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

Hasonló dokumentumok
MIKROELEKTRONIKAI ÉRZÉKELİK I

SZENZOROK ÉS MIKROÁRAMKÖRÖK

MIKROELEKTRONIKAI ÉRZÉKELİK I

SZENZOROK ÉS MIKROÁRAMKÖRÖK

Mérés és adatgyűjtés

9. Laboratóriumi gyakorlat NYOMÁSÉRZÉKELŐK

Hiszterézis: Egy rendszer kimenete nem csak az aktuális állapottól függ, hanem az állapotváltozás aktuális irányától is.

Mechanikai érzékelők I. Érzékelési módszerek

MEMS, szenzorok. Tóth Tünde Anyagtudomány MSc

Mérőátalakítók Összefoglaló táblázat a mérőátalakítókról

Nyomás fizikai állapotjelző abszolút és relatív fogalom

1. ERŐMÉRÉS NYÚLÁSMÉRŐ BÉLYEG ALKALMAZÁSÁVAL

MEMS eszközök redukált rendű modellezése a Smart Systems Integration mesterképzésben Dr. Ender Ferenc

MEMS TECHNOLÓGIÁK MEMS-EK ALKALMAZÁSI PÉLDÁI

1. ábra A Wheatstone-híd származtatása. és U B +R 2 U B =U A. =0, ha = R 4 =R 1. Mindezekből a hídegyensúly: R 1

Mérésadatgyűjtés, jelfeldolgozás.

Moore & more than Moore

2. Érzékelési elvek, fizikai jelenségek. a. Termikus elvek

MÉRÉSI UTASÍTÁS. A jelenségek egyértelmű leírásához, a hőmérsékleti skálán fix pontokat kellett kijelölni. Ilyenek a jégpont, ill. a gőzpont.

2. Érzékelési elvek, fizikai jelenségek. b. Ellenállás, ellenállás változás

Mérés és adatgyűjtés

Jegyzetelési segédlet 8.

Minden mérésre vonatkozó minimumkérdések

Orvosi jelfeldolgozás. Információ. Információtartalom. Jelek osztályozása De, mi az a jel?

FIZIKA II. Egyenáram. Dr. Seres István

Integrált áramkörök/2. Rencz Márta Elektronikus Eszközök Tanszék

A nyomás mérés alapvető eszközei

Analitikai szenzorok második rész

Mechanikai érzékelők II. Szenzorok

1. Egy lineáris hálózatot mikor nevezhetünk rezisztív hálózatnak és mikor dinamikus hálózatnak?

Anyagvizsgálati módszerek

Bevezetés a. nyúlásmérő bélyeges méréstechnikába

A töltőfolyadék térfogatváltozása alapján, egy viszonyítási skála segítségével határozható meg a hőmérséklet.

Óbudai Egyetem Kandó Kálmán Villamosmérnöki Kar Mikroelektronikai és Technológia Intézet

Bevezetés az analóg és digitális elektronikába. V. Félvezető diódák

Oszcillátorok. Párhuzamos rezgőkör L C Miért rezeg a rezgőkör?

GŐZNYOMÁS MÉRÉSE SZTATIKUS MÓDSZERREL

Bevezetés a méréstechnikába és jelfeldolgozásba. Tihanyi Attila 2007 március 27

Intelligens Rendszerek Elmélete. Technikai érzékelők. A tipikus mérőátalakító transducer

Aktuátorok korszerű anyagai. Készítette: Tomozi György

Anyagvizsgálatok. Mechanikai vizsgálatok

3. Laboratóriumi gyakorlat A HŐELLENÁLLÁS

2. Ideális esetben az árammérő belső ellenállása a.) nagyobb, mint 1kΩ b.) megegyezik a mért áramkör eredő ellenállásával

MIKROELEKTRONIKAI ÉRZÉKELŐK I

Tételek Elektrotechnika és elektronika I tantárgy szóbeli részéhez 1 1. AZ ELEKTROSZTATIKA ALAPJAI AZ ELEKTROMOS TÖLTÉS FOGALMA 8 1.

Elektromechanikai rendszerek szimulációja

MP 210. Nyomás-légsebesség-hőmérsékletmérő. Jellemzők. Kapcsolat. Típusok (további érzékelők külön rendelhetők)

Érzékelők és beavatkozók

Standard cellás tervezés

Összefüggő szakmai gyakorlat témakörei

MIKRO-TÜKÖR BUDAPEST UNIVERSITY OF TECHNOLOGY AND ECONOMICS DEPARTMENT OF ELECTRONICS TECHNOLOGY

ÉRZÉKELŐK ÉS BEAVATKOZÓK I. 3. MÉRÉSFELDOLGOZÁS

Hidraulikaolaj Ütőszilárdság max. Nyersanyag:

TANMENET FIZIKA. 10. osztály. Hőtan, elektromosságtan. Heti 2 óra

Intelligens Rendszerek Elmélete IRE 3/51/1

Intelligens Rendszerek Elmélete. Technikai érzékelők

Jelenlét, pozíció, elmozdulás érzékelők

III. félvezetők elméleti kérdések 1 1.) Milyen csoportokba sorolhatók az anyagok a fajlagos ellenállásuk alapján?

Nyomáskapcsolók, Sorozat PM1 Kapcsolási nyomás: -0,9-16 bar Mechanikus Elektr. Csatlakozás: Dugó, ISO 4400, Form A Rugóterhelésű tömlő, beállítható

Földzaj. Földzaj problémák a nagy meghajtó képességű IC-knél

Szeletkötés háromdimenziós mikroszerkezetekhez

Forgójeladók (kép - Heidenhain)

ELLENÁLL 1. MÉRŐ ÉRINTKEZŐK:

Speciális passzív eszközök

A jövő anyaga: a szilícium. Az atomoktól a csillagokig február 24.

Vízgépészeti és technológiai berendezésszerelő Épületgépészeti rendszerszerelő

A sűrített levegő max. olajtartalma Ütőszilárdság max. (XYZ-irány) Rezgésállóság (XYZ-irány) Pontosság %-ban (a végértékhez képest) Kapcsolási idő

Elmozdulás mérés BELEON KRISZTIÁN BELEON KRISTIÁN - MÉRÉSELMÉLET - ELMOZDULÁSMÉRÉS 1

Elvonatkoztatási szintek a digitális rendszertervezésben

H-2040 Budaörs, Komáromi u. 22. Pf Telefon: , Fax:

Réz - szén nanocső kompozit mikroszerkezete és mechanikai viselkedése

7. Laboratóriumi gyakorlat KIS ELMOZDULÁSOK MÉRÉSE KAPACITÍV ÉS INDUKTÍV MÓDSZERREL

G04 előadás Napelem technológiák és jellemzőik. Szent István Egyetem Gödöllő

Áramköri elemek. 1 Ábra: Az ellenállások egyezményes jele

5. Laboratóriumi gyakorlat. A p-n ÁTMENET HŐMÉRSÉKLETFÜGGÉSE

Biokémiai. A szenzorok osztályozása az érzékelendő jelenségek alapján

3. Érzékelési módszerek, alkalmazások. d) Kémiai érzékelés

2011. Május 4. Önök Dr. Keresztes Péter Mikrochip-rendszerek ütemei, metronóm nélkül A digitális hálózatok új generációja. előadását hallhatják!

Elektronika Előadás. Műveleti erősítők felépítése, ideális és valós jellemzői

KÖZEG. dv dt. q v. dm q m. = dt GÁZOK, GŐZÖK ÉS FOLYADÉKOK ÁRAMLÓ MENNYISÉGÉNEK MÉRÉSE MÉRNI LEHET:

Villamos tulajdonságok

Elektronika alapjai. Témakörök 11. évfolyam

Kombinációs hálózatok és sorrendi hálózatok realizálása félvezető kapuáramkörökkel

RAY MECHANIKUS KOMPAKT HŐMENNYISÉGMÉRŐ

NYÁK technológia 2 Többrétegű HDI

RÉSZLETEZŐ OKIRAT (1) a NAH /2017 nyilvántartási számú akkreditált státuszhoz

Elektromos áramerősség

Intelligens Rendszerek Elmélete IRE 8/53/1

E3S-CT11 E3S-CT61 E3S-CR11 E3S-CR61 E3S-CD11 E3S-CD61 E3S-CD12 E3S-CD62

1. Metrológiai alapfogalmak. 2. Egységrendszerek. 2.0 verzió

FIZIKA ZÁRÓVIZSGA 2015

Digitális multiméterek

2.Előadás ( ) Munkapont és kivezérelhetőség

MÉRÉSTECHNIKA. BME Energetikai Gépek és Rendszerek Tanszék Fazekas Miklós (1) márc. 1

Áramgenerátorok alapeseteinek valamint FET ekkel és FET bemenetű műveleti erősítőkkel felépített egyfokozatú erősítők vizsgálata.

Termodinamikai egyensúlyi potenciál (Nernst, Donnan). Diffúziós potenciál, Goldman-Hodgkin-Katz egyenlet.

HŐMÉRSÉKLET MÉRÉS I. Mérésadatgyűjtés, jelfeldolgozás. 2010/2011.BSc.II.évf.

Laptop: a fekete doboz

SZENZOROK ÉS MIKROÁRAMKÖRÖK

Elektrotechnika 9. évfolyam

Átírás:

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 2

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

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

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

KLASSZIKUS DEFORMÁCIÓÉRZÉKELŐ Ellenállás-változáson alapuló szenzor: a nyúlásmérő bélyeg 9

NYÚLÁSMÉRŐ BÉLYEG 10

NYÚLÁSMÉRŐ BÉLYEG 11

NYÚLÁSMÉRŐ BÉLYEGEK TULAJDONSÁGAI 12

FÉMES ALAPÚ FÓLIA TÍPUSÚ BÉLYEGEK 13

PIEZOREZISZTÍV HATÁS Elektromos ellenállás és mechanikai feszültség/deformáció kapcsolata: R l d w = + - - R l d w Ellenállás változás okai: méretváltozás, illetve a fajlagos ellenállás megváltozása. 14

Piezorezisztiviás: PIEZOREZISZTÍV HATÁS = T T - 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

MEMS TECHNOLÓGIA: ESETTANULMÁNY Szilícium nyomásérzékelő technológiai fejlődése 17

Si NYOMÁSÉRZÉKELŐ TECHNOLÓGIAI FEJLŐDÉSE Discovery phase (1947-1960) Basic technology development phase (1960-1970) 18

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

A Si PIEZOREZISZTÍV TULAJDONSÁGAI 21

A PIEZOREZISZTIVITÁS 22

PIEZOREZISZTÍV EGYÜTTHATÓ Az érzékelőkben leggyakrabban előforduló esetek; Longitudinális és tranzverzális piezorezisztív együttható. 23

PIZOREZISZTÍV EGYÜTTHATÓK MÉRÉSE Mérési elrendezések a három piezorezisztív együttható méréshez 24

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

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

MEMBRÁN KIALAKÍTÁSOK: MIKROERŐMÉRŐ Telemembrán, illetve kereszthidas kialakítású erőmérő szerkezetek 29

MIKROERŐMÉRŐ SZENZOR SZERKEZETE 50 m telemembrános mikro-erőmérő szenzor. 30

MIKROERŐMÉRŐ SZENZOR SZERKEZETE 50 m kereszthidas mikroerőmérő szenzor. 31

WHEATSTONE HÍD ELRENDEZÉS 32

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

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

PIZOREZISTIVE PRESSURE SENSOR Die size 105 mil. x 105 mil. (2.67 mm x 2.67 mm) Thickness of diaphragm < 1 mil. (25 m)

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 (50-200 m)

HŐMÉRSÉKLETFÜGGÉS 39

PIZOREZISZTÍV NYOMÁSÉRZÉKELŐ: HŐFOKKOMPENZÁCIÓ 40

FÜGGÉS AZ ADALÉKKONCENTRÁCIÓTÓL (Si) Az érzékenység ( 44) 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

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

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

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.

KAPACITÍV NYOMÁSÉRZÉKLEŐ 49

KAPACITÍV ÉRZÉKELŐ TECHNOLÓGIÁJA Capacitive pressure sensor Cross-section and fabrication steps EMSi etching The sensor chip after EMSi etching 50

KAPACITÍV NYOMÁSÉRZÉKELŐ capacitive (10mbar - 1bar) double side alignment alkaline etching for membrane formation (ECES) membrane thickness 10-20 m counter electrode on anocally bonded Pyrex glass, optional: Si-Si direct wafer bonding

52

53

KAPACITÍV SZENZOR Felületi mikromegmunkálással készített kapacitív szenzor és referencia cellák. Négyzetes cella, kb. 70x70 m, 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

KAPACITÍV HÍD: JEL KIOLVASÁSA A híd egyenletében az ellenállások helyett az 1/j C 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

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