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/m2 Gyakran használt egység (csak gázok és folyadékok nyomására) a bar (megfelel a normál légköri nyomásnak) 1 bar = 105 N/m2 = 105 Pa = 100 kPa
Blaise Pascal (1623-1662) francia matematikus, fizikus, filozófus 5
NYOMÁS MÉRTÉKEGYSÉGEK 1 bar =
at att, atü psi
100 kN/m2 = 100 kPa 1,02 kp/m2 = 1 at ~760 Hgmm 10,2 mH2O 14,502 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
PIEZOREZISZTÍV HATÁS Piezorezisztiviás:
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.
Uki(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 35 érzékelik és alakítják át villamos jellé.
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 (50-200m)
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, R0 – 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/jC 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 3 – poli-Si membrán 5 – üreg
2 – PMOS tranzistor 4 – oxid tömb 6 – Si szubsztrát
Membrán: Si mikrogépészeti megmunkálás, szelektív marással. A nyomás hatására a poli-Si membrán és a hordozókristály közötti kapacitás megváltozik. 56 Beilleszthető a meglévő CMOS technológiai sorba.
JELFELDOLGOZÁS
Kapacitív integrált nyomásérzékelő IC chip architektúrája (Infenion KP100)
57
NYOMÁSÉRZÉKELŐK ÖSSZEHASONLÍTÁSA Paraméter
Si-piezoellenállás
Fémellenállás
Si-kapacitív
Átalakítási tényező * Nyomás érzékenység Lineartási hiba Nulla hiba TK (nulla hiba) TK (érzékenység) Hőmérsékl. hiszterézis Stabilitás Geometriai méret Ár
1 1 1 1 1 1 1 1 1 1
0,02 0,002 0,5 1 1 0,05 1 0,5 10 10
10 5 10 1 0,05 0,25 0,5 1 -
* G.F. (gauge-factor): (R/R)/(L/L) 58
