月: 2023年5月

¿Qué son los Servomotores Pequeños?

Los servomotores pequeños son motores capaces de controlar el posicionamiento y la velocidad con gran precisión.

El motor lleva incorporado un controlador de velocidad y par que proporciona realimentación al valor de mando para lograr un control de alta precisión. La palabra “servo” en servomotor deriva de la palabra griega servus (esclavo) e incluye el significado de moverse con precisión en respuesta a órdenes.

Tradicionalmente, los servomotores de CC accionados por corriente continua eran la corriente dominante, pero hoy en día los servomotores de CA accionados por corriente alterna son la corriente dominante debido a su mayor durabilidad y facilidad de mantenimiento. Aunque en este artículo se hace referencia a los servomotores como “pequeños”, no existe una definición clara del término “pequeño”.

La clasificación se realiza en función de la gama de cada fabricante de motores, por ejemplo, grandes, pequeños o de precisión.

Aplicaciones de los Servomotores Pequeños

Los servomotores pequeños se utilizan en líneas de producción, equipos de medición, equipos médicos, etc., donde se requiere un funcionamiento de precisión. Algunos ejemplos concretos son máquinas herramienta, robots industriales, instrumentos de precisión y componentes electrónicos, pantallas de cristal líquido, equipos de fabricación de semiconductores, equipos de inspección y bioequipos.

Por ejemplo, los robots industriales que se utilizan en las plantas de fabricación de automóviles pueden realizar tareas como recoger, soldar y pintar piezas de forma repetida y precisa, y esto se consigue gracias a un control preciso mediante servomotores. En nuestra vida cotidiana, los servomotores también se utilizan en diversos equipos ofimáticos y automóviles.

Principio de los Servomotores Pequeños

Los servomotores pequeños pueden combinarse con varios dispositivos para permitir un funcionamiento preciso. Un sistema de servomotor consta de un controlador como torre de control, un excitador o servoamplificador como unidad de control y un motor como unidad de accionamiento. Además, un codificador sirve como detector para determinar el estado real de accionamiento del motor.

Cuando funciona un servomotor, las condiciones de funcionamiento, como la posición, el número de revoluciones, el par y la velocidad, se transmiten desde el controlador al excitador. Basándose en las condiciones transmitidas por el controlador y el estado de rotación del motor transmitido por el codificador, el controlador aplica la potencia óptima al motor para la rotación, y el motor se controla basándose en la realimentación del codificador para alcanzar las condiciones de rotación objetivo transmitidas por el controlador.

Además, generalmente se utiliza un sistema de control de velocidad o un sistema de control de posición para el control cuando el servocontrolador ordena al excitador.

Más información sobre Servomotores Pequeños

Diferencias entre Servomotores de CA y CC

Los motores, no sólo los servomotores, pueden clasificarse en motores de CC, de CA o de impulsos. Entre éstos, hay servomotores de CC, que son motores de CC, y servomotores de CA, que son motores de CA. Los servomotores de CA son los más utilizados en la actualidad.

Los servomotores de CA utilizan imanes permanentes en un eje giratorio llamado rotor, que está rodeado por un núcleo de hierro y bobinas como estator alrededor del eje giratorio. El eje giratorio gira generando un campo magnético mediante el paso de una corriente eléctrica a través de la bobina del estator de acuerdo con la temporización de la frecuencia de la corriente alterna, creando una fuerza de atracción o repulsión entre los imanes permanentes del eje giratorio.

El eje giratorio funciona sin contacto con las bobinas, etc., por lo que las únicas piezas deslizantes por fricción son los cojinetes. La corriente circula por el lado del estator, por lo que es el estator, en el exterior del motor, el que genera calor, mientras que en los motores de corriente continua la corriente circula por el rotor, por lo que también es el rotor el que genera calor. En términos de disipación del calor, los motores de CA, en los que el estator genera calor en el exterior del motor, son más fáciles de disipar.

Los servomotores de CC, en cambio, proporcionan un par elevado incluso en un tamaño relativamente pequeño. Otra característica es su buena controlabilidad y su bajo coste. Sin embargo, los motores de CC están sujetos al desgaste de las escobillas, ya que éstas y el conmutador están en contacto directo y conducen la electricidad. Se requiere mantenimiento para hacer frente al desgaste, y otra desventaja es la posibilidad de que se generen chispas por el polvo de desgaste de las escobillas en algunos entornos.

¿Qué es un Diodo de  Señal Pequeña?

Los diodos de señal pequeña son diodos que funcionan con corrientes relativamente pequeñas, de unos cientos de mA o menos.

Se utilizan en la rectificación y conmutación para convertir la corriente alterna en continua y en la generación de tensiones constantes. La aplicación más conocida es la demodulación.

Demodulación significa que las ondas de radio, que combinan una señal portadora de alta frecuencia con una señal de audio de baja frecuencia, se emiten como señal de audio a un dispositivo de salida de audio utilizando la capacidad del diodo para detectar sólo señales de baja frecuencia.

Usos de los Diodos de Señal Pequeña 

Los diodos de señal pequeña se utilizan en productos electrónicos que manejan pequeñas señales y realizan operaciones eléctricas, especialmente en aplicaciones de alta frecuencia como equipos eléctricos, instrumentos de precisión y receptores de radio, y en operaciones de conmutación.

Al seleccionar los diodos, debe prestarse atención a sus valores nominales máximos y a la polarización que puede aplicarse debido a su funcionamiento con señales pequeñas. Si existe la posibilidad de que fluya una corriente excesiva, debe instalarse un circuito de protección para evitar que fluya una corriente excesiva a través del diodo.

Principio de los Diodos de Señal Pequeña 

El principio de funcionamiento de los diodos de señal pequeña radica en su circuito característico, que utiliza los fenómenos físicos que se producen en la interfaz de unión PN de los diodos semiconductores y en la interfaz de unión entre el metal y el semiconductor, y aprovecha la acción de rectificación que se produce en las direcciones de avance e inversión de la característica I-V.

El funcionamiento de los pequeños circuitos eléctricos se describe a partir de sus funciones típicas: funcionamiento de conmutación, circuitos rectificadores y generación de tensión constante.

1. Funcionamiento de Conmutación

Cuando se aplica una tensión a un diodo, éste se utiliza como conmutador, utilizando su función de permitir el paso de la corriente en un solo sentido. Cuando se aplica una tensión en la dirección de avance, fluye corriente, lo que se denomina funcionamiento en estado activado, mientras que en la dirección inversa, no fluye corriente aunque se aplique una tensión, lo que es el funcionamiento en estado desactivado.

Los diodos de barrera Schottky y los diodos PIN se utilizan como diodos para la función de interruptores con una frecuencia de funcionamiento relativamente alta, ya que permiten una conmutación rápida con corrientes pequeñas.

2. Circuitos de Rectificación

La rectificación es una operación de circuito que convierte la corriente alterna en corriente continua utilizando la propiedad del diodo de hacer circular la corriente en un solo sentido. Normalmente, la corriente es una corriente de media frecuencia que no pasa en la dirección negativa, pero cuando se conectan diodos en un circuito de puente, la parte negativa de la corriente alterna se convierte en positiva y se energiza, lo que permite convertir la corriente en una corriente continua de frecuencia completa.

3. Generación de Tensión Constante

Se trata de una operación de circuito en la que se suelen utilizar diodos zener. Un diodo zener es un diodo que puede generar una tensión constante en un rango determinado independientemente de la corriente inversa. Estos diodos se utilizan en aplicaciones de circuitos para generar tensiones constantes y también como circuitos de protección.

Más Información sobre los  Diodos de Señal Pequeña

1. Ejemplos de Construcción de Diodos de Señal pequeña 

Las estructuras de los diodos de señal pequeña se pueden clasificar a grandes rasgos en tipo planar y tipo mesa.

Tipo Planar
El tipo planar es la estructura semiconductora más utilizada, en la que se forma una capa de difusión de impurezas cerca de la película de óxido en la superficie del semiconductor de silicio para crear una unión PN para el diodo. Es posible construir los diodos necesarios en varias partes del CI en términos de circuitería, y esta estructura puede utilizarse ampliamente como bloque de circuito dentro del CI, además de aplicaciones discretas de diodos de pequeña señal.

Tipo Mesa
El tipo mesa tiene la característica de formar la unión PN en forma de montaña vertical y, en particular, el área de la parte de tipo N puede ser grande debido a su estructura, lo que permite una tensión de resistencia inversa relativamente grande. Esta estructura se utiliza a menudo en diodos de pequeña señal para rectificación, aprovechando esta característica. 2. Diodos de pequeña señal de tipo array

2. Diodos de Señal Pequeña Tipo Array

Cuando se utilizan diodos de señal pequeña en varios circuitos, pueden utilizarse varios diodos. Los diodos de señal pequeña de tipo matriz son adecuados en estos casos.

También existen productos que integran varios diodos de señal  pequeña en un único encapsulado o, por ejemplo, una matriz combinada de diodos Zener y diodos de barrera Schottky. Estos productos son útiles cuando la tensión Vf de los diodos debe dividirse en el circuito.

¿Qué es un Interruptor de Carga IC?

Los circuitos integrados de conmutación de carga son circuitos integrados que combinan la función de accionar MOSFET y FET con baja resistencia a la conexión para encender y apagar la fuente de alimentación con varias funciones de protección y la función de emitir condiciones anormales al exterior del circuito integrado.

El uso de circuitos integrados de conmutación de carga permite reducir el número de componentes en comparación con cuando se consigue la misma función utilizando una combinación de componentes electrónicos individuales, y también ahorra espacio.

Aplicaciones de los Interruptores de Carga IC

Los interruptores de carga IC se utilizan en circuitos de alimentación de equipos electrónicos. Dado que la mayoría de los circuitos integrados de conmutación de carga tienen una corriente nominal de 0,5 A a 5 A, suelen utilizarse en equipos de información y comunicación como ordenadores personales, periféricos de ordenador y dispositivos móviles, más que en equipos industriales que accionan motores, solenoides y similares.

Como están equipados con varias funciones de protección, son adecuados para aplicaciones en las que es necesario proteger los circuitos periféricos y los mazos de cables en caso de fallo por cortocircuito de la carga o generación anormal de calor FET, o en las que los equipos conectados pueden insertarse con la alimentación conectada, como USB.

Principio de los Interruptores de Carga IC 

1. Alimentación de la Carga

Los interruptores de carga IC utilizan un FET interno de canal P o un FET de canal N para encender y apagar la fuente de alimentación de la carga. El circuito de accionamiento del FET dentro del CI de conmutación de carga controla la tensión de puerta del FET y cambia la resistencia entre el drenaje y la fuente del FET, realizando así la función ON/OFF de la fuente de alimentación de la carga.

2. Protección contra Sobrecorriente

El suministro de energía a la carga se desconecta si la salida de corriente del interruptor de carga IC excede el valor especificado. El interruptor de carga IC puede ser protegido cuando el terminal de salida del interruptor de carga IC es cortocircuitado a GND o cuando una corriente fluye hacia la carga.

Por ejemplo, si una sobrecorriente fluye al FET para el accionamiento de carga, la sobrecorriente continuará fluyendo al FET si no hay una función de protección contra sobrecorriente. Sin embargo, con la protección contra sobrecorriente, la alimentación de la carga se desconecta, por lo que el FET no fallará ni se romperá el cableado.

3. Protección contra Sobrecalentamiento

Si la temperatura de la unión de semiconductores dentro del IC del interruptor de carga supera la temperatura especificada, se desconecta la alimentación de la carga. El IC del interruptor de carga puede protegerse en caso de generación anormal de calor en el entorno externo o cuando la corriente de carga es superior a la esperada.

Por ejemplo, si falla una carga y fluye hacia los FET una corriente mayor de la esperada, los FET seguirán generando calor y fallarán si no hay una función de protección contra sobretemperatura. Por el contrario, con la protección contra sobretemperatura, la alimentación de la carga se desconecta y el FET no fallará. 4. Protección de baja tensión

4. Protección contra Baja Tensión

Si la tensión de alimentación de entrada al IC del conmutador de carga cae por debajo de un nivel especificado, se desconecta la alimentación de la carga. Esto evita que la carga funcione mal cuando la tensión de alimentación cae debido a un fallo del circuito de alimentación.

Por ejemplo, si el circuito de alimentación falla y la tensión de alimentación cae por debajo de la tensión de funcionamiento garantizada, la carga funcionará mal porque la alimentación de la carga seguirá conectada sin la función de protección contra baja tensión. Por otro lado, con la protección de baja tensión, la alimentación de la carga se desconecta y la carga no funciona mal.

Otra Información sobre los Interruptores de Carga IC

Terminales de Interruptores de Carga IC 

Los terminales típicos de un IC de interruptor de carga son los cinco pines VCC, GND, EN, FLG y VOUT.

1. El pin VCC
El terminal VCC es el terminal de entrada de alimentación del IC interruptor de carga. La línea de alimentación que se suministra a la carga se conecta a este terminal, y entre los terminales VCC y GND se conecta un condensador cerámico de derivación. El condensador cerámico de derivación debe colocarse cerca del terminal para que sea efectivo.

2. Patilla VOUT
La patilla VOUT es la patilla de salida de la fuente de alimentación y conecta la línea de alimentación de la carga. Los diodos parásitos de los MOSFETs en el IC del interruptor de carga están desactivados para que no fluya corriente inversa de VOUT a VCC.

3. Terminal EN
El terminal EN es un terminal de entrada que controla la salida de alimentación ON/OFF del contacto del interruptor de carga; conectando el terminal EN al puerto de salida del microcontrolador, se puede controlar la alimentación de la carga.

El nivel lógico y de tensión del terminal EN varía en función del CI del interruptor de carga, por lo que debe consultarse la hoja de datos y conectar la lógica y la tensión adecuadas.

4. Terminal FLG
El terminal FLG es un terminal de salida que indica el estado del IC del interruptor de carga. El voltaje de la terminal FLG cambia cuando el IC del interruptor de carga es normal o anormal.

Al conectar la terminal FLG al puerto de entrada del microcontrolador, se puede monitorear el estado del IC del interruptor de carga. Como la terminal FLG es normalmente una salida de drenaje abierto, conecte una resistencia externa de pull-up y deje la terminal desconectada cuando no se utilice la terminal FLG.

¿Qué son los Mandos a Distancia?

Los mandos a distancia, son unidades que reciben señales ópticas de transmisores de control remoto utilizados para controlar equipos en diversas situaciones, incluidos equipos audiovisuales como televisores.

En concreto, recibe señales ópticas del transmisor de control remoto, las convierte en señales eléctricas, amplifica las señales y las convierte en señales digitales. Utilizando esta señal como salida, la señal se envía a un microordenador u otra unidad de control de dispositivo incorporada en una etapa posterior.

Aplicaciones de los Mandos a Distancia

Los módulos receptores del mando a distancio “o” control remoto, se utilizan en parejas con transmisores de control remoto y también se emplean ampliamente en electrodomésticos y equipos de audio. Ejemplos típicos de estas aplicaciones son equipos audiovisuales como televisores, grabadores y reproductores blu-ray y HDD, equipos de audio como componentes AV, así como electrodomésticos como aparatos de aire acondicionado y accesorios de iluminación.

En el caso de un televisor típico, casi todas las funciones del aparato se pueden controlar con el emisor del mando a distancia, como encender y apagar, controlar el volumen, seleccionar canales, cambiar entradas, mostrar menús y hacer selecciones. Por lo tanto, basándose en las señales recibidas del transmisor, estas funciones son convertidas de señales luminosas a señales eléctricas por el módulo receptor del mando a distancia con el fin de emitir señales al microordenador para el control de la unidad de TV.

Principio de los Mandos a Distancia

El principio del módulo receptor de luz de control remoto es que recibe señales de luz moduladas transmitidas desde el transmisor de control remoto y, después de la demodulación, convierte las señales de luz recibidas en señales digitales para su salida para transmitir señales de control al microordenador en una etapa posterior.

La longitud de onda de la luz emitida a la unidad receptora del mando a distancia suele ser luz infrarroja cercana de 940 nm o 960 nm. El emisor del mando a distancia transmite la señal original modulada a 37,9 KHz para limitar el periodo de encendido de la señal a unos pocos puntos porcentuales, con el fin de prolongar la duración de las pilas del mando a distancia. Esta luz modulada es la que recibe el módulo receptor del mando a distancia.

Tras ser recibida por el elemento receptor de luz, el módulo receptor de luz del mando a distancia amplifica esta señal, demodula aún más la onda modulada a 37,9 KHz y la emite como una señal digital de unos 3-6 V. El objetivo de esto es que coincida con la tensión de funcionamiento de la tensión de alimentación del micro-controlador, etc. conectado en la etapa posterior. El micro-controlador que recibe la señal de control remoto analiza el contenido de la señal y controla el dispositivo en consecuencia.

Existen varios tipos de formatos de datos utilizados en las señales de control remoto. Todos los formatos utilizan longitudes de onda de luz y frecuencias de modulación similares, pero tienen estructuras de datos diferentes para que no interfieran entre sí las señales y provoquen su mal funcionamiento.

Características de los Mandos a Distancia

Los elementos enumerados como características de los módulos receptores de luz de telemando suelen referirse a circuitos receptores compatibles con la Banda I especificada por la EIAJ, pero también pueden incluir los compatibles con la Banda III. La salida de un fotodiodo que recibe luz modulada en el infrarrojo cercano enviada desde un transmisor de control remoto es una señal débil cuando se detecta luz reflejada a distancia o desde una pared, pero se convierte en una señal muy grande cuando el equipo se opera desde una distancia cercana.

Por lo tanto, se requiere que el circuito de amplificación que recibe la señal tenga un amplio rango dinámico de 80 dB o más, lo que se consigue mediante el AGC incorporado. Dado que la luz emitida por las luminarias tiene un efecto negativo como ruido, el fotodiodo se cubre con una resina con propiedades de corte de luz visible (se transmite luz casi infrarroja) para eliminar el efecto de la luz de las luminarias.

Además, se proporciona un filtro de paso de banda con una característica de paso pronunciado para evitar la influencia de las lámparas fluorescentes del inversor, que parpadean a altas frecuencias. El extremo de salida del módulo receptor de luz de control remoto suele tener una configuración de colector abierto, para que coincida con la tensión de alimentación del procesador que recibe la señal de salida, y se proporciona una resistencia de pull-up en el terminal de entrada del procesador para recibir la señal.

Otra Información sobre los Mandos a Distancia

1. Supresión de Ruido de los Mandos a Distancia

Si el entorno en el que se utiliza el módulo receptor de luz de control remoto contiene fuentes de ruido (por ejemplo, ruido de luz perturbadora procedente de lámparas fluorescentes invertidas, ondulación de la fuente de alimentación, ruido electromagnético en el circuito de alimentación, etc.), la distancia de recepción del control remoto puede reducirse debido a estos efectos. Por lo tanto, es necesario idear formas de evitarlos.

La ondulación de la fuente de alimentación y la contaminación por ruido del circuito de alimentación pueden tratarse en el diseño del circuito, pero para evitar los efectos de las lámparas fluorescentes es necesario introducir innovaciones estructurales, como el bloqueo de la luz procedente de la dirección del techo.

2. Precauciones en el uso de los Mandos a Distancia

Los módulos receptores de luz por control remoto tienen una ganancia muy alta y, por lo tanto, son sensibles al ruido. Por lo tanto, si el módulo receptor de luz por control remoto tiene una carcasa apantallada, es importante asegurarse de que está conectada a la GND.

Los módulos receptores de luz por control remoto típicos están diseñados para su uso en interiores. Cuando se utilizan en exteriores, la salida de corriente del fotodiodo se vuelve extremadamente alta cuando incide sobre él la luz solar, saturando el circuito amplificador que la recibe e imposibilitando la recepción de la luz infrarroja cercana procedente del emisor de telemando.

Por lo tanto, los equipos utilizados al aire libre (por ejemplo, cámaras y otros equipos fotográficos) deben utilizar módulos receptores de luz de control remoto con especificaciones que eviten la saturación por la luz solar.

¿Qué es un Amplificador de Ganancia Programable?

Un amplificador de ganancia programable es un amplificador cuya magnitud de ganancia puede ser modificada por el usuario mediante programación.

Es un amplificador que utiliza un amplificador operacional, generalmente en configuración no inversora. Como la ganancia puede cambiarse mediante programación, los amplificadores de ganancia programada dejan margen para modificaciones en la cadena de señales, donde las señales analógicas se transforman en digitales.

Esto permite desarrollar productos flexibles, ya que la ganancia puede modificarse posteriormente para responder con flexibilidad a los deseos del cliente o del usuario, como aumentar la intensidad de recepción de la señal.

Aplicaciones de los Amplificadores de Ganancia de Programables

Los amplificadores de ganancia programables se utilizan principalmente para la amplificación de señales en dispositivos que reciben señales o ruido, como equipos de comunicación, detectores y equipos de análisis. Algunos ejemplos son las estaciones base y los receptores de teléfonos móviles, los radares ultrasónicos, las comunicaciones inalámbricas y el análisis de voz. Otras aplicaciones son el control de motores.

A la hora de seleccionar las especificaciones de los amplificadores de ganancia programables, hay que tener en cuenta el rango y el tipo de ganancia programable, la magnitud de la impedancia y la precisión de la ganancia.

Principio de los Amplificadores de Ganancia Programables

Un amplificador de ganancia programable utiliza una configuración en escalera de resistencias en la sección del circuito de realimentación negativa de un amplificador operacional y conmuta los valores de estas resistencias mediante una operación de conmutación controlando los valores de registro de un circuito digital. Esto permite conmutar la ganancia y el funcionamiento del amplificador con un amplio rango dinámico.

Además del valor de resistencia de la sección del circuito de re-alimentación negativa, otra técnica consiste en cambiar la tensión interna aplicada a los amplificadores operacionales mediante programación, lo que permite variar el factor de amplificación del propio amplificador operacional y la magnitud de la ganancia. Los amplificadores de ganancia programables para equipos utilizados en dispositivos médicos y experimentos científicos requieren un factor de amplificación con un gran rango dinámico, bajo ruido y excelente estabilidad térmica.

Por este motivo, algunos productos incorporan un mecanismo por el que se montan resistencias y condensadores en el amplificador de ganancia programable para formar un filtro de paso bajo y eliminar el ruido de alta frecuencia. También existen productos que conectan varios amplificadores operacionales mediante un circuito con un conmutador que se puede accionar de forma programática, de modo que los amplificadores operacionales se pueden accionar mediante el programa según sea necesario, lo que permite una gran amplificación de forma eficaz.

Otra Información sobre los Amplificadores de Ganancia  Programables

1. Amplificadores de Ganancia  Programables utilizados en Aplicaciones de Sensores

En el diseño de sistemas que utilizan sensores, el rango de salida de varios tipos de sensores se diseña para que coincida con el rango de entrada del convertidor A-D posterior en combinación, pero no necesariamente con el rango de entrada/salida en el sistema. En tales casos, debe utilizarse un amplificador de ganancia de programa entre el sensor y el convertidor A-D para cubrir el rango de salida muy bajo del sensor a niveles muy bajos y para que coincida con el rango de entrada del convertidor A-D.

En el caso de las aplicaciones de sensores, naturalmente hay que prestar atención a los niveles de ruido debido a su función en la aplicación. También se suelen utilizar amplificadores de instrumentación, pero los amplificadores de ganancia programables también pueden considerarse amplificadores de instrumentación con una función de ganancia variable adicional en la segunda etapa.

2. Diferencia entre Amplificadores de Ganancia Programables (AGP) y Amplificadores de Ganancia Variable (AGV)

Ambos son iguales en el sentido de que son amplificadores con ajuste de ganancia variable. Un amplificador de ganancia programable (PGA) se utiliza para el ajuste de ganancia de valores discretos (precisos), ya que se controla digitalmente y se conmuta por bits, por ejemplo, 4x, 8x, 16x, en lugar de ajustarse continuamente de forma analógica.

Hay que tener en cuenta que la resolución de ajuste de la ganancia es igual al número de bits del registro de ajuste. Por otro lado, los amplificadores de ganancia variable (VGA) son controles de ganancia continuos analógicos con una respuesta relativamente rápida y son adecuados para aplicaciones en las que se requiere un funcionamiento AGC (control automático de ganancia).

¿Qué son los Equipos de Exposición de Semiconductores?

Los sistemas de exposición de semiconductores se utilizan para representar patrones de circuitos en obleas de silicio en el proceso de fabricación de semiconductores. Se transmite una potente luz ultravioleta a través de una fotomáscara, que sirve de prototipo para el patrón del circuito, y el patrón del circuito se transfiere a la oblea de silicio recubierta con fotorresistencia. En los últimos años, algunos equipos utilizan un láser con una longitud de onda de 13 nm, conocido como EUV, para miniaturizar patrones de circuitos finos. Los equipos son caros porque requieren una precisión extremadamente alta en el posicionamiento, etc.

Aplicaciones de los Equipos de Exposición de Semiconductores

Los equipos de exposición de semiconductores se utilizan en el proceso de exposición en el proceso de fabricación de circuitos integrados (CI), que contienen elementos semiconductores como semiconductores de óxido metálico (MOS)-FET (transistores de efecto de campo).

En el proceso de fabricación de circuitos integrados, los ciclos de fotolitografía y grabado se repiten secuencialmente en una oblea de silicio para apilar y procesar capas (estratos) de óxidos de silicio y metales en un patrón predeterminado, que se procesa para que tenga las características necesarias para los dispositivos semiconductores. En el caso de los MOS de tipo n (NMOS), por ejemplo, un MOS de tipo n (tipo n+) se forma formando una película de óxido de silicio en la región de puerta sobre un sustrato de silicio de tipo p y un metal de puerta encima, e implantando iones con altas concentraciones de impurezas en las regiones de drenaje y fuente. Cada uno de los pasos de fotolitografía y grabado de esta serie de procesos se estructura como se muestra en el diagrama (proceso de deposición de la película S1~proceso de eliminación de la resistencia S6).

De estos, el proceso de exposición (S3) es el que se lleva a cabo utilizando equipos de exposición de semiconductores. Se utilizan diferentes longitudes de onda de los equipos de exposición en función de las dimensiones del patrón del circuito y de la precisión del dispositivo semiconductor.

Principios de los Sistemas de Exposición de Semiconductores

Los sistemas de exposición de semiconductores constan de una fuente de luz, una lente condensadora, una fotomáscara, una lente de proyección y una platina. La luz ultravioleta generada por la fuente de luz se ajusta mediante la lente condensadora de modo que quede orientada en la misma dirección. A continuación, la luz ultravioleta atraviesa una fotomáscara, que sirve de prototipo para una capa del patrón de circuito, y la luz se reduce mediante la lente de proyección para transferir el patrón de circuito (una capa del patrón de circuito) del dispositivo semiconductor a la oblea de silicio. En los sistemas de exposición como los steppers, una vez completada una transcripción, la oblea de silicio es movida por la platina y el mismo patrón de circuito se transfiere a otra posición de la oblea de silicio. Sustituyendo la fotomáscara, se puede transferir otra capa del patrón de circuito del dispositivo semiconductor.

Como fuentes de luz se utilizan láseres excimer KrF con una longitud de onda de 248 nm, láseres excimer ArF con una longitud de onda de 193 nm y fuentes de luz EUV con una longitud de onda de 13 nm.

Las reglas de diseño (dimensiones mínimas de procesamiento) de los últimos procesos de fabricación de semiconductores se han reducido a 3-5 nm, por lo que las lentes condensadoras, las fotomáscaras, las lentes de proyección y las etapas requieren una alta precisión en el rango nanométrico. Además, a medida que avanza el apilamiento, la exposición se lleva a cabo varias veces antes de producir un solo semiconductor cambiando el patrón del circuito.

Tamaño y Cuota de Mercado de los Equipos de Exposición de Semiconductores

El mercado mundial de la electrónica sigue en expansión, y la industria de semiconductores es cada vez más importante para apoyar esta expansión. El mercado mundial de semiconductores experimentó un crecimiento negativo en 2019, pero también ha continuado expandiéndose en el pasado, a pesar de experimentar el colapso de Lehman Brothers. En los últimos años, el desarrollo tecnológico de la memoria ha cambiado de la miniaturización al 3D, y la tecnología de grabado se ha vuelto más importante.

El tamaño del mercado de equipos de exposición de semiconductores fue de 1,852,2 mil millones de yenes en 2018.
La cuota de mercado por región de consumo es la siguiente: primero Corea del Sur 36%, segundo Taiwán 19%, tercero China 18%, cuarto Estados Unidos 14% y quinto Japón 7%. La cuota de equipos de exposición de semiconductores por nacionalidad del proveedor (2018) está dominada casi exclusivamente por Europa y Japón, con Europa (84%), Japón (14%) y Estados Unidos (2%).

Acerca de los Sistemas de Litografía EUV

Los sistemas de litografía EUV (ultravioleta extremo) son sistemas de litografía de semiconductores que utilizan longitudes de onda de luz extremadamente cortas conocidas como ultravioleta extremo (EUV). Permiten procesar dimensiones más finas, lo que resulta difícil con los sistemas de exposición convencionales que utilizan luz láser excimer ArF.

La miniaturización de los semiconductores ha ido avanzando de acuerdo con la Ley de Moore (los circuitos integrados de semiconductores se vuelven cuatro veces más integrados y funcionales en tres años). El desarrollo de la tecnología de exposición de proyección reducida conocida como “steppers”, longitudes de onda de exposición más cortas y tecnología de exposición por inmersión ha dado lugar a mejoras espectaculares en la resolución.

La miniaturización significa que el tamaño mínimo de proceso que puede grabarse en una oblea es cada vez menor, y el tamaño mínimo de proceso R se expresa mediante la siguiente fórmula de Rayleigh.
　R = k/λ/NA *k es una constante de proporcionalidad, λ es la longitud de onda de exposición y N.A. es la apertura numérica del sistema óptico de exposición.

Diversos avances tecnológicos han permitido la miniaturización mediante la reducción de k, la reducción de λ y el aumento de NA.
Los equipos de litografía EUV se consideran una tecnología que puede superar los límites del pasado acortando la longitud de onda de exposición, y se han fabricado en serie en los últimos años.

Precios de los Equipos de Exposición de Semiconductores

Los equipos de exposición de semiconductores son indispensables para la producción masiva y eficiente de semiconductores en la actualidad, pero se dice que son las máquinas más precisas de la historia, por lo que resultan caras.

Cuanto más corta es la longitud de onda de la fuente de luz utilizada en los equipos de exposición de semiconductores, más fino es el patrón que se puede formar y mayor es el precio del sistema de exposición. Para cada longitud de onda, se dice que la i-line cuesta unos 4 millones de dólares, la KrF unos 13 millones de dólares, la ArF en seco unos 20 millones de dólares, la ArF de inmersión unos 60 millones de dólares y la EUV unos 20 millones de dólares.

Cuanto más fino es el circuito, más rápida es la transmisión de la señal y más ahorro de energía se puede conseguir, pero en los últimos años, el aumento de los costes del proceso debido a la miniaturización, incluido el precio de los equipos de exposición de semiconductores, se ha convertido en algo imposible de ignorar.

El rendimiento de los equipos de exposición de semiconductores es también un indicador importante del rendimiento exigido a los equipos de exposición de semiconductores desde la perspectiva del coste de fabricación de semiconductores. El rendimiento es un indicador de la rapidez con la que se puede exponer un patrón de circuito y, a medida que aumenta el rendimiento, disminuye el coste de producción (coste de funcionamiento) por dado de silicio. Esto es importante durante la producción masiva de chips semiconductores.

¿Qué es un Luminómetro?

Un luminómetro es un tipo de sensor de movimiento que detecta la luz ambiental y la oscuridad.

Su función es encenderse automáticamente cuando el entorno es oscuro y apagarse automáticamente cuando el entorno es luminoso, así como ajustar el brillo de la pantalla a un nivel adecuado para el ser humano. Los sensores de iluminancia se pueden clasificar en tres tipos: los que utilizan fototransistores, los que utilizan fotodiodos y los que tienen un circuito amplificador añadido al fotodiodo.

Los sensores de iluminancia son una tecnología que puede contribuir a reducir el consumo de energía de los equipos electrónicos y mejorar la calidad de imagen de las pantallas de visualización.

Usos de los Luminómetros

Los luminómetros se utilizan ampliamente para detectar el brillo de las pantallas de visualización y LCD y para medir la iluminancia ambiental con el fin de automatizar el encendido y apagado de la iluminación.

Por ejemplo, en teléfonos móviles y smartphones, contribuyen a mejorar la visibilidad y a reducir el consumo de energía de las pantallas LCD al permitir controlar el brillo de la retroiluminación de la pantalla en función de la luminosidad ambiental. Cuando se monta en una pantalla, la visibilidad puede ajustarse automáticamente.

También es una de las tecnologías cada vez más demandadas, adoptada en una amplia gama de campos como las cámaras y las comunicaciones ópticas.

Principio del Luminómetros

Los sensores de iluminancia utilizan fotodiodos y fototransistores que convierten la iluminancia de la luz que incide en la parte receptora de luz en una corriente eléctrica, que se detecta convirtiendo el brillo real de la luz en un valor eléctrico mediante un circuito que amplifica la corriente de salida a un valor de corriente que puede utilizarse como función del sensor.

En otras palabras, la corriente que circula por el fototransistor cambia en función de la luminosidad, lo que hace que aparezca una tensión correspondiente a la luminosidad en ambos extremos de la resistencia instalada en el circuito, y se detecta la luz.

Además, el fotodiodo debe tener una característica de sensibilidad diminuta en la misma gama de longitudes de onda que puede percibir el ojo humano. Sin embargo, los fotodiodos utilizados generalmente en los receptores de luz deben compensar su sensibilidad fuera de la región infrarroja, invisible para el ojo humano.

Mediante la instalación de un subfotodiodo con un pico de sensibilidad espectral en la región infrarroja, el subfotodiodo se sustrae del fotodiodo principal. Este mecanismo permite obtener características de sensibilidad espectral cercanas a la sensibilidad visual que puede percibir el ojo humano.

Otra Información sobre los Luminómetros

1. Configuración de Salida de los Sensores de Iluminancia

Existen varios tipos de sensores de iluminancia con diferentes configuraciones, que van desde los muy sencillos que convierten la corriente de salida del fotodiodo o fototransistor de la parte receptora de luz en un valor de tensión mediante un circuito analógico y lo emiten, hasta tipos más sofisticados con una unidad de conversión analógica a digital, una unidad de control digital más allá y una interfaz serie como SPI. Existe una gran variedad de sensores de iluminancia, en función de la aplicación del mercado, desde los más sencillos, que convierten la corriente de salida de un diodo o fototransistor en un valor de tensión y lo emiten, hasta los más sofisticados, que cuentan con un convertidor analógico-digital, una unidad de control digital más allá y una interfaz serie como SPI.

Con una interfaz SPI, el control desde un microcontrolador o un dispositivo similar es relativamente fácil y compatible con el software, lo que permite un control de la aplicación más preciso. Normalmente, en estos casos, se utilizan pequeños circuitos integrados dedicados que se han convertido en ASIC de sensor para realizar productos de sensores de iluminancia compactos y de alta funcionalidad.

2. Interruptores de Sensores de Iluminancia

Un producto aplicado que utiliza sensores de iluminancia es el interruptor luminómetros. Este interruptor puede utilizarse para encender y apagar automáticamente la iluminación de una habitación en función de la luminosidad exterior. Por ejemplo, en las grandes oficinas suele haber un interruptor para cada zona de iluminación, que se utiliza para encender y apagar la iluminación, por lo que la instalación de un luminómetros puede automatizar estas tareas.

La ventaja de instalar interruptores con sensor de iluminación no es sólo que permiten encender y apagar automáticamente la iluminación en función de la luminosidad exterior. Los interruptores sensores de iluminación de alto rendimiento también pueden utilizarse para atenuar las luces en función de la iluminancia. Estas funciones pueden configurarse mediante un controlador instalado por separado del luminómetros.

Desde el controlador, es posible establecer a qué iluminancia se encienden y apagan las luces, y qué días de la semana y horas del día se activa la función. También hay sensores de iluminancia que permiten cambiar el ajuste de la iluminancia en función de la estación del año.

Instalando estos sensores de iluminancia en oficinas y otros lugares, es posible controlar adecuadamente la iluminancia de la iluminación en diversas partes del interior en función de la hora del día, la estación y las condiciones meteorológicas exteriores. De este modo se puede ahorrar energía.