trt 1221009-mems pressure sensor-thursy
DESCRIPTION
tentang pressure sensor atau sensor tekananTRANSCRIPT
i
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
ii
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
iii
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
iv
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 cross-
section 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
v
Daftar Tabel
Tabel1 Nilai koefisisen piezoresistif longitudinal dan transfersal untuk wafer silikon
<100> (dengan satuan 10-12 /Pa) dengan orientasi sepanjang <110> dan doping ≈1018
/cm3
Tabel2 Tahap litografi
Tabel3. Parameter deposisis termal aluminium
Tabel4 perbandingan dimensi antara pendekatan sacrifice-replacement dan dam-ring.
vi
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
1
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.
2
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
3
(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.
4
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
5
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.
6
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.
7
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.
8
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 piezo-
resistive pressure sensor. Resistor bisa didifusikan pada membrane atau dideposisi di
atas membran dengan lapisan isolasi intermediate. (biasanya SiO2). 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.
9
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.
10
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
11
Gambar11.Perubahan bentuk pada diafragma.
Gambar12. Wheatstone bridge
R1= Rg – merupakan resistansi variable (memiliki nilaihambatan yang dapat diubah-
ubah)
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.
12
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
13
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
14
pressure sensor mode sentuh dirancang dengan sumber perintah dari
membran diafragma.
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.
15
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
16
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
17
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 πl πt
Tipe-n -316 -176
Tipe-p 718 -663
Tabel1. Nilai koefisisen piezoresistif longitudinal dan transfersal untuk wafer silikon
<100> (dengan satuan 10-12
/Pa) dengan orientasi sepanjang <110> dan doping ≈1018
/cm3
Gambar22. Konfigurasi jembatan Wheatstone dari Piezoresistor untuk sensor tekanan. RA
dan RB merupakan resistor sensor.
18
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
(
)
19
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:
20
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.
6. Fotoresis dilapiskan pada permukaan belakang sampel dan pola
dipindahkan dengan bantuan tanda sejajar. Parameter fotolitografi
dijelaskan dalam bagian c
7. Bagian belakang oksida dietsa seperti yang dijelaskan dalam bagian d
dengan durasi ≈ 3,5 menit.
8. 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.
9. 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 N2.
10. difusi fosfor dilakukan seperti yang dijelaskan bagian g untuk mewujudkan
Piezoresistor tipe-n. Difusi fosfor terjadi di daerah-daerah yang tidak
tercakup oleh oksida.
11. 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.
12. 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 N2. Wafer kemudian
menjalani tahap Annealing (bagian j).
a) Piranha cleaning
Wafer dibersihkan menggunakna larutan piranha. Larutan piranha
terdiri dari H2SO4 : H2O2 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
21
dianggap telah sempurna apa bila hidrofobik silikon muncul di permukaan (
Si hidrofobik, SiO2 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 800C H2O2 dapat terurai dan wafer Silikon
dapat teroksidasi tak terkendali.
22
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 SiO2 di atas lapisan silikon yang telah dibersihkan. Lapisan SiO2
berperan sebagai mask untuk Si etch.
1) 200nm SiO2 growth
Lapisan SiO2 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 10000C dan bersihkan alat
pembakar dengan gas N2 murni dengan kecepatan aliran 1
liter/menit selama 15 menit.
Masukkan wafer ke dalam tempat pembakaran oksidasi yang
telah diberi N2.
Lakukan Dry Oxidation selama 10 menit
Si + O2 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 + 2H2O SiO2 + 2H2
Lakukan dry oxidation selama 10 menit yang memungkinkan
200 nm dari SiO2 terbentuk. Pada akhir durasi ini, ambien sekali
lagi beralih ke N2 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 SiO2 growth
Sebuah lapisan SiO2 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 10000C dan
bersihkan pemanas dengan gas N2 murni dengan
kecepatan aliran 1 liter/menit
23
Masukkan wafer ke dalam tempat pembakaran oksidasi
yang telah diberi N2.
Lakukan Dry Oxidation selama 10 menit
Si + O2 SiO2
gelembungkan oksigen melalui DI water panas. Oksigen
membawa uap air ke permukaan wafer permukaan yang
memungkinkan terjadinya wet oxidation selama 3 jam.
Si + 2H2O SiO2 + 2H2
Melakukan dry oxidation selama 10 menit hingga warna 1
μ oksida hijau-ungu.
c) 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
Prebake at 1150C 60 detik Menguapkan pelarut
fotoresis
UV Exposure(Carl Suss
MJB3 Mask Aligner)
Dengan panjang
gelombang 350nm
Durasi 13 detik
Dosage 85 ml/cm2 -
Developer AZ31B : DI = 1:3 1.1 Menit
Cleaning DI Water Untuk menghilangkan
developer
Drying Blow drying Gas N2
Postbaking at 1250C 2 menit Untuk menguatkan
fotoresis
Tabel2.Tahap litografi
d) Oxide Etching
Selama oksidasi termal bagian belakang wafer akan dioksidasi
membentuk SiO2. Oksida ini lebih baik tidak dihapus karena bertindak
sebagai mask saat dilakukan etching pada silikon. Bagian belakang oksida
24
ini dilindungi dengan lilin. Larutan penyangga HF (100mg NH4F, 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 N2.
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 750C (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 750C (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.
25
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 750C (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.
26
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.
27
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 : 9320C
o Middle of furnace : 9000C
o Load end : 9450C
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 masing-
masing 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 2P2O5 + 6Cl2
2P2O5 + 5Si 4P + 5SiO2
6. P2O5 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.
28
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
Tekanan chamber 1X10-5 Mbar
Pemisahan substrat-target 20 Cm
Lama deposisi 2 Menit
Tungsten heater voltage 60 Volt
Tabel3.Parameter deposisis termal aluminium
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.
i) Aluminum Etching
Setelah thermal deposition aluminium pada sample ,fotolitografi
dilakukan untuk menentukan pola kontak piezoresistor . Etching aluminium
dilakukan dengan mengggunakan larutan H3PO4: DI Water: HNO3 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.
29
Gambar30.Pola yang muncul setelah etching
j) Annealing
Setelah oksidasi termal aluminium, wafer diannealing dengan
menggunakan gas N2:H2 = 9:1 dengan kecepatan aliran 1 liter/menit pada
suhu 4000C 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
temperatur pemanasan pada 600 o
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
30
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 1750C 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.
31
Gambar31.Proses packaging pressure sensor dengan pendekatan sacrifice replacement.
Gambar 32 menunjukkan tampilan luar dari package pressure sensor (sacrifice-
replacement 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.
32
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 dam-
ring. 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
33
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
1650C 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
34
enkapsulasi EMC dibakar dengan suhu 1750C 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 1650C. 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 Dimensi Packaging
Sacrifice-replacement Dam-ring
Ukuran Packaging mm3 4.0 x 4.0 x 1.5 4.0 x 4.0 x 1.5
Sensing channel opening µm 950 650
Kedalaman Sensing Channel µm 150 150
35
Ukuran membrane silikon µm2 576 x 576 576 x 576
Ketebalan membran silikon µm 20 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 sacrifice-
replacement, 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.
36
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
37
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 Memonitoring stent graft aorta.
o Tekanan pada membrane lubang mikro, memberikan hasil berupa
perubahan frekuensi resonansi pada sensor.
o Sinyal diperkuat dengan energy RF, yang disediakan oleh antenna
external.
o Enkapsulasi menggunakan campuran antara silica dan dilikon, dan
dikelilingi oleh PTFE kawat titanium yang dilapisi nikel.
Gambar37. Bentuk MEMS aneurysm pressure sensor
CPAC
38
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 paru-
paru, 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 (terowongan) angin untuk memonitoring
cuaca.
39
Gambar40. Barometric Pressure Sensors (Photo courtesy of KhalilNajafi, University of
Michigan)
Smart Road
Smart road terdiri dari jutaan MEMS pressure sensor yang
digabungkan menjadi jalan dan mentransmisikan informasi mengenai
kondisi jalan.
Smart Dust
Smart dust merupakan sebuah jaringan dari wireless MEMS pressure
sensor yang berukuran mikro yang berkomunikasisatu sama lain melalui
transmitter berukuran kecil. Sensor smart dust dapat disebarkan disekitar
gedung, atau sebuah property, dilekatkan pada pakaian atau pada alas jalan. (“SMART DUST -Autonomous sensing and communication in a cubic millimeter". Dr. Kris Piser, PI.
DARPA/MTO MEMS Program, Berkley.)
40
BAB III
KESIMPULAN
3.1.Kesimpulan
MEMS pressure sensor merupakan kombinasikan silikon berbasis teknologi
microelectronic dengan teknologi micromachining. MEMS pressure sensor
menggunakan membran tipis dengan gas yang dikurung atau lubang yang diisi oleh
gas pada salah satu sisi membran dan tekanan yang harus diukur di satu sisi lainnya.
Ada 3 cara untuk mengukur tekanan yaitu dengan sistem pizoresistif, capasitif dan
Resonant Vibration.
Dari ketiga cara pengukuran tersebut semuanya memiliki kelebihan dan
kekurangan, piezoresistif memberi keuntungan berupa kemudahan dalam fabrikasi,
sinyal keluaran sudah dalam voltage, sedangkan kekurangannya adalah memiliki
sensitivitas rendah dan kurang akurat pada perbedaan tekanan yang rendah. Jika
menggunakan prinsip kapasitor (perubahan kapasitansi) memiliki kelebihan tidak
mudah terpengaruh suhu, sehingga dapat dijalankan pada suhu tinggi, konsumsi daya
luar biasa rendah, namun electronic surface circuit harus terintegrasi pada die sensor.
Jika menggunakan resonant vibration, akan mendapatkan resolusi yang tinggi namun
memiliki biaya produksi yang tinggi.
Berikut adalah tahapan yang dialami MEMS pressure sensor saat fabrikasi.
Piranha cleaning
Thermal oxidation
Photolithography
Oxide etching
KOH etching
TMAH etching
Phosphorus diffusion
Thermal Evaporation
Aluminium
Aluminium Etching
Annealing
Lalu dari sisi packaging terdapat dua pendekatan yang digunakan yaitu
sacrifice-replacement dan dam-ring. Pendekatan sacrifice-replacement lebih cocok
jika digunakan pada sensor yang memiliki chip berukuran kecil dan area sense yang
berukuran luas, sementara pendekatan dam-ring lebih cocok jika diaplikasikan pada
lubang sensor yang terbuka.
Aplikasi pressure sensor pada beberapa bidang yaitu, automotif (tire pressure,
oil pressure, fuel pressure, dan marine vehicle), industri (Switches, barometric
pressure sensor, smart road, smart dust), dan medis (Cardio MEMS Aneurysm
pressure sensor dan CPAC (continuous positif airway pressure)) yang menarik minat
pasar.
41
DAFTAR PUSTAKA
M. Elwenspoek and R. Wiegerink, "Mechanical microsensors", Springer Verlag, Heidelberg, to be published in 2000.
M. Esashi, S. Sugiyama, K. Ikeda, Y. Wang and H. Miyashita, "Vacuum-sealed silicon mircomachined pressure sensors", Proc. IEEE, Vol-86, 1998, p 1627-1639.
Kress H.-J., F. Bantien, J. Marek, M. Willmann, “Silicon pressure sensor with integrated CMOS signal-conditioning circuit and compensation of temperature coefficient,” Sensors and
Actuators A, 25-27, 1991, pp. 21-26.
Sugiyama S., K. Shimaoka, O. Tabata, “Surface-micromachined microdiaphragm pressure sensors,” Sensors and Materials, 4, 1991, pp. 265-275.
Tanigawa H., T. Ishihara, M. Hirata, K. Suzuki, “MOS integrated silicon pressure sensor,” IEEE Trans. Electron Devices, ED-32, no. 7, 1985, pp. 1191-1195.
Yamada K., M. Nishihara, R. Kanzawa, R. Kobayashi, “A piezoresistive integrated pressure sensor,” Sensors and Actuators, 4, 1983, pp. 63-69.
“An Introduction to MEMS” PRIME Faraday Partnership, 2002.
Verdavathi, S, “Fabrication of MEMS Pressure Sensor for Lab Course E3-222”, 2011.
MEMS Market Brief Volume 4 Issue 9, 2011.
Eswaran P, Malarvizhi S, “MEMS Capacitive Pressure Sensors: A Review on Recent
Development and Prospective” Vol 5 No 3 Jun-Jul 2013.
Keith.W, golker, Thomas E. Hendrikson Charles C, Hung, “High sensitivity variable capacitive Transducer”, United States patent 4420790, pp. 1-5, December 13, 1983.
Fang He, Qing-An Huang, Ming Qin, “A silicon directly bonded capacitive absolute pressure
sensor”, Sensors and Actuators A 135, pp.507–514, 2007. Hussam Eldin A. Elgamel, “A simple and efficient technique for the simulation of capacitive
pressure transducers”, Sensors and Actuators 77 pp.183–186. 1999. Aziz Ettouhami, Noureddine Zahid, Mourad Elbelkacemi, “A novel capacitive pressure
sensor structure with high sensitivity and quasi-linear response”, C. R. Mecanique 332, pp. 141-146, 2004.
Abhijeet V. Chavan, and Kensall D. Wise, “Batch-Processed Vacuum-Sealed Capacitive Pressure Sensors”, Journal of Microelectromechanical Systems, Vol. 10, No. 4, pp.580-587,
December 2001.
42
Wen H. Ko, Qiang Wang, “Touch mode capacitive pressure sensors”, Sensors and Actuators, 75, pp. 242–251, 1999.
Qiang Wang, Wen H. Ko, “Modeling of touch mode capacitive sensors and diaphragms”,
Sensors and Actuators A, 75, pp. 230– 241, 1999. Jeahyeong Han, Junghoon Yeom, Junghyun Lee, Mark A. Shannon, Richard I. Masel,
“Smooth Contact Mode Capacitive Pressure Sensor with Polyimide Diaphragm”, Proceedings of IEEE Sensors Conference, pp. 1468-1471, 28-31 October 2007.
Wen H. KO, Qiang Wang, “Touch Mode Capacitive Pressure Sensors For Industrial Applications”, Proceedings, IEEE., Tenth Annual International Workshop on Micro Electro
Mechanical Systems, pp. 284-290, 26-30 January 1997.
Leslie B Wilner, Polo alto, Calif, “Differential capacitive transducer and method of marking” US patent 4825335, pp. 1-19, April 25, 1989.
Jeahyeong Han and Mark A. Shannon, “ Smooth Contact Capacitive Pressure Sensors in Touch- and Peeling-Mode Operation”, IEEE Sensors Journal, Vol. 9, no. 3, pp. 199-207,
March 2009.
43
LAMPIRAN
Wet etching (isotropic etching)
Proses meluruhkan lapisan material yang ada pada bagian penutup wafer dengan
menggunakan cairan kimia tertentu yang mampu menyebar ke segala arah dengan
sama rata (isotropic). Jenis cairan kimia yang digunakan tergantung pada jenis bahan
yang digunakan sebagai penutup dari wafer tersebut. Material yang tidak tertutup,
akan ikut dihilangkan oleh cairan kimia tersebut sesuai dengan ilustrasi yang ada ada
gambar di bawah ini.
Proses ini melibatkan beberapa reaksi kimia. Proses ini bisa dibagi menjadi 3 bagian,
yaitu :
1. Proses masuknya cairan kimia ke dalam lapisan yang akan dihilangkan.
2. Terjadi reaksi (rekasi redoks) antara cairan kimia dan lapisan yang akan
dihilangkan.
3. Zat yang teroksidasi akhirnya akan larut bersama zat kimia dan berhasil
dihilangkan dari lapisan pada wafer.
Dry Etching (anisotropic etching)
Pada proses dry etching ini digunakan plasma, atau gas tertentu untuk meluruhkan
material pada bagian watas wafer. Reaksi yang terjadi pada proses ini dapat dilakukan
dengan memanfaatkan energi kinetik tinggi partikel, reaksi kimia atau kombinasi
keduanya.
Frekuensi radio (RF) sputtering
Frekuensi radio (RF) sputtering adalah teknik yang digunakan untuk membuat
lapisan tipis, seperti yang ditemukan di komputer dan industri semikonduktor. Seperti
arus searah (DC) sputtering, RF sputtering melibatkan gelombang energik berjalan
melalui gas inert untuk menciptakan ion positif. Bahan target, yang pada akhirnya
akan menjadi lapisan film tipis, ditumbuk oleh ion dan dipecah menjadi
penyemprotan halus yang menutupi substratpada dasar lapisan tipis. RF sputtering
berbeda dari DC sputtering dalam tekanan, sistem tegangan, pola sputter deposisi,
44
dan tipe ideal dari bahan target. Selama proses RF sputtering, bahan target, substrat,
dan elektroda RF dimulai dalam ruang vakum. Selanjutnya, gas inert, yang biasanya
argon, neon, kripton atau tergantung pada ukuran molekul bahan target, diarahkan ke
dalam kamar.
Bulk micromachining
Teknik fabrikasi yang menyusun elemen-elemen dimulai dari silikon wafer kemudian
mengetsa bagian yang tidak diinginkan dan meninggalkan bagian yang dibutuhkan
untuk perangkat mekanik. Teknik ini digunakan untuk fabrikasi perangkat MEMS
dengan struktur sederhana yang sering digunakan pada skala ukuran mikroskopis
Surface micromachining
Menggunakan lapisan pada permukaan sebuah substrat sebagai bahan structural, dari
pada menggunakn substrat itu sendiri
Tahap-tahap surface micromachining
1) Deposisi space layer berbahan kaca phosposilicate (PSG)
2) Pengetsaan sapacer layer
3) Deposisi polisislikon
4) Pengetsaan silikon
5) Pengetsaan basah PSG secara selektif, meninggalkan substrat silikon dan
menempatkan polisilikon yang tidak tersketsa
45
LIGA
LIGA merupakan akronim berbahasa Jerman untuk Litographie, Galvanormung,
Abformung (litografi, electroplating dan Molding), sebuah teknologi fabrikasi yang
digunkan untuk membuat struktur mikro beraspek rasio tinggi
Langkah-langkah LIGA:
Lapisan penahan yang sangat tebal (hingga ratusan micron) berbahan
polymethylmethacrylate (PMMA) disusun ke sebuah substra tprimer.
PMMA terkena sinar-x columnated dan dikembangkan
Logammengalami elektrodeposissi kesubstrat primer.
PMMA dihapus atau dilucuti, menghasilka sukstur logam yang berdiri-ebas
Pencetakan plastic injection berlangsung.
Deposisi
desublimasi (perubahan dari bentuk gas ke padat).
Chip
Sepotong wafer semikonduktor yang berisi seluruh rangkaian.
Die
Sepotong tunggal semikonduktor yang berisi seluruh chip sirkuit terpadu, yang belum
telah dikemas.
N-type Silicon
Silicon yang bermuatan negatif dengan doping unsur, seperti boron, yang berisi
elektron ekstra. Elektron ekstra memungkinkan arus listrik mengalir melalui materi.
P-type Silicon
Silicon didoping dengan unsur yang mengandung satu elektron lebih sedikit pada
lapisan luarnya, seperti fosfor. Ketika dikombinasikan dengan silikon, fosfor
mengambil elektron dari cincin luar dari silikon, meninggalkan lubang elektron yang
memungkinkan arus listrik mengalir.