mems- mechanical sensors- master- curs 2- 2015
Post on 30-Jan-2016
72 Views
Preview:
DESCRIPTION
TRANSCRIPT
Senzori
micromecanici-
2
IMT BucurestiR. Muller
Senzori
micro -
mecanici
Traductor: transforma o forma de energie in altasenzori
Traducoriactuatori
Un senzor
este un dispozitiv ce masoara o marime fizica pe care o converteste untr-un semnal care poate fi detectata de catre un aparat
Un actuator poate
fi
definit
ca : un dispozitiv
care genereaza
o miscare
mecanica
prin
conversia
a diferite
forme
de energie
Actuatorii, care
fac
parte din clasa
traductorilor, transforma
un semnal
de intrare
in special un semnal
electric intr-o
miscare.
Exemple: motoare
electrice, actuatori
pneumatici, pistoane
hidraulice, actuatori
in forma de pieptane
(comb drive), piezoelectrici, actuatori
termicibimorfi,polimeri
electroactivi.
Senzori
micro -
mecanici
Mecanic
Intrare Traductor Iesire
Mecanic
Termic
Chimic
Radiant
Magnetic
Electric Electric
Senzori
micro -
mecanici
Un senzor, in general, este un dispozitiv cu dimensiuni milimentrice sau submilimetrice care transforma un semnal neelctric cum ar fi: presiune, acceleratie, temperatura, concentratie de gaz in tr-un semnal electric.
Senzorii sunt elemente esentiale in procese de masurare si control cu aplicatii in industria auto, aerospatiala, telecomunicatiii, agricultura, , mediu, biomedical, etc..
Beneficii
ale utilizarii semiconductorilor: sensibilitate, acuratete, fiabilitate, consum de putere mult mai mic, pret scazut, etc
.
Senzori
micro -
mecanici
Prezentam cateva concepte si tehnici utilizate in proiectarea si realizarea senzorilor micromecanici
si a actuatorilor.
Cele mai importante mecanisme de sesizare
includ urmatoarele efecte:•
piezorezistivbitatea•
piezolelctricitatea •
variatia capacitatii•
optic•
rezonant
. Metode de actuare:-electrostatica-piezoelectrica-termica-magnetica
Senzori
micro -
mecanici
Piezoresistivitatea
deriva din cuvantul grec “piezin”
care insemana a presa.
Acest efect este prezent in mai multe metale si se manifesta printr-o modificare a rezistentei, datorita presiunii
aplicate.
Efectul a fost descoprtit in 1856, de catre lordul Kelvin, care a observat ca rezistenta cuprului si a fierului creste, atunci cand este supusa unui stres mecanic.
Sensitivitatea stresului mecanic aplicat (strain gauge)
este in general denumit factor de stres (gauge factor). Aceasta este o marime
adimensionala si este data de relatia:
Senzori
piezorezistivi
Senzori
micro -
mecanici
Senzori
micro -
mecanici
Elasticitatea
este
proporietatea
unui
material de a se intoarce
la forma sa
initiala, dupa
ce
inceteaza
actiunea
unei
forte exterioare, foorta
ce
a provocat
deformarea.
Alungirea
relativa
∆l/Ll se numeste strainSemnificatia fizica a modulului lui Young, este = Forta necesara
pentru a produce o deformarea egala cu lungimea initiala.
Senzori
micro -
mecanici
R
este rezistenta initiala∆R
este varaiatia rezistentei.
∆l/l este varaiatia lungimii /lungimea initiala
sau strain aplicat si se noteaza cu ε
(marime adimesionala).
Pentru toate materialele elastice, exista o relatie intre stres si strain, Stresul
notat cu σ
(N/m2) si strain
notat ε
Iar conform legii lui Hook, deformarea este direct proportionala cu forta aplicata, atata timp cat nu se depaseste limita de elasticitate.Constanta de proportionalitatese numeste:
Variatia relativa a rezistentei ∆R /R ∆R /R
GF = --------------------------------------= ---------
= ----------Stresul aplicat ∆l/l
ε
Modulul de elasticitate al lui Young
Senzori
micro -
mecanici
Stres σ
E
= -----------= -----
(N/m2) Strain ε
E = Modulul de elasticitate al lui Young
Modulul lui Young
pentru siliciu
este is 190 GPa (1 Pa = 1 N/m2), Modulul lui Young
pentru otel
este in jur de 200 GPa.
Pentru un material dat, cu cat modulul lui Young
este mai mare,cu atat, deformarea obtinuta pentru aceasi stres aplicat este mai mica
Prior to the yield point the material will deform
elastic and will return to its original shape when the applied stress is removed. Once the yield point is passed some fraction of the deformation will be permanent and non-reversible.
Daca forta aplicata determina alungirea barei, atunci latimea si grosimea barei vor fi micsorate deci
Stresul tensil
aprut pe axa longitudinala
va detemina unsters compresiv
pe celelalte doua axe perpendiculare
Senzori
micro -
mecanici
Senzori
micro -
mecanici
Deformarea
relativa axaiala (strain) va fi diferita de cea transversala, iar raportul lor se numetse raport Poisson
si se nteaqza cu ν.
Cele mai multe materiale elastice au raportul Poisson egal cu 0.3.Pentru
siliciu
este egal cu 0.22
Daca bara din figura anterioara este dintr-un material rezistiv, atunci are rezistenta R
R= ρl/Aρ
este
rezitivitatea
materialului,
(Ωcm), l
este
lungimea
si
A este
aria
sectiunii
transversale
A= w t
Diferentind
Senzori
micro -
mecanici
Deoarece
iar
ε
= dl/l si presupunand ca avem de aface cu variatii micii, atuncidl = ∆l; dw = ∆w; dt = ∆t
, rezulta:
si
Semnul
minus indica
faptul
ca pe
latime
si
grosime
stresul
ete
opus celui
care se manifesta
pe
lungime
(stres
tensil) si
este
un stres
compresiv.Din relatiile
de mai
sus
rezulta:
Factorul
de gauge:GF poate fi caluclat cu relatia
Senzori
micro -
mecanici
Ecuatia
anterioara
indica
clar
ca exista
doua
efecte
distincte
care contribuie
la gauge factor.Primul
termen
se refera
la efectul
piezorezistiv
((dρ/ρ)/εl) iar
cel
de al doilea
este
efectul
geometric
(1 + 2). Tinand
cont de faptul
ca raportul
Poisson este
de obicei
intre
0.2 si
0.3, contributia
efectului
geometric la factorul
de gauge este
intre
1.4 si
1.6.
Senzorii
care prezinta
o varaitie
a rezistentei
ca un rezultat
al unei
forte aplicate
(strain) sunt
cunoscuti
si
sub numele
de strain gauge. Cei
in care efectul
piezorezitiv
predomina
se numesc
piezorezistori.
De exemplu
pentru
o sirma
subtire
de metal, este
dominant efectul
geometric, in timp
ce
pentruun semiconductor efectul
piezoelectric este
dominant
fata
de cel
geometric
si
Senzori
micro -
mecanici
Tabelul
urmator
prezinta
factorul
GF pentru
diferite
materiale
Material GF factor de gaugeMetal (sirma
subtire) 2-5
Strat
subtire
de metal 2
Siliciu
monocristalin -125 pana
la + 200
Polisiliciu ± 30
Rezistori
in strat
gros 10
GF pentru
diferite
materiale
Senzori
micro -
mecanici
Senzorii de tipul strain gauge
realizati cu semiconductori au o variatie semnificativa a factirului GFSiliciul de tip p
are un factor pana la + 200, iar cel de tip n
ci o valoare
pana la -125Factorul negativ indica faptul ca rezistenta scade , o data cu cresterea
stresului.Mobilitatea efectiva a putrartorilor majoritari
este afectata de apartitia
stresului,
astfel pentru:semiconductorii de tip p: mobilitatea scade si rezistivitatea crestesemiconductorii de tip n: mobilitatea creste si rezistivitatea scade
Acest efect este dependent si de orientarea
cristalografica. Efectul geomentric
este neglijabil
Senzorii de acest tip sunt foarte senzitivi la temperatura
(de aceea se utilizeaza metode de compensare)
Senzori
micro -
mecanici
Coeficientul de tempertaura
pentru un piezorezitor semiconductor
este de 0.25 %/°
atat pe directia logitudinala, cat si pe cea transversala.
Proprietati piezoelectrice prezinta si
polisiliciu si siliciul amorf. Coeficientul de temperatura pentru un astfel de piezorezistor este in general mai mic de 0.05%/°C.
Straturile (filmele) subtiri de metal se comporta similar cu sirmele metalice si au ub GF similar. Straturile subtiri de metal pot fi depuse direct pe substratul dorit: siliciu, ceramica, sticla.
Rezistorii obtinuti din straturi groase, utilizati in circuitele hibride au proprietati piezorezistive. Factorul de stres este de 10, rezultand o senzitivitate intre cea a semiconductorilor si a metaleleor (sirme subtiri). Coeficientul
de temperatura al rezistorilor este in jur de 100 ppm ( parti pe milion), ceea ce
face ca valoarea coefeicientului pentru doua rezistente diferite sa difere cu mai putib de 10 ppm/°C.
Astfel sunt folosite ca rezistente active in punti Wheatstone, pentru reducerea sensitivitatii in functie de temperatura.
EXEMPLU: Microscop
de Forta
Atomica
Piezoelectric (AFM)
Tortenese si altii, in 1991 au creat primul AFM cu senzor piezoelectric de forta integrat:• Generatoprul de miscare deplaseaza proba in directiile x si y;• Controlul ajusteaza miscarea pe axa z pentru apastra forta de apasare constatnta;• Utilizeaza virfuri extrem de subtiri pentru scanarea probei
EXEMPLU: Microscop
de Forta
Atomica
Piezoelectric (AFM)
Senzori
micro -
mecanici
Exista mai multe metode de caracterizare a proprietatilor mecanice ale steraturilort subtiri. Cea mai simpla si rapida dintrea acestea este prin
nano-indentare.Nano-indentarea
reprezinta o tehnica relativ recenta ( ~ 20 de ani) de testare mecanica a unor volume mici de material (de ex. straturi subtiri).
Proprietatile mecanice ale unui material, atunci cind este utilizat in procese de microfabricatie, pot diferi de de proprietatile masurate pentru
cantitati mari ale aceluiasi material (la scara macroscopica).
Caracterizarea mecanica a straturilor depuse este o etapa obisnuita in procesele de fabricatie MEMS. Principiul de functionare consta in utilizarea unui virf ascutit (indenter) care este succesiv impins si retras din materialul testat prin aplicarea unei forte care variaza de la zero la o valoare maxima prestabilita si inapoi la
zero.Forta de apasare si deplasarea indenterului in material sint controlate si monitorizate continuu cu rezolutie ridicata.
In functie de detaliile specifice ale echipamentului utilizat, pot fi aplicate forte care coboara pina
la 1 nN si masurate deplasari de 0.1 nm (1 Å).
Senzori
micro -
mecanici
Cu ajutorul
nano-indenterului
pot fi
deduse
proprietati
mecanice
ale materialelor, in principal modulul de elasticitate=
Modulul
lui
Young
si duritatea, pe baza unor modele mecanice specifice din curbele forta- deplasare inregistrate
Nano-indenterul G200 (Agilent Technologies)
functionand la IMT-Bucuresti
Reprezentare schematica a componentelor principale ale
unui echipament de nano-
indentare (Nano-Indenter)
Imagine AFM (arie 10μmx10μm) a amprentei lasate de un indenter piramidal intr-un strat subtire de metal (Al). Geometria amprentei reziduale la o forta de apasare data este o masura a duritatii H a materialului.
Senzori
micro -
mecanici
Imaginile reprezinta dependenta valorii masurate a modulului lui
Young fata de deplasare
a virfului de indentare pentru doua straturi cu proprietati mecanice si grosimi diferite, depuse pe Si
un strat subtire de SiO2 (grosime
0.8 μm )un strat de SU8 (grosime 7 μm)Datele indica faptul ca substratul de siliciu influenteaza valorile masurate ale stratului
pentru adincimi de peste 150 nm in cazul SiO2
(aprox. 1/5 din grosimea stratului si de peste 800 nm (aprox. 1/9 din grosimea stratului) in cazul SU8 .
Senzori
micro -
mecaniciPiezoelectricitate
O anumita clasa de critsale au proprietatea de a genera o sarcina electrica daca asupra lor se aplica o forta mecanica
–
efect direct. De asemnea
exista
si
efectul
invers: se deformeaza
sub actiunea
unui
camp electric
.
Acest
efect
este
unul
neuzual: materialuil
poate
actiona
ca sensor sau
ca actuator
(efect
descoperit
in 1880 de catre
Jacques si
Pierre Curie).Piezoelectricitatea
este datorata asimetriei de sarcina in structura cristalului.
Astfel de cristale se mai numesc si non-centrosimetrice, si prezinta proprietati anizotropice.
Siliciul, avand un cristal simetric, nu prezinta aceste proprietati
Unele cristale au in mod natural acesta proporietate: cuartul sau sarea Rochelle, altele cum ar fi titanatul de bariu, titanat zirconatul de plumb (PZT)
si polimeri cum ar fi polyvinylidene (PVDF) sunt feroelectrice
Materialele
feroelectrice
sunt
acelea
care prezinta
o polarizare
spontanta, sub actiunea
unui
camp electric. Deci
aceste
materiale
trebuie
polarizate, pentru
a prezenta
o comportare
piezoelectrica.
Se defineste
coeficientul
de saricina
dii
Acesta se refera la cantitate de sarcina generate la suprafata materialului pe axeele i, datoarat fortei Fj aplicat pe axele jSarcina generata pentru figura de mai sus
Tensiunea produsa pentru bara rectangulara din figuraA= aria, t = grosimea, εr
= permitivitatea
relativaε0
=
permitivitatea
aerului
Forta aplicata determina producerea unei tensiuni pe cei doi electrozi Senzori
micro -
mecanici
Senzori
micro -
mecanici
Forta
aplicata
unui
fragment de material determina
aparitia
unor
sarcini
electrice
pe
suprafata
fragmentului.Sursa
acestui
fenomen
este
distributia
specifica
a sarcinilor
electrice
in unitatea
cristalina
a materialului.
Titanatul
de bariu
(BaTiO3
) si
PZT sunt
doua
ceramici
piezoelectrice care pot fi
depuse
pe
siliciu
, prin
diferite
metode: sputtering, sol-gel.
PZT
are in general o valoare
mare a coeficientului
d33 si
de aceea
este utilizat
cel
mai
mult
in realizarea
senzorilor
si
actuatorilor
care utilizeaza
acest
efect
Alte
materiale
care prezinta
efect
piezoelectric si
care pot fi
depuse
in struri
subtiri
policristaline
sunt
:
-
oxidul
de zinc ZnO2
si-
niobatul
de litiu
LiNbO3
Materiale piezoelectrice
Cuartul este intens utilizat: ceasuri, element rezonant
Senzori
micro -
mecanici
MATERIALE PIEZOELECTRICE & PROPRIETATI
( KOVACS, 1998)
Structura
este
relativ
simpla, iar
tehnica
permite
sezizarea
miscarii.
Dispozitivul
consta
din din
doi
electrozi: unul
fix si
unul
mobile, separati
de un mediu
dielectric.Relatia
intre
presiunea
aplicata
si
miscarea
electrodului
este
neliniara.strucrura
este
snezitiva
si
datorita
fatului
ca un circuit electroniuc, poate
fi
integrat, realtiv
usor.
Tehnica capacitiva
Senzori
micro -
mecanici
Exemple
de senzori
capacitivi
simpli: a)electrod
mobil,b) arie
varaibila,c) dielectric mobil
w(x,y) este
deflexia
membranei
funtie
de x si
y
Daca
doar
un electrod
se misca
relatia
devine:
Senzori
micro -
mecanici
dA
0C ε=
( )∫∫ =ε= dxdy
y,xwdC
-O combinatie
a unui
senzor
de presiune
piezoresitiv
cu CI bipolar pentru
a avea
o compesare
a temperaturii
si
pentru
a converti
semnalul
de iesire
care este
o tensiune
intr-o
frecventa, pentru
a interactiona
usor
cu un circuit didgital
- In ambele
cazuri
memnrana
este
realizata
printr-un proces
de etch stop- a) intr-un strat
dopat
puternic
cu bor-
b) stratul
epitaxial este
folosit
ca etch stop, printr-un proces
de corodare
electrochimica
Combinatie
a unui
sensor de presiune
piezoresistiv
cu (a) un process NMOS (Tanigawa
1985), (b) un process CMOS (Kress1991)
Senzori
micro –
mecanici-
Exemple
Principalul
avantaj
al acestei
tehnologii
este
ca suprafata
de sprijin
a membranei
poate
fi
facuta
mult
mai
mica
(b)
Secventa
de fabricatie
a membrane de siliciu
lipite
prin
fuziune
inidicata
pentru
sensori
de presiune
piezoresistivi
ultra –miniaturizati
(a)-Petersen1988.
Senzori
micro –
mecanici-
Exemple
Membrana
este
corodata
de pe
spate-
electrochimicElectrodul
fix este
depus
pe
un strat
de pyrexAplicatii: in cardiologie
Sectiune
a unui
sensor capacitiv
de presiune
cu un circuit integrat(Sander 1980)
Senzori
micro –
mecanici-
Exemple
Sectiune
a unui
sensor capacitiv
de presiune
cu electrozi
interdigitati
pentru
compensare
liniara
(Kim 1997)
Senzori
micro –
mecanici-
Exemple
Senzori
micro –
mecanici-
Exemple
(a)
Vedere
de ansamblu
a unui
catheter(b) fabricatia
sensorului
de presiune,(c ) secvente
de fabricatie
ale membranei
Sectiune
a unui
sensor de presiune
intraocular( Backlund
1990)
Imagine SEM a regiunii
lipite
a unei
membrane (zona
marcata
cu100 μm)
-S-a utilizat
direct wafer bondig
cu siliciu
( nu pyrex)-Aplicatii
monitorizare
presiunii
oculare-
prin
implantare
in ochiul
uman-
Toate
exemplele
pentru
realizarea
senzorilor
capacitivi
au implicat
un proces
de bonding, acesta
poate
fi
eliminat
prinutilizarea
“surface micromachining”
si
a unui
strat
de sacrificiu
Secventa
de fabricatie
prin
corodare
de suprafata
a unui
sensor capacitiv
de presiune
(Dudaicevs
1994)
top related