi, masalah berat badan dan jantung). Pada mesin CPAC jalan udara dipaksa menggunakan aliran udara bertekanan kedalam tenggorokan, sementara keluaran dari sensor mengurangi aliran tekanan pada saat pasien mengeluarkan udara dari paruparu, yang dapat mengurangi rasa tidak nyaman karena pasien tidak perlu malawan mesin. Pada tahun 2015 juga ada pressure sensor yang berpotensi untuk dapat ditanamkan ke tubuh pasien (implant), yang dioperasikan tanpa baterai. Ada beberapa sensor yang sudah diaplikasikan seperti sensor yang digunakan untuk mengukur gejala penyangkit jantung, dan yang digunakan untuk memonitor glaucoma pada mata. Saat ini pasar benar-benar memberikan permintaan yang sangat signifikan terhadap alat yang dapat diimplankan, contohnya sensor gejala penyakit jantung yang memungkinkan pasien dipantau dari rumah oleh dokter mereka, dan alat ini berguna untuk mengurangi biaya untuk test(check up) berulangg kali di rumah sakit. c. Industri  Switches Ketika ada aliran arus secara otomatis membrane yang terbuat dari metal akan tertekan ke bawah dan mempersempit jarak (gap) antara elektroda. Gambar39. Cara kerja switch dengan pressure sensor  Barometik pressure sensor Digunakan pada tunnel

Add a comment

Related presentations

Presentación que realice en el Evento Nacional de Gobierno Abierto, realizado los ...

In this presentation we will describe our experience developing with a highly dyna...

Presentation to the LITA Forum 7th November 2014 Albuquerque, NM

Un recorrido por los cambios que nos generará el wearabletech en el futuro

Um paralelo entre as novidades & mercado em Wearable Computing e Tecnologias Assis...

Microsoft finally joins the smartwatch and fitness tracker game by introducing the...

Related pages

electrochmical deposisi nano

Trt 1221009-mems Pressure Sensor-thursy - Upload, Share . project report on nano pressure sensor using opti fdtd 638 views; Piezoresistor bisa saja ...
Read more

prinsip kerja sensor orientasi - Crusher Harga

Trt 1221009-mems pressure sensor-thursy 17 Feb 2014 ... Prinsip kerja MEMS pressure sensor juga akan dibahas mengingat dari .....
Read more

nama bagian bagian cold mining machine dan fungsinya ...

Trt 1221009-mems pressure sensor-thursy 17 Feb 2014 ... Definisi dan Klasifikasi Pada bagian ini akan dijelaskan mengenai terminologi ... atau lingkungan ...
Read more

jual sensor tekanan gems di indonesia

3 Mei 2014 ... Trt 1221009-mems pressure sensor-thursy 1056 views · Global MEMS Pressure ...
Read more