MEMS, szenzorok. Tóth Tünde Anyagtudomány MSc

Átírás

1 MEMS, szenzorok Tóth Tünde Anyagtudomány MSc

2 Előadás vázlat MEMS Története Előállítása Szenzorok Nyomásmérők Gyorsulásmérők Szögsebességmérők Áramlásmérők Hőmérsékletmérők 2

3 Mi is az a MEMS? MEMS = mikro-elektromechanikai rendszerek Olyan apró eszközök, melyek mechanikai és elektronikai alkatrészeket is tartalmaznak. Karakterisztikus méretük jellemzően mikrométer Az alkatrészek mérete mikrométer 3

4 4

5 Története 5

6 Előállítás Alapanyagok: Szilícium Legelterjedtebb Jól megmunkálható, stabil Polimerek Olcsó, könnyen előállítható és megmunkálható Szubsztrát és fotoreziszt is lehet Fémek ( Au, Ni, Cu, Al, Ti, Ag, Pt) Si tulajdonságai jobbak Megfelelő korlátok között megbízható Mems eszközök készíthetőek Kerámiák (Si, Al, Ti nitridjei) 6

7 Előállítás Főbb lépései Rétegleválasztás Mintázat kialakítása Maratás Rétegleválasztási technikák Fizikai gőzfázisú leválasztás (PVD) Hordozó és felvitt anyag közt nincs kémiai reakció A kialakult réteget csak kohéziós erők kötik a hordozóhoz Kémiai gőzfázisú leválasztás (CVD) A réteg kémiai kötéssel kapcsolódik a hordozóhoz Leggyakrabban: LPCVD 7

8 PVD 8

9 CVD 9

10 Mintázat kialakítása Litográfiai eljárások Litográfia = lenyomat Mikrotechnikában: Áramkörök, mikromechanikai struktrúrák rajza Fotoreziszt = fizikai tulajdonságai megváltoznak, ha megfelelő besugárzást kap Maszk = az átvivendő struktúrát tartalmazza Optikai, röntgen-, és elektronsugaras 10

11 Fotolitográfia 11

12 Maratási eljárások Nedves maratás Marószer oldatába merítve történik a folyamat Anizotróp marás Marási sebesség erősen függ a kristálytani irányoktól Izotróp marás Marási sebesség független a kristálytani irányoktól Szelektivitás fogalma 12

13 Anizotróp marás Egykristály szilícium 13

14 Izotróp marás 14

15 Maratási eljárások Száraz maratás A folyamat gáz vagy gőzfázisban történik Fizikai és kémiai folyamatok is Az egyik legelterjedtebb módszer: DRIE 15

16 Deep Reactive Ion Etching Erősen anizotróp Felváltva: izotróp maratás és passziválás 16

17 Mikrotechnikai kötések Mikrotechnikai kötések biztosítása Típusai Forrasztott: a kötés fémes adalékanyag segítségével jön létre Ultrahangos: 17

18 Mikrotechnikai kötések II Típusai: Termokompressziós: Au és Si 18

19 Mikrotechnikai kötések III Típusai Termoszonikus kötés: Termokompressziós és ultrahangos technika ötvözése Módszerek előnyeinek kombinálása Alacsonyabb hőmérséklet, kötés időtartama rövidebb, felületi szennyeződések, oxidrétegek eltávolítása Anódos kötés: Sík szilícium-, és üvegfelületek kötésére 19

20 Szenzorok Olyan eszközök, melyek egy nem elektromos jelet (fizikai vagy kémiai) elektromos jellé alakítanak át. Jellemzőik: Szelektivitás Reprodukálhatóság Gyors működés Folyamatos működés 20

21 Nyomásmérők Iparban és egészségügyben is számos területen használják 21

22 Orvosi nyomásmérő Kardiovaszkuláris katéter: a szív koszorúereiben fellépő nyomás mérésére Mikromechanikai membrán, alsó részén referencianyomás, felső részén vérnyomás 22

23 Orvosi nyomásmérő II A membránt kondenzátorként alakítják ki C C = w(x) x p 23

24 Légnyomás mérése A=1x1 mm, d= 10μm Si membrán Atmoszférikus nyomás deformálja a membránt Membrán anyagából kialakított piezorezisztorok 24

25 Gyorsulásmérők Járműiparban széleskörű felhasználás: Benzinmotorok kopogásszabályzása Járműgyorsulások meghatározása a blokkolásgátló (ABS) vagy a stabilitási (ESP) rendszerek számára Légzsák és övfeszítő biztonsági rendszerek működtetésére ütközéskor Karosszériagyorsulások kiértékelésére a felfüggesztési rendszerek szabályozásához 25

26 Gyorsulásmérők Az erőmérést útmérésre vagy mechanikai feszültség mérésére vezetik vissza Állandó gyorsulás: F = m a = c x Változó gyorsulás: F = m a = c x + b x + m x 26

27 Kapacitív gyorsulásmérők Fontos alkalmazás: légzsákok vezérlésére szolgáló szenzorok 27

28 Kapacitív gyorsulásmérők Légzsák vezérléséhez kifejlesztett gyorsulásmérő szenzor 28

29 Piezoelektromos gyorsulásmérők Működésük a töltésszétválasztás elvén alapul 29

30 Piezorezisztív gyorsulásmérők Gyorsulásmérés nyúlásmérő bélyegek alkalmazásával 30

31 Termodinamikai elven működő gyorsulásmérők Felmelegített gázbuborék helytől függő hőmérséklet eloszlása 31

32 Szögsebesség érzékelők Járművekben az 1990-es évektől kezdve Érzékelik a jármű kanyarodását, kisodródását is Műhorizont, ESP, rakétatechnika 32

33 Klasszikus giroszkópok Gyorsuló koordináta-rendszerben: ma = F ma 0 mω ω r 2m ω r m β r Működés alapja: Coriolis-erő= 2m ω r 33

34 MEMS giroszkópok Próbatest rezonanciában rezeg Forgómozgás esetén Coriolis-erő Mérése rugók segítségével Elmozdulások mérése kapacitív elven 34

35 MEMS giroszkópok Kis kapacitásváltozások, így két ellenfázisban működő mikromechanikai rendszert építenek egymás mellé 35

36 MEMS giroszkópok 36

37 Áramlásmérők Belsőégésű motoroknál nagyon fontos a helyes levegőtüzelőanyag arány betartása Hőfilmes áramlásmérők Gyors Levegő abszolút hőmérséklete befolyásolja Mérőcellát védeni kell a szennyeződésektől 37

38 Hőmérők Ellenállás változáson alapuló szenzorok Kerámia hordozóra felvitt strukturált vékonyréteg ellenállás (Ni, Pt) 38

39 Szenzortechnika jelentősége a gépjárműiparban 39

40 40

41 Források en.wikipedia.org/wiki/microelectromechanical_systems

42 Köszönöm a figyelmet! 42