Mikrorendszerek szilárdságtana

Átírás

1 Mikrordszrk szilárdságt Mchiki fszültségk Húzó fszültség izotrop modll szrit tárgyluk (Si m z, kristályti iráyok szrit változk z ygi jllmzők, d lső közlítésb hlys modll) liáris szkszb mrduk: mgyúlás gys ráyos htó rővl, és folymt rvrzibilis (vgyis rdszr újrhszosíthtó) három ygi jllmző (E, D, G) közül csk kttő függtl (8): E + D ( ) G A hjlított rúd problémáj. ábr A hjlított rúd. ábr Rúd yújtás húzó fszültség: z A krsztmtsztű rúdr (): F húzó σ A mértékgység: N / m rltív mgyúlás (): l' l ε l liáris szkszr igz Hook-törvéy (): σ E ε hol E : Youg-modulus yújtáskor krsztmtszt (d) csökk, flírhtó krsztiráyú rltív mgyúlás (): d' d ε k d ε k lltéts lőjlű, mit ε, mrt mikor hossz ő, krsztmtszt csökk két mgyúlás ráyos is, z ráyossági téyző Poisso-gyütthtó (D) (5): εk D ε D érték:,...,5 (,5 z lvi mximum) Csúszttó (yíró) fszültség csúszttó fszültség (6): smlgs szál: z vol, mlyk hossz hjlítás sorá m változik ( tst súlyvoláb fut) húzó fszültség (9): σ E ε E mivl rúd gyhlyb v, z rők rdőj ull (): E F σ df y df r A A hol f: flültgység yomték (): E M y σ df y df r A A hol I: z A flült másodrdű yomték I számítás (): I A y r y dy dz görbülti sugár számítás (): M r E I Péld (rúd másodrdű yomték (I)) I. ábr Rúd I-j. ábr A yíró fszültség fti képlt () lpjá (): b I F yíró τ A liáris szkszb (7): τ G γ hol G: csúszttó ruglmssági modulus, γ: z lfordulás szög (ábrá jlölv) Ngy Grgly Mikrordszrk szilárdságt

2 Hjlításr trhlt kozol Két oldlo bfogott rugó 5. ábr Hjlításr trhlt kozol mghtározzuk y(x)-t, rúd középvolák lkját líró függvéyt yomték hlyfüggő (5): M F(l x) függvéy görbülti sugr korábbi képlt () lpjá (6): d y dx r dy + dx d y dx z gyszrűsítésr z d lhtőségt, hogy kis lhjlásik vk z lhjlásr (s) kövtkző összfüggés dódik (7): l s F E I S hol S: rugó gdékység [m / N] Péld (kozol rugó gdékység (S)) kozol hossz: l µm szélsség: 5 µm mgsság: b 6 µm yg: szilícium N Si Youg-modulus: E, m másodrdű yomték: b I L 9 rugó gdékység: l m S,8 E I L N értlmzés: h - N-l (, g) htuk, kkor 8 µm-l hjlik l kozol m 6. ábr Kétoldlo bfogott rugó rugó midkét oldlo b v fogv, d z gyik oldl tud mozogi h mgflzzük struktúrát, kkor visszvzthtő fti str, így h (7)-b l -t hlyttsítük, kkor mgkpjuk rugó gdékységt (8): l S E I Csvró yomték htás 7. ábr Csvró yomték htás létrjövő szöglfordulás (ϕ) (9): l ϕ M G b κ hol κ: gyütthtó, mlyk értéki: b,5 κ,,96,9, A ylv rzoci frkvciáj 8. ábr Nylv rzociáj modll: gy tömg élküi rugóvl, és gy ruglmsság élküli tömggl számoluk flhszált gyltk (-): F S s ( ) d s ( ) m F Ngy Grgly Mikrordszrk szilárdságt dt

3 próbfüggvéyl kövtkző, z RC körökévl lóg mgoldás dódik (): ω m S Péld (rzgőylv frkvciáj) súly szélsség: µm hosszúság: µm vstgság: 6 µm kg szilícium sűrűség: ρ m súly tömg ftik lpjá: 8 9 m 6, kg rzocifrkvci () lpjá: f L, khz π m S mértcsökkés mitt tömg lhygolhtó mértékb hjlítj l sttikus rugót: F m g s,8 8 8 N m,8 µ m Elosztott rugó-tömg rdszr ftikb zzl z gyszrűsítéssl éltük, hogy rugó tömg élküli, és tömg ruglmtl most gy tömggl rdlkző, ruglms rúd rzocifrkvciáját szrték kiszámíti kkor rúd mid dx szkszár ht rő, mi yomtékot is jlt 9. ábr Elosztott rugó-tömg rdszr mivl rdszr yuglomb v, zért flírhtó gy dx szkszr kövtkző gylt (): M ( M + dm) F dx z lpjá flírhtó yomték gylt (): dm F dx flírhtó még gy rő gylt is (5): df A dx ρ d y dt { y iráyú gyorsulás fti két gylt lpjá, flhszálv (6)-bli gyszrűsítést, kphtó rdszrt líró diffrciálgylt (6): d y A ρ d y dx E I dt próbfüggvéy (7): k érték (8): y(x) kost k kx A ρ ω E I K bvztjük K kostst mivl égyfél értékt vht fl (, -, j, -j), zért (7) lpjá flírt mgoldás is égy tgból fog álli érdms mgoldást trigoomtrikus lkb flíri (9): y(x) D sh ( K x) + D ch( K x) + D si( K x) cos( K x) + D kövtkző htárfltétlkkl lht számoli (-): y ( ) ( ) ( ) y' ( ) ( ) y' '( ) ( ) y' ''( ) bből dódik kövtkző gylt (): cos ( K l) ch( K l) + fti gyltk végtl sok mgoldás v (5): π 5π K{ l,9,,, L X z lpmódus z,9-s értékhz trtozik zzl rzocifrkvci (6): ω X E I ρ A l Péld (losztott rdszr rzociáj) kozol hossz: l µm szélsség: 5 µm mgsság: b 6 µm yg: szilícium N Si Youg-modulus: E, m kg szilícium sűrűség: ρ m körfrkvci (6) lpjá:, 9 ω,9 frkvci: f 6, Gyorsulásmérő,9 + rd ( ) s khz z lplv gy rugór rősíttt lmozduli képs tömg (ú. szizmikus tömg) lmozdulásák z átlkítás lktromos jllé z lmozdulásr () gylt dott, hol s hlyér most dx krül, és F hlyér pdig Nwto. törvéyét hlyttsíthtjük (7): dx F S S { m rzocifrkvciát () írj l itt pot m S (z érzékység (K)) szrpl vzőb, vgyis, h övljük z érzékységt, kkor csökk rzoci frkvci K 5 Ngy Grgly Mikrordszrk szilárdságt

4 R K L εl + K T εt R hol K L, K T : pizorzisztív gyütthtók ε L : hosszti (logitudiális) gyütthtó ε T : krsztiráyú (trszvrzális) h. hosszúság százd százlékos mgváltozás z llállás százlékos mgváltozását rdméyzi, thát gyo érzéky z szköz. ábr Gyorsulásmérő gykorltb gyorsulásmérőt hátoldli mrássl (tömbi mikromchik) hozzák létr z lmozdulás érzéklés törtéht kpcitív, illtv pizorzisztív úto kpcitív érzéklés: szlt ljához rgsztk gy másikt, hol szizmikus tömggl szmb gy síklp tlálhtó tömg lj, és síklp gy kodzátor két fgyvrzt; kpcitás függ két fgyvrzt távolságától, így problémát visszvzttük kpcitás mérésér pizorzisztív érzéklés: két dformálódó rugór ( tömg flfüggsztésiél) gy-gy pizorzisztív llállást hlyzk l, mlyk rzisztciáj mgyúlás kövtkztéb mgváltozik problémát rzisztci mérésér vzttük vissz Kpcitív kiolvsás. ábr Kpcitív kiolvsású gyorsulásmérő kpcitás (8): A A C ε ε d d d hol d: z lmozdulás z impdci kiszámolás (9): d d C ε A d C mivl Z, zért liáris összfüggésb mérhtjük ω C z impdciát tipikus dtokkl kpcitás érték: C 8,86 6 (, ) 6,8 pf Pizorzisztív kiolvsás z llállás függ mchiki fszültségtől (): Elktroszttikus mozgtás h két tst között fszültség v, kkor köztük rőhtás lép fl. ábr Elktroszttikus rőhtás rdszr mukájár z lábbi gyltk írhtók fl (-): ( ) W F dx Q Q ( ) W C C C C () gyltb z átlkítás ok, hogy Q-t kostsk tétlzzük fl dw h most -r (z rőr) vgyuk kívácsik, kkor dx ()-t (émi átlkítás utá) ()-b hlyttsíthtjük b, mlyt gy osztássl átrdztük (): dw dw dc Q dc dc F dx dc dx C dx dx z lpjá két tst közt htó rő (): dc Fx dx mikrordszrkb sokkl gyobb jltőség v z lktroszttikus rőhtásokk, mit mkroszkópikus rdszrkb k ok kpcitás (8) összfüggésék driválásávl, kpcitás mgváltozásák mgfigylésévl tlálhtó mg (5): dc A ~ F dd ε d z, hogy kifjzés ráyos z rővl () lpjá bláthtó (5) kifjzésből látszik, hogy mivl mértk csökkésévl A és d ugyoly sbsséggl csökk, zért z rő m változik zob mértcsökkéssl tömg -szoros csökk, vgyis jóvl gyobb z lktroszttikus rők htás kis mértk sté! A kpcitív átlkítók () összfüggés szriti driváltj lgy T (6): Ngy Grgly Mikrordszrk szilárdságt

5 T df d dc dx gy kodzátor kpcitásák mgváltozáskor árm folyik, mly dfiíció szrit töltés időbli mgváltozásávl gylő (7): i dq dt d dt ( C ) d dc C + dt dt ftikb szorzásr votkozó driválási szbályt lklmztuk z lső tgot frkvcitrtomáyb átvív, másodikt pdig tovább lkítv kövtkzőt kpjuk (8): dc i j ω C u + u dx T dx dt { lmz sbsség láthtó, hogy második tg lső téyzőj korább bvzttt T, második pdig fgyvrztk lmozdulási sbsség így z árm kifjzés (9): i j ω C + T v z rőr kövtkző flbotást lklmzhtjuk, ugyis kizárólg és x függvéy (5): df df df d + dx d dx második tg () driválásávl kphtó mg (5): df d C dx dx így (5)-b bhlyttsíthtük (5): d C F f dx (, x) T d + x (9) és (5) gyltk írják l rdszr od-vissz htásit (fszültség-lmozdulás), és T gyütthtó dj mg krsztffktusokt második tg (5)-b tuljdoképp gy rugóálldó, mi kpcitás hly szriti második driváltjávl gylő síkkodzátor sté rugóálldó (8) összfüggés hly szriti kétszrs driválásávl kphtó mg (5): d C A ε dd d comb driv sté kpcitás (5): C kost x + C tljs átlkító rdszr hlyttsítőkép kövtkző ábrá láthtó:. ábr Az átlkító rdszr hlyttsítőkép z átlkító (9) és (5) gyltk áltl lírt rdszr hozzácstolt mchiki rdszr impdciáj (55): Z mch j ω m + + r m j ωs hol r m : mchiki llállás z lktromos impdciár kövtkző összfüggés kphtó (56): Zmch Z lktromos j ω C T z z gylt írj l tljs rdszrt, hisz trtlmzz kpcsoltot mchiki és lktromos részrdszrk között: z lktromos oldlról látszik mchiki impdci z lktrokkusztikáb ugyz z gylt írj l kodzátorhgszórót ott lsz rzoci frkvci, hol z lktromos impdciák mximum v Digitl Micromirror Dvic (DMD) lplv, hogy gy rúdo tglys lforgt gy tükröt, mly így rávtülő féyt hol z optikáb, hol gy féylylőb vtíti mid képpothoz trtozik gy tükör, mlyt lktroszttikus forgtk l (± ), és z átbillésk 6 µs ltt mg kll törtéi tükör ltt gy kis sttikus mmóricll tárolj tükör állpotát (zért v szükség sttikus mmóriár, mrt tükröt rős xo lámpávl világítjuk mg, mik féy képs gy dimikus mmóricll trtlmát töröli) számolásál gyszrű síkkodzátork tkitjük tükröt, mly lforduláskor is síkkodzátorkét változttj kpcitását. ábr A mikrotükör modllj tükör szélsség lgy w x lgy két szélső érték átlg (57): x + x x függőlgs iráyú lmozdulást líró függvéy (58): y y x ϕ kzdti kpcitás (59): ( x x) w C ε y kpcitás (6): ( x x) w C C ε yomték (6): x y y ϕ x y ϕ Ngy Grgly 5 Mikrordszrk szilárdságt

6 x dc y M C dϕ x y y yomték függvéy grfikoj kövtkzőképp éz ki: z átkpcsolás sbsség rzoci frkvciából kphtó, mly khz-r dódik, így z átkpcsolás lggyorsbb körülblül µs ltt törtéht mg 5. ábr A yomték grfikoj görbék három mtszéspotj v z M kost ϕ gyssl, mi zt jlti, hogy z gy többállpotú rdszr két szélső állpot stbil, közbső istbil (ϕ mx -ál v flütközés, vgyis kkor ér l z ütközőig tükör szél) Elktromchikus kpcsoló z rlé MEMS mgvlósítás 6. ábr A MEMS rlé lhjló rész gy kozol korábbiktól yib külöbözik, hogy losztott rő ht rá z zob csk yi külöbségt okoz, hogy (7) gyltb vzőb kosts m három, hm yolc (6): l s F 8 E I másodrdű yomték () lpjá (6): b I L,8 lhjlás 6 V htásár (6): dc l S L, dx 8 E I m µ m Ngy Grgly 6 Mikrordszrk szilárdságt

7 Trmikus lv működő rdszrk Trszport jlségk lírás z lktromos vztésk v trmikus htás gy -típusú félvztőb z rgiármlás: o lktromos (töltéshordozók ármlás) o hővztés (rácsrzgésk foo ármlás) Az lktromos trszport gy -típusú félvztőb tljs ármsűrűség (): q µ E + q D grd sodródási árms. diffúziós árms. hol : ármsűrűség vktor q: lktro töltés : lktrosűrűség µ : lktorok mozgékoyság E: lktromos térrősség D : diffúziós álldó sodródási ármsűrűségt külső lktromos tér, diffúziós ármsűrűságt koctráció külöbség okozz mozgékoyság és diffúziós álldó közti kpcsoltot z Eisti összfüggés dj mg (): D kt µ q hol k: Boltzm álldó (,8 - VAs/K) T: hőmérséklt z Eisti összfüggés jobb oldlá álló kifjzést hívják trmikus fszültségk ( T ) lkítsuk át ()-t (): q µ D grd E + µ áltláos mozgtó rő zárójlb lévő kifjzést hívják áltláos mozgtó rők (golul: grl drivig forc) koctráció (): WF xp k T hol : itrisic töltéshordozó sűrűség W F : Frmi-potciál vgyük () grdisét (hly szriti mgváltozását) (5): WF WF grd grd xp grd xp k T k T driválást végzzük l (z összttt függvéyk driválási szbály lpjá ( ( f o g) ( f o g) g )) (6): WF grd xp grd WF { k T k T g ( f og) vgyük (6) és () háydosát (7): grd grd W F k T zt z rdméyt ()-b bhlyttsíthtjük (és D -t z Eisti összfüggésből kifjzzük) (8): µ k T q µ + E grd WF q µ k T z gyszrűsítésk utá (9): WF q µ E + grd q z E rőtér gy potciáltér gtív grdis (): E grd zt (9)-b bhlyttsítv (): így bvztv -t (): Ngy Grgly Trmikus lv működő rdszrk W F q µ grd q q µ grd fjlgos lktromos vztőképsség (σ ) (): σ q µ így () továbblkításávl végül mgkptuk diffrciális Ohm-törvéyt (): σ E hszáltos gy másik lkj is, mly () lpjá kphtó (5): E σ grd A stcioárius hőtrszport hőármlásr (5)-l lóg összfüggés kphtó (6): ( ) p λ grd T hol p: hőárm fluxus λ: fjlgos hővztés z lógi tovább is vihtő, z gys myiségkk mgv trmikus párj: Elktromos Trmikus σ λ p T hőmérséklt külöbség fll mg fszültésgk, és v hőllállás, és hőkpcitás hőforrások ármgrátork fllk mg z rgi szbdsági fokokét k T mértékb trjd rácsrzgésk formájáb z z rgikvtum foo Töltés- és hőármlás gyszrr () és (6) gyltk írják l zokt z stkt, mikor gydül töltésármlás, vgy hőármlás v h két folymtot gyszrr szrték vizsgáli, és így iformációt szrzi krszthtásokról is, kkor oly gyltkr kll jutuk, hol fti két összfüggésb mgjlik gy-gy új tg: z lktromos ármsűrűség függés hőmérséklttől, illtv hőármlás függés z lktromos térrősségtől zt két kibővíttt gyltt Boltzm összfüggéskből lht lvzti (7-8): ( 7) σ E S σ grd T ( 8) p T S σ E + ( λ + T S σ ) grd T hol S: Sbck álldó (ygi jllmző)

8 további tárgylások lpj fti cstolt diffrciálgyltrdszr kövtkzőkb zt oldjuk mg külöböző prmfltétlk mlltt, és így yrjük z gys jlségk lírását A trszport jlségk lsti Nics hőmérséklt külöbség vgyis: grd T (7)-ből diffrciális Ohm-törvéy () dódik (8)-l itt m fogllkozuk (ld. Pltir-htás) Nics ármsűrűség vgyis: (7) lkj így (9): σ E S σ grd T (9)-t átlkítv (): E S grd T () lpjá ()-t itgrálv (): S ( T T ) vgyis ull ármsűrűség mlltt hőmérséklt külöbség sté Sbck álldóvl ráyos fszültségt mérhtük z Sbck-ffktus z pici fszültségt jlt: o fémkél: ~ mv/k o félvztőkél: ~ mv/k A Pltir-htás Pltir-htás flhszálásávl lktromos ármml hőt tuduk pumpáli tgyük fl, hogy ics hőmérséklt külöbség (grd T ) kkor (7)-ből diffrciális Ohm-törvéy () dódik, mlyt itt érdms átlkíti (): E σ (8) kövtkző lkr gyszrűsödik (): p T S σ E hlyttsítsük b ()-t ()-b (): p T { S Π bvztjük Pltir-gyütthtót (Π), így (5): p Π (5) zt jlti, hogy z lktromos ármsűrűség hőármlássá lkul, k mérték pdig z ygr jllmző Pltir-gyütthtó thát (5) összfüggés lpjá vgyuk képsk hőt pumpáli ármml így működk z utós hűtőtáskák tgyük gymás mllé két ygot, mlykk külöböző Pltir-gyütthtójuk. ábr Pltir-lvű hőpumpálás z ábrá láthtó stb (6): ( Π Π ) p zok z ygok hszálhtók jól, mlykr: o Π gy o λ kicsi ily yg bizmut tllurid (Bi T ) z gy félvztő, mlyt z -, illtv p-típusúvá tév lltéts lőjlű lsz Pltir-gyütthtój (és Sbck-gyütthtój is) z gyébkét mid félvztőr igz így gykorltb kövtkzőképp lht mgépíti gy hűtőtáskát:. ábr Pltir-lvű hűtőtásk működés működés lpj, hogy külöböző dlékolt oszlopok Pltir-gyütthtój lltéts lőjlű, thát ugyoly iráyú árm sté lltéts iráyb lsz hőárm itt két oszlopo lltéts iráyb folyik át z árm, zért hőármlás ugyoly iráyú lsz trmészts z lsó, és flső jó hővztő képsségű réz lmzkt l kll szigtli gymástól, hogy hőmérséklti szétválsztás létrjöjjö körülblül W tljsítméy bfkttésévl kár C külöbség is lérhtő Tiszt hővztés st kkor, és grd T Thomso-ffktus gy V térfogtb időgység ltt kltkző hő (7): { E div p Ngy Grgly Trmikus lv működő rdszrk Q oul hő hol Q: trmlődő hő E: lktromos trmlődő hő div p: V-ből ltávozó / od érkző hő E-t diffrciális Ohm-törvéyből () kifjzzük, és (7)-k vsszük divrgciáját (8): Q σ ds λ div grd T T grd T dt divármlás hő j ffktus T homso bvzthtő Thomso-álldó (µ) (9): ds µ T dt Thomso-htás m jltős htású Hőmérséklt érzéklők Trmollállás (trmisztor) lggyszrűbb mgoldás: llállás oly ygból, mik vztőképsség rős hőfüggő flhszálhtók célr fémk, és félvztők fémk közül lklms például plti (Pt), mik hőfüggés érzéklhtő és stbil

9 hőfüggést jllmző z lábbi lkb dják mg (): ( T) R + A T + B R T hol R : vztőképsség C-o félvztők közül dódik szilícium hszált z itrisic Si-k jó hőfüggés, d jllmző m áll rdlkzésr ily (lpszltk áltláb p-típusú dlékoltk) z dlékolt félvztőkk kicsi hőfüggés, mivl z, z dléktomok számától függ, mi hőmérséklttl m változik jltős A p-átmt, mit hőmérséklt érzéklő mérő kpcsolás: kosts ármú mukpotb tsszük, és fszültségét mérjük fszültség mgváltozását z I mukpotb muttj z lábbi ábr:. ábr A p-átmt, mit hőmérséklt érzéklő diód krktrisztik (): T I I h gy ármok folyk, kkor rkombiációs árm mitt szrplő második tg (-) lhygolhtó, így (): I I bből mgkphtó yitófszültség (): I l T I fszültésg hőfüggés driválássl kphtó (): I T l d g T I mv dt T C hol g : tiltott sáv szélsség figylmb kll zob vi, hogy I, és T mitt hőmérsékltfüggés is hőfüggő z htás szilíciumál m jltős, d -5 félvztőkél már ig gykorlti stkb (d / dt)-t méréskkl kll mghtározi, zt hívják klibrációk godot okoz még diód sját mlgdés, ugyis rjt átfolytott árm flmlgíti őt mitt kis ármú mukpotb állítjuk b diódát (szzor árm), bb z stb viszot m hygolhtó l rkombiációs árm, vgyis () már m érvéys közlítés rkombiációs árm áltl okozott ltérést bipoláris trzisztorokkl krülhtjük l, ugyis bázis lég ksky hhoz, hogy jusso lég idő rkombiációr T PTAT hőmérséklt érzéklő PTAT: proportiol to bsolut tmprtur zk oly szközök, mlyk m rltív hőmérséklt külöbségt érzéklk, hm z bszolút hőmérsékltr érzékyk gy kpcsolást mutt z lábbi ábr. ábr PTAT szzor kpcsolás () lpjá két potciál (-5): I ( ) T l I I (5) T l I két pot közti fszültségt két fti gylt külöbségék képzésévl kpjuk mg (6): Ngy Grgly Trmikus lv működő rdszrk T l I I I l I kihszálv, hogy l l b l (7): b T l kifjtv T -t és rdzv (8): k T k l l T q q kos ts zt kpjuk thát, hogy kimti fszültség gys ráyos z bszolút hőmérséklttl A trmofszültség érzéklés z érzéklés lpj Sbck-ffktus z lpkpcsolás lyoutj kövtkző: 5. ábr Trmofszültség érzéklés mért fszültség thát (9): S T T ( ) hol S z Si-Al Sbck-álldój ( mv / C ) mivl z szrkzt hőmérséklt külöbségt mér, hívják grdis-szzork (gol v: thrmo pil) gykorltb sorb kötük több llállást, hogy gyobb fszültségt mérhssük

10 hőmérséklt változás ráyos fűtőtljsítméyl ( T ~ P), kimti fszültség ( ki ) pdig Sbckffktus mitt ráyos hőmérséklt változássl ( ki ~ T), így (): ~ ki b T -s izotrmához trtozó kotktusokt z llálláshoz közl, T -skt távol kll lhlyzi, így T körülblül köryzt hőmérséklt lht m mérhtjük zob ttszőlgs gy frkvciájú jl RMS-ét, ugyis szilícium hőtrjdés szmpotjából oly, mit gy RC tápvol (mi lulátrsztő szűrőkét vislkdik) 6. ábr Grdis-szzor z ábrá láthtó struktúráb z gyszrs struktúr fszültségék háromszorosát tudjuk méri Trmikus fukcioális ármkörök RMS mérő trmikus jlségkt hszáluk ki például gy váltkozó árm RMS- (ffktív érték) dfiíció szrit z z gyármú érték, mly gy priódus ltt vlmly llálláso ugykkor hőrgiát trml, mit vizsgált priodikus árm zért gy grdis-szzorrl mérhtük RMS-t z lábbi kpcsolásb 8. ábr A szilícium hővztés szmpotjából RC tápvol z érzékység úgy övlhtő, h övljük mlgdést hővztési szmpotból l kll szigtli szzort külvilágtól z MEMS tchológiávl törtéht úgy, hogy gy mmbráo hlyzzük l mérő ármkört, mi lól ki v mrv szilícium így mgő köryzt flé tusított hőllállás, és mlgítdő yg is kisbb (kisbb hőkpcitás), így kisbb időálldó érhtő l, vgyis gyobb frkvciájú jl mérhtő (f htár ~ / d csíkszélsség ) gykorltb htárfrkvci ~ khz hsoló lv készíthtő égy gyds szorzó is Trmikus lvű szzorok ly szrkztt lkítuk ki, mlyk mlgdés ráyos gy fiziki ffktussl mlgdést lktromos jllé lkítjuk Ifr sugárzás érzéklés gy lklms yggl lyltjük z ifr sugárzást z lylés mitt z yg flmlgszik fotos, hogy k z ygk gy lgy hőllállás z yg közléb lhlyzük gy hőérzéklőt zért, hogy z gész mérő kpcsolás hőszigtlt lgy köryzttől, gy kozolo hlyzzük l 7. ábr RMS mérő lyoutj z Sbck-ffktust kihszáló gyszrs struktúr fszültségék htszorosát mérjük úgy, hogy kihszáljuk, hogy közép lhlyzkdő fűtőllállás ét oldlá szimmtrikus hőloszlás bmti fszültség ( b ) z, mivl fütőllállást mlgítjük fűtőtljsítméy b -ből számíthtó (): P R b fű tő hőllállás (): 9. ábr Ifr sugárzás mérés l λ A 8 λ Si W / mk R th K W Ngy Grgly Trmikus lv működő rdszrk

11 ()-b kpott llállás gy ig gy érték diód érzéklési küszöb: diód µ V így lgkisbb érzéklt hőmérséklt külöbség (9) lpjá, és félvztőkr jllmző S ~ mv / K bhlyttsítésévl: T, C z érzéklt hőmérséklt külöbség (): T R th P l ylt z lylt tljsítméy thát: T Pl ylt,8 W R th tljsítméy-sűrűség (): Pl ylt Pl ylt mw,7 A d d cm z érzéklési küszöböt m érdms gy bizoyos szit lá vii, mrt már csk zjt mérhtük (ld. később, Az érzéklés lvi htár potb) biztosíti kll, hogy R th csökkhss, vgyis lgy kovkciós vsztség zért érdms vákuumb hlyzi z szközt h kívácsik vgyuk z érzéklő időálldójár, mg kll bcsülük C th -t is térfogt: V W s fjhő:,67 m K z időálldó (5): τ R th Cth 9 µ s m thát z átármlott gáztérfogt ráyos lsz fűtőtljsítméyl (6): V gáz ~ P fű tő hűtés gáztérfogt gyökévl ráyos (7): hű tés ~ V gáz fűtő fszültség tljsítméy gyökévl (8): fű tő ~ így fűtőfszültség z átármlott gáztérfogt gydik gyökévl lsz ráyos (9): fű tő ~ zzl god z, hogy m liáris z összfüggés, márpdig mid mgmért myiségt vissz kll vzti vlmily mztközi tlor (ld. később, Mgmért myiségk potb) z ily módo flépülő ármlás-mérők gykorlti dti: o érzékység: ~ cm / s o trtomáy:..5 m / s P V fű tő gáz Pirái rdszrű vákuum-mérő lplv, hogy gy zárt déyb molkulák áltl szállított hőrgi trszport ráyos z déyb lévő gáz yomásávl gy hidg flú (köryzt hőmérséklté lévő), zárt déyb v gy izzított flült z déyb gyo kicsi yomás v (~vákuum), bszélhtük molkulák szbd úthosszáról, mly már m lhygolhtó kicsi z déy mértihz képst Pirái lvű vákuum-mérő lvi rjz láthtó z lábbikb: A gázármlás sbsségék mérés kihszált fiziki ffktus: hőátdás ráyos z ármlási sbsséggl hhoz, hogy mérés hlys rdméyt szolgáltsso, l kll éri, hogy koduktív hőátdás miimális lgy. ábr Pirái rdszrű vákuum-mérő lvi rjz gykorltb MEMS tchológiávl, gy kozolo lkítjuk ki mérő rdszrt gázármlás mérőhöz hsoló, itt is v gy fűtőllállásuk, és gy grdis-szzoruk, és gy szbályozó lktroik úgy állítj b fűtő fszültségt, hogy hőmérséklt álldó mrdjo. ábr Gázármlás sbsségék mérés mmbráo fűtőllállások és hőérzéklők vk flváltv így képsk vgyuk fűtőllállások köryztéb mári hőmérsékltt h gázármlás v mmbrá flülték köryztéb, kkor hőloszlás szimmtriáj mgszűik zt érzékljük gy oly lktroikávl vzérljük z szközt, mly kkor ármot hjt át fűtőllállásoko, hogy struktúr közpé (ábrá pottl jlölv) álldó lgy hőmérséklt z fűtőtljsítméy ráyos z ármlás sbsségévl (h gyorsbb ármlik gáz, jobb hűti mmbrát, thát gyobb tljsítméyl kll zt fűti). ábr Pirái vákuum-mérő MEMS mgvlósítás Ngy Grgly 5 Trmikus lv működő rdszrk

12 A mérőszközökkl kpcsoltos foglmk Az érzéklés lvi htár ois quivlt powr (NEP): z bmő tljsítméy, mi kkor jlt szolgáltt kimt, mi mggyzik z szköz sját zjávl NEP mid struktúrár z érzékység lvi htár diód zjfszültségék égyzt (5): zj k T T diff { f észllés sávszélsség z Hz-, µv-ot jlt gykorlt szrit z µv-os küszöb még értlms jlt szolgáltt Mgmért myiségk mid mgmért myiségt vissz kll vzti vlmily mztközi tlor thát bármly mérőszköz kimt végül vlmily oly myiség kll lgy, mlyt vlmily mztközilg lismrt szbváyügyi szrvzt rögzíttt Amrikáb ily szrvzt NIST (Ntiol Istitut of Stdrds) z SÁ-b gy mérőszközt kkor lht bvzti, h z ú. NIST-trcbl, vgyis kimt vissz v vztv gy NIST áltl rögzíttt mértékgységr Ngy Grgly 6 Trmikus lv működő rdszrk