MIKROELEKTRONIKAI ÉRZÉKELİK I

Méret: px

Mutatás kezdődik a ... oldaltól:

Download "MIKROELEKTRONIKAI ÉRZÉKELİK I"

Ábel Bognár
5 évvel ezelőtt
Látták:

ELİADÁS: MECHANIKAI ÉRZÉKELİK I 8. ELİADÁS 1. Mechanikai érzékelık 2. A Si mint mechanikai anyag, MEMS 3. Piezorezisztív effektus 4.

1 MIKROELEKTRONIKAI ÉRZÉKELİK I Dr. Pıdör Bálint BMF KVK Mikroelektronikai és Technológia Intézet és MTA Mőszaki Fizikai és Anyagtudományi Kutató Intézet 8. ELİADÁS: MECHANIKAI ÉRZÉKELİK I 8. ELİADÁS 1. Mechanikai érzékelık 2. A Si mint mechanikai anyag, MEMS 3. Piezorezisztív effektus 4. Si alapú nyomásérzékelık Az elıadás részben felhasználja Ádám Antalné (MTA MFA) hasonló témájú elıadásának anyagát. 2008/2009 tanév 1. félév 1 2 MECHANIKAI ÉRZÉKELİK A SZENZOROK ÁLTALÁNOS FELÉPÍTÉSE 3 4 Si ALAPÚ MECHANIKAI ÉRZÉKELİK PIEZOREZISZTÍV ÁTALAKÍTÓK 5 6

2 A Si PIEZOREZISZTÍV TULAJDONSÁGAI A PIEZOREZISZTIVITÁS 7 8 PIEZOREZISZTÍV EGYÜTTHATÓ PIEZOREZISZTÍV EGYÜTTHATÓ 9 10 A PIEZOREZISZTÍV EGYÜTTHATÓ MÉRÉSE PIEZOREZISZTÍV EGYÜTTHATÓ ANIZOTRÓPIÁJA Si-BAN A longitudinális és tranzverzális piezorezisztív együttható az <100> síkon. 11 p-típusú Si n-típusú Si 12

3 PIEZOREZISZTÍV EGYÜTTHATÓ: KONCENTRÁCIÓ ÉS HİMÉRSÉKLETFÜGGÉS ELLENÁLLÁS VÁLTOZÁS WHETSTONE HÍD ELRENDEZÉS HİMÉRSÉKLETFÜGGÉS FÜGGÉS AZ ADALÉKKONCENTRÁCIÓTÓL SPECIÁLIS SZENZOROK 17 18

A KAPACITÍV ÉRZÉKELÉS ELVE PÉLDÁK MEGVALÓSÍTOTT ÉRZÉKELİKRE 19 20 KAPACITÍV NYOMÁSMÉRİ NYOMÁS MÉRTÉKEGYSÉGEK A nyomás SI mértékegysége a Pascal (Pa)

= 100 kpa 21 Blaise Pascal (1623-1662) francia matematikus, fizikus, filozófus 22 NYOMÁS MÉRTÉKEGYSÉGEK MIKROELEKTRONIKAI NYOMÁSÉRZÉKELİ 1 bar = 100

pounds per square inch (USA) 23 Tömbi mikromegmunkálással készült nyomásérzéklı alkáli hidroxid maróeleggyel kialakított szilícium (n-típusú)

4 A KAPACITÍV ÉRZÉKELÉS ELVE PÉLDÁK MEGVALÓSÍTOTT ÉRZÉKELİKRE KAPACITÍV NYOMÁSMÉRİ NYOMÁS MÉRTÉKEGYSÉGEK A nyomás SI mértékegysége a Pascal (Pa) 1 Pa = 1 N/m 2 Gyakran használt egység (csak gázok és folyadékok nyomására) a bar (megfelel a normál légköri nyomásnak) 1 bar = 10 5 N/m 2 = 10 5 Pa = 100 kpa 21 Blaise Pascal ( ) francia matematikus, fizikus, filozófus 22 NYOMÁS MÉRTÉKEGYSÉGEK MIKROELEKTRONIKAI NYOMÁSÉRZÉKELİ 1 bar = 100 kn/m 2 = 100 kpa 1,02 kp/m 2 = 1 at ~760 Hgmm 10,2 mh 2 O 14,502 psi at att, atü psi - technikai atmoszféra - technikai atmoszféra túlnyomás - pounds per square inch (USA) 23 Tömbi mikromegmunkálással készült nyomásérzéklı alkáli hidroxid maróeleggyel kialakított szilícium (n-típusú) membránnal. A membrán behajlásából eredı alakváltozást bór adalékolással (diffúzió) kialakított piezoellenállások érzékelik és alakítják át villamos jellé. 24

RESEARCH INSTITUTE FOR TECHNICAL PHYSICS AND MATERIALS SCIENCE, BUDAPEST

hu/laboratories Pressure sensors - wafer processing KAPACITÍV NYOMÁSÉRZKLLİ

4bar up 600bar) ion implanted piezoresistors double side alignment KOH backside

Az egyik egy fémezett üveglap, a másik egy vékony Si membrán, a kettı között néhány

Az üveglapot anodikusan kötik a Si-hoz vákuumban, hogy hermetikusan zárt

Üveg helyett Si is használható, ami csökkenti a különbözı hımérsékleti tényezık

A referenciakamra helyett olyan kamra is használható, melyet szellızıcsatorna köt

hu/laboratories capacitive (10mbar - 1bar) double side alignment alkaline etching

5 RESEARCH INSTITUTE FOR TECHNICAL PHYSICS AND MATERIALS SCIENCE, BUDAPEST MICROTECHNOLOGY DEPARTMENT Pressure sensors - wafer processing KAPACITÍV NYOMÁSÉRZKLLİ piezoresistive (pressure ranges from 0.4bar up 600bar) ion implanted piezoresistors double side alignment KOH backside etching for membrane formation (50-200µm) Párhuzamos fegyverzető kondenzátor. Az egyik egy fémezett üveglap, a másik egy vékony Si membrán, a kettı között néhány µm széles réssel. Az üveglapot anodikusan kötik a Si-hoz vákuumban, hogy hermetikusan zárt referenciakamrát kapjanak. Üveg helyett Si is használható, ami csökkenti a különbözı hımérsékleti tényezık okozta problémát. A referenciakamra helyett olyan kamra is használható, melyet szellızıcsatorna köt össze a külvilággal. RESEARCH INSTITUTE FOR TECHNICAL PHYSICS AND MATERIALS SCIENCE, BUDAPEST MICROTECHNOLOGY DEPARTMENT capacitive (10mbar - 1bar) double side alignment alkaline etching for membrane formation (ECES) membrane thickness µm counter electrode on anocally bonded Pyrex glass, optional: Si-Si direct wafer bonding KAPACITÍV ÉRZÉKELİ TECHNOLÓGIÁJA Capacitive pressure sensor Cross-section and fabrication steps EMSi etching The sensor chip after EMSi etching 28 PIZOREZISZTÍV NYOMÁSMÉRİ PIZOREZISZTÍV NYOMÁSMÉRİ 29 30

6 HİMÉRSÉKLET-KOMPENZÁLÁS AKTÍV HİMÉRSÉKLET-KOMPENZÁLÁS Piezorezisztív nyomásérzékelı passzív hımérsékletkompenzációja. A híd kimenıjele a T növekedésével csökken. R, R 0 fém-ellenállások, KTY10 Si ellenálláshıérzékelı. 31 A híd kimenıfeszültsége T növekedésekor csökken. Ezt OP1 erısítése növelésével lehet kompenzálni (Si ellenállás-érzékelı). P1-nulla pont állítás, P3 és OP4: kimenet szinteltolása. 32 NYOMÁSÉRZÉKELİK ÖSSZEHASONLÍTÁSA Paraméter Si-piezo- Fém- Si-kapacitív ellenállás ellenállás Átalakítási tényezı * 1 0,02 - Nyomás érzékenység 1 0, Lineartási hiba 1 0,5 5 Nulla hiba TK (nulla hiba) TK (érzékenység) 1 0,05 0,05 Hımérsékl. hiszterézis 1 1 0,25 Stabilitás 1 0,5 0,5 Geometriai méret Ár VÉGE * G.F. (gauge-factor): ( R/R)/( L/L) 33 34

Hasonló dokumentumok

SZENZOROK ÉS MIKROÁRAMKÖRÖK 9. ELŐADÁS: MECHANIKAI ÉRZÉKELŐK I: NYOMÁS ÉS ERŐÉRZÉKELŐK

SZENZOROK ÉS MIKROÁRAMKÖRÖK 9. ELŐADÁS: MECHANIKAI ÉRZÉKELŐK I: NYOMÁS ÉS ERŐÉRZÉKELŐK 2015/2016 tanév 2. félév 1 1. Mechanikai érzékelők 2. Piezorezisztív effektus félvezetőkben 3. Si alapú nyomásérzékelők