SZENZOROK ÉS MIKROÁRAMKÖRÖK 9. ELŐADÁS: MECHANIKAI ÉRZÉKELŐK I: NYOMÁS ÉS ERŐÉRZÉKELŐK 2014/2015 tanév 2. félév 1 1. Mechanikai érzékelők 2. Piezorezisztív effektus félvezetőkben 3. Si alapú nyomásérzékelők 2 1
MECHANIKAI DEFORMÁCIÓ ÉRZÉKELÉS Piezorezisztív hatás: fémeknél kisebb, félvezetőknél nagyobb mértékben megváltozik a vezetés alakváltozás (nyúlás) hatására. Piezojunction effektus: a külső erő hatással van a pn átmenetek karakterisztikájára is. A MOSFET-ek szaturációs árama nyomásfüggő. Piezoelektromos hatás: néhány anyag polarizálódik külső mechanikus erő hatására. Gyakran használják mechanikus vagy akusztikus jelek elektromos jellé alakítására. Piezoelektromos anyagok pl: GaAs, GaP, ZnO, ZnS, ZnSe stb. Kapacitásváltozás. 3 MECHANIKAI ÉRZÉKELŐK 4 2
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 Blaise Pascal (1623-1662) francia matematikus, fizikus, filozófus 5 NYOMÁS MÉRTÉKEGYSÉGEK 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) 6 3
SZILÍCIUM ALAPÚ MECHANIKAI ÉRZÉKELŐK Szilícium alapú mechanikai érzékelők előnyös tulajdonságai: Jól definiált elektromos tulajdonságok mellett rendkívül jó mechanikai tulajdonságok. Jelentős méretcsökkentés lehetőségei. Tömeggyárthatóság. Integrálhatóság. 7 A SZENZOROK ÁLTALÁNOS FELÉPÍTÉSE 8 4
KLASSZIKUS DEFORMÁCIÓÉRZÉKELŐ Ellenállás-változáson alapuló szenzor: a nyúlásmérő bélyeg 9 NYÚLÁSMÉRŐ BÉLYEG 10 5
NYÚLÁSMÉRŐ BÉLYEG 11 NYÚLÁSMÉRŐ BÉLYEGEK TULAJDONSÁGAI 12 6
FÉMES ALAPÚ FÓLIA TÍPUSÚ BÉLYEGEK 13 PIEZOREZISZTÍV HATÁS Elektromos ellenállás és mechanikai feszültség/deformáció kapcsolata: R ρ l d w = + - - R ρ l d w Ellenállás változás okai: méretváltozás, illetve a fajlagos ellenállás megváltozása. 14 7
Piezorezisztiviás: PIEZOREZISZTÍV HATÁS ρ = Π T ρ T Π ρ - mechanikai feszültség (másodrendű tenzor) - piezorezisztív együttható (negyedrendű tenzor) - fajlagos ellenállás Piezoelektromos jelenséggel összevetve óriási előny a statikus mérés lehetősége. Régen speciális fémötvözeteket használtak ma már szilícium. A Si kb. két nagyságrenddel nagyobb érzékenységet biztosít. 15 MECHANIKAI DEFORMÁCIÓ MÉRÉSE SWNT piezorezisztív szenzor: GF kb. 1500 16 8
MEMS TECHNOLÓGIA: ESETTANULMÁNY Szilícium nyomásérzékelő technológiai fejlődése 17 Si NYOMÁSÉRZÉKELŐ TECHNOLÓGIAI FEJLŐDÉSE Discovery phase (1947-1960) Basic technology development phase (1960-1970) 18 9
Si NYOMÁSÉRZÉKELŐ TECHNOLÓGIAI FEJLŐDÉSE Batch processing phase (1970-1980) Micromahining phase (1980-) Ma filléres tömegtermék, igen elterjedt az iparban, közszükségleti cikkekben (vérnyomásmérő, gépkocsi,stb.) 19 PIEZOREZISZTÍV ÁTALAKÍTÓK A Si alapú piezorezisztív érzékelők előnyös tulajdonságai: A fémekhez képest több mint egy nagyságrenddel nagyobb érzékenység. A Si kiváló mechanikai tulajdonságai. Az érzékelő/átalakító elem és a membrán egybe integrálható, így nincs hiszterézis és paraméter csúszás. A mechanikai deformáció tökéletesen átadódik a membránból az átalakító elembe. Az érzékelő ellenállások közvetlenül a deformálódó (meghajló vagy csavarodó) elem legfelső rétegében helyezkednek el, ott ahol a keletkezett mechanikai feszültség a legnagyobb. Az ellenállások értéke pontosan beállítható, ez a Wheatstone hidas jelfeldolgozásban különösen előnyös. 20 10
A Si PIEZOREZISZTÍV TULAJDONSÁGAI 21 A PIEZOREZISZTIVITÁS 22 11
PIEZOREZISZTÍV EGYÜTTHATÓ Az érzékelőkben leggyakrabban előforduló esetek; Longitudinális és tranzverzális piezorezisztív együttható. 23 PIZOREZISZTÍV EGYÜTTHATÓK MÉRÉSE Mérési elrendezések a három piezorezisztív együttható méréshez 24 12
PIEZOREZISZTÍV EGYÜTTHATÓ Koordiáta-transzformációval a mechanikai feszültség és az elektromos erőtér közötti összefüggés tetszőleges irányban (koordinátarendszerben) meghatározható. A gyakorlatilag szóbajöhető irányokban: 25 PIEZOREZISZTÍV EGYÜTTHATÓ (Si) 26 13
PIEZOREZISZTÍV EGYÜTTHATÓ (Si) A piezorezisztív együttható koncentráció és hőmérsékletfüggése szilíciumban Az együttható növekvő koncentrációval és hőmérséklettel csökken. A gyakorlatban a kis TK érdekében nagy adalékkoncentrációt használnak még az érzékenység romlása árán is. 27 ELLENÁLLÁS VÁLTOZÁS 28 14
MEMBRÁN KIALAKÍTÁSOK: MIKROERŐMÉRŐ Telemembrán, illetve kereszthidas kialakítású erőmérő szerkezetek 29 MIKROERŐMÉRŐ SZENZOR SZERKEZETE 50 µm telemembrános mikro-erőmérő szenzor. 30 15
MIKROERŐMÉRŐ SZENZOR SZERKEZETE 50 µm kereszthidas mikroerőmérő szenzor. 31 WHEATSTONE HÍD ELRENDEZÉS 32 16
MIKROERŐMÉRŐ: JELKIOLVASÁS A referencia és piezoellenállások fizikai és áramköri elhelyezése 33 SZILÍCIUM PIEZOREZISZTÍV NYOMÁSMÉRŐ Felépítés: tömbi mikromegmunkálással kialakított négyzetalakú membrán, a peremén piezorezisztív ellenállások. Wheatstone híd; az egyes hídágakban a mechanikai feszültség ellentétes irányú. A négy él mentén azonos ellenállások, a tranzverzális és longitudinális irányok váltakozóan beállítva. U ki (p) = I S R p I áthajtott áram, S anyagi állandóktól és geometriától függő tényező. Linearitási hiba 0,5-1 %. 34 17
MIKROELEKTRONIKAI NYOMÁSÉRZÉKELŐ Tömbi mikromegmunkálással készült nyomásérzéklő alkáli hidroxid maróeleggyel kialakított szilícium (n-típusú) membránnal. A membrán behajlásából eredő alakváltozást bór adalékolással (diffúzió) kialakított piezoellenállások érzékelik és alakítják át villamos jellé. 35 PÉLDÁK MEGVALÓSÍTOTT ÉRZÉKELŐKRE 36 18
PIZOREZISTIVE PRESSURE SENSOR Die size 105 mil. x 105 mil. (2.67 mm x 2.67 mm) Thickness of diaphragm < 1 mil. (25 µm) RESEARCH INSTITUTE FOR TECHNICAL PHYSICS AND MATERIALS SCIENCE, BUDAPEST MICROTECHNOLOGY DEPARTMENT www.mfa.kfki.hu/laboratories Pressure sensors - wafer processing piezoresistive (pressure ranges from 0.4bar up 600bar) ion implanted piezoresistors double side alignment KOH backside etching for membrane formation (50-200µm) 19
HŐMÉRSÉKLETFÜGGÉS 39 PIZOREZISZTÍV NYOMÁSÉRZÉKELŐ: HŐFOKKOMPENZÁCIÓ 40 20
FÜGGÉS AZ ADALÉKKONCENTRÁCIÓTÓL (Si) Az érzékenység (π44) és a hőmérsékleti együtthatók függése az adalékkoncentrációtól Két adalékkoncentráció-érték közelében a két hőmérsékleti egyenlő nagyságú de ellentétes előjelű! 41 HŐMÉRSÉKLET-KOMPENZÁLÁS Piezorezisztív nyomásérzékelő passzív hőmérsékletkompenzációja. A híd kimenőjele a T növekedésével csökken. R, R 0 fém-ellenállások, KTY10 Si ellenállás-hőérzékelő. 42 21
AKTÍV HŐMÉRSÉKLET-KOMPENZÁLÁS A híd kimenőfeszültsége T növekedésekor csökken. Ezt OP1 erősítése növelésével lehet kompenzálni (Si ellenállásérzékelő). P1-nulla pont állítás, P3 és OP4: kimenet szinteltolása. 43 SPECIÁLIS SZENZOROK 44 22
45 The figure illustrates the differential or gauge configuration in the basic chip carrier. A silicone gel isolates the die surface and wire bonds from the environment, while allowing the pressure signal to be transmitted to the silicon diaphragm. The MPX2050 series pressure sensor operating characteristics and internal reliability and qualification tests are based on use of dry air as the pressure media. Media other than dry air may have adverse effects on sensor performance and long term reliability. 46 23
KAPACITÍV ÉRZÉKELÉS ELVE 47 KAPACITÍV NYOMÁSÉRZÉKELŐ Párhuzamos fegyverzetű kondenzátor. Az egyik egy fémezett üveglap, a másik egy vékony Si membrán, a kettő 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 különböző hőmérsékleti tényezők okozta problémát. A referenciakamra helyett olyan kamra is használható, melyet szellőzőcsatorna köt össze a külvilággal. 24
KAPACITÍV NYOMÁSÉRZÉKLEŐ 49 KAPACITÍV ÉRZÉKELŐ TECHNOLÓGIÁJA Capacitive pressure sensor Cross-section and fabrication steps EMSi etching The sensor chip after EMSi etching 50 25
KAPACITÍV NYOMÁSÉRZÉKELŐ capacitive (10mbar - 1bar) double side alignment alkaline etching for membrane formation (ECES) membrane thickness 10-20 µm counter electrode on anocally bonded Pyrex glass, optional: Si-Si direct wafer bonding 52 26
53 KAPACITÍV SZENZOR Felületi mikromegmunkálással készített kapacitív szenzor és referencia cellák. Négyzetes cella, kb. 70x70 µm, kapacitás kb. 150 ff, érzékenység néhány ff/bar. 14 cella párhuzamosan (nagyobb érzékenység, nagyobb SNR). Két szenzor egység és két referenciaegység hidat alkot. (Infenion KP100) 54 27
KAPACITÍV HÍD: JEL KIOLVASÁSA A híd egyenletében az ellenállások helyett az 1/jωC impedancia szerepel. Kimeneti pontok szigeteltek szivárgási áramok driftet okoznak. Drift eliminálása AC és nagyértékű előfeszítő ellenállások, vagy DC meghajtás és periodikus reset kapcsoló révén. 55 NYOMÁSÉRZÉKELŐ IC 1 NMOS tranzisztor 2 PMOS tranzistor 3 poli-si membrán 4 oxid tömb 5 üreg 6 Si szubsztrát Membrán: Si mikrogépészeti megmunkálás, szelektív marással. A nyomás hatására a poli-si membrán és a hordozókristály közötti kapacitás megváltozik. Beilleszthető a meglévő CMOS technológiai sorba. 56 28
JELFELDOLGOZÁS Kapacitív integrált nyomásérzékelő IC chip architektúrája (Infenion KP100) 57 NYOMÁSÉRZÉKELŐK ÖSSZEHASONLÍTÁSA Paraméter Si-piezo- Fém- Si-kapacitív ellenállás ellenállás Átalakítási tényező * 1 0,02 - Nyomás érzékenység 1 0,002 10 Lineartási hiba 1 0,5 5 Nulla hiba 1 1 10 TK (nulla hiba) 1 1 1 TK (érzékenység) 1 0,05 0,05 Hőmérsékl. hiszterézis 1 1 0,25 Stabilitás 1 0,5 0,5 Geometriai méret 1 10 1 Ár 1 10 - * G.F. (gauge-factor): ( R/R)/( L/L) 58 29