2/11/2015
SZENZOROK ÉS MIKROÁRAMKÖRÖK Csikósné Dr Pap Andrea Edit Óbudai Egyetem KVK Mikroelektronikai és Technológia Intézet és MTA EK Műszaki Fizikai és Anyagtudományi Intézet 1. ELŐADÁS: ÉRZÉKELŐK ÁLTALÁNOS JELLEMZŐI
2014/2015 tanév 2. félév
1
1. ELŐADÁS 1. Általános bevezetés az 1. félévhez 1.1.Tematikai összefoglaló 1.2. Kötelező és ajánlott irodalom 1.3. Félév végi követelmények 2. Az érzékelőkkel kapcsolatos alapfogalmak áttekintése 3. Érzékelők csoportosítása és általános tulajdonságai
2
1
2/11/2015
A TANTÁRGY CÉLKITŰZÉSEI A leendő villamosmérnökök megismertetése a klasszikus, és a mikroelektronikai szenzorok (érzékelők), mérőátalakítók és beavatkozók (aktuátorok) működésének fizikai alapjaival, az eszközök felépítésével és működésével, az alkalmazásukhoz szükséges jelkondicionáló elektronikus áramkörök tulajdonságaival és tervezésével. A tematika magában foglalja a mikro-elektromechanikai eszközök, illetve rendszerek (MEMS) tulajdonságait, alkalmazásai, és ezek valamint a mikroelektronikai szenzorok technológiájának alapjait. 3
TEMATIKAI ÖSSZEFOGLALÓ 1. Klasszikus és mikroelektronikai szenzorok tulajdonságai, karakterisztikái, működési mechanizmusai. 2. A mikroelektronikai szenzorok anyagai és technológiái. 3. Mikro-elektromechanikai rendszerek (MEMS). 4. A szenzorok működtető és jelfeldolgozó áramkörei. 5. Mechanikai (erő, deformáció, nyomás, gyorsulás), hőtani, optikai (fény), mágneses és sugárzás érzékelők. Gáz-, kémiai-, és biológiai érzékelők. Száloptikai érzékelők. 6. Beavatkozók (aktuátorok). 7. Autonóm (tápellátás szempontjából) szenzorok, távérzékelés. 8. Kitekintés: nanotechnológiai és nanoelektronikai érzékelők. 4
2
2/11/2015
IRODALOM Hahn Emil, Harsányi Gábor, Lepsényi Imre, Mizsei János, Érzékelők és beavatkozók, Műegyetemi Kiadó, Budapest, 1999. Harsányi Gábor, Érzékelők az orvosbiológiában, Műegyetemi Kiadó, Budapest, 2005. Szentiday Klára, Dávid Lajos: Mikroelektronikai szenzorok és alkalmazástechnikájuk, Marktech, Budapest, 2000. S. M. Sze (szerk.): Semiconductor Sensors, Wiley, New York, 1994. Mojzes Imre (szerk.): Mikroelektronika és mikroelektronikai technológia, Műszaki Könyvkiadó, Budapest, 1994. (6. fejezet, 243-256 old., 12.1-12.3. fejezet, 383-393 old.) Mojzes Imre, Kökényesi Sándor: Fotonikai anyagok és eszközök, Műegyetemi Kiadó, Budapest, 1997. (3.3. fejezet, 163-178 old., 6.3. fejezet, 289-305 old.) Mojzes Imre, Molnár László Milán, Nanotechnológia, Műegyetemi Kiadó, Budapest, 2007. 5
KÖTELEZŐ WEB IRODALOM
Elérhető: BME Elektronikus Technológia Tanszék honlapján 6 www.ett.bme.hu/sensedu
3
2/11/2015
AJÁNLOTT WEB IRODALOM
Elérhető: BME Elektronikus Technológia Tanszék honlapjáról 7 www.ett.bme.hu/memsedu
FOLYÓIRATCIKKEK (KÖTELEZŐ) Cser László, Gyorsulásmérők alkalmazási lehetőségeinek kutatása, Hiradástechnika 55 (11) 24 (2001). Inzelt György, A mérőkőtől a nanomérlegig, Természet Világa 134 (9) 404 (2003). Riesz Ferenc: Korszerű fotódiódák vegyület-félvezetőkből, Elektronikai Technológia - Mikrotechnika 29 (1) 1 (1990). Szabó János, Fényvezető szálas érzékelők, Mérés és Automatika 32 (4) 137 (1984). Vásárhelyi Gábor, és társai, Tapintásérzékelő tömbök – tervezés és jelfeldolgozás, Hiradástechnika 62 (10) 47 (2007).8
4
2/11/2015
ÉVKÖZI MUNKA, LABOR, ALÁÍRÁS, VIZSGA 1. Laboratóriumi gyakorlatok. 2. Évközi dolgozat (egy szenzor, vagy szenzor alkalmazási példa, esettanulmány, stb. irodalmi és web források alapján, 68 oldalas dolgozatban). Az eredmény beszámít a vizsgába. Feladatkiadás előreláthatólag a 2. oktatási héten, beadás előreláthatólag március közepén. Bemutatók: március-április. 2. Két zárthelyi dolgozat a (előreláthatólag a 6. és 12. oktatási héten), eredménye szintén beszámít a vizsgába. 3. Az aláírás megszerzésének, illetve a vizsgára bocsátás követelményei: Sikeres (legalább elégséges (2)) zárthelyik. Évközi feladat elkészítése. Laboratóriumi gyakorlatok teljesítése.
ÉVKÖZI DOLGOZAT: TÉMAJAVASLATOK 1. Biológiai és orvosi érzékelők (pl. vércukorszint, vér-oxigén koncentráció, stb.) 2. Integrált mikroelektronikai bolométeres/termoelemes sugárzásérzékelő 3. Mikroelektromechanikai (MEMS) mozgató és beavatkozó eszközök 4. Nanoérzékelők: szén nanocső (CNT), grafén érzékelő alkalmazások 5. Ultraibolya sugárzásérzékelők 6. Mágneses ellenállásváltozású (klasszikus félvezető és óriás mágneses ellenállásváltozású (GMR)) érzékélők, működés és alkalmazás 7. Mozgásérzékelők (mikrohullámú, piroelektromos) 8. Távérzékelés (mikrohullám, infravörös) 9. Kémiai érzékelők (pellistor, Taguchy típusú gázérzékelők) 10. Nyomásmérők (3D, kapacitív) 11. Lab-on-a-Chip rendszerekben alkalmazott szenzorok
10
5
2/11/2015
AZ ÉRZÉKELŐK FOGALMA, CSOPORTOSÍTÁSA, JELLEMZŐI
11
ÉRZÉKELŐ, SZENZOR A magyarban is használt szenzor (angol sensor) a latin sentire-ből ered, melynek jelentése észlel, érzékel. Egy lehetséges meghatározás: A szenzor egy eszköz, mely reagál (válaszol) egy fizikai (vagy kémiai) behatásra (gerjesztésre, stimulusra, pl. hő, fény, hang, nyomás, mágnesség, mozgás, stb.) és továbbítja a válaszjelet mérési eredményként, vagy egy folyamat beavatkozó-jeleként. A szenzor vagy érzékelő képes tehát egy bemeneti jelet (vagy energiát) detektálni, és azt egy megfelelő kimeneti jellé (vagy energiává) alakítani. 12
6
2/11/2015
SZENZOR, TRANSZDUKTOR Közeli rokonkifejezés a transzduktor vagy átalakító (angol transducer), mely a latin transducere (jelentése átvezet) szóra vezethető vissza. A szenzor és a transzduktor kifejezéseket sokszor szinonimaként használják.
13
TRANSDUCERS, SENSORS, ACTUATORS • Transducer Transzductor – Eszköz mely egy elsődleges enerigaalakot megfelelő jellé vagy más alakú energiává alakít át – Primary Energy Forms: mechanical, thermal, electromagnetic, optical, chemical, etc.
– Két fajtája van: sensor vagy actuator
• Sensor (pl. hőmérő) – eszköz mely egy jelet vagy gerjesztést mér/érzékel – információt szerez a „való világról” (“real world”)
• Actuator (pl. fűtőszál) – Eszköz, mely jelet vagy gerjesztést hoz létre real world
sensor actuator
intelligent feedback system
7
2/11/2015
ÉRZÉKELŐ LEHETSÉGES DEFINICÍÓJA Érzékelő (szenzor): - mérendő mennyiséget vagy paramétert információhordozó jellé alakítja - régebben: elektromos jel az információhordozó - ma: optikai érzékelők is elterjedtek, általánosítani kell
15
MÉRŐESZKÖZ/RENDSZER
Az érzékelők alkalmazhatók egyszerű mérőeszközökben vagy bonyolultabb mérőrendszerekben, valamint visszacsatolást tartalmazó szabályozó rendszerekben. Mérőrendszerben az érzékelő jele feldolgozásra és maga a mérendő mennyiség pedig kijelzésre kerül.
16
8
2/11/2015
MÉRŐESZKÖZ/RENDSZER
Mérőrendszerben az érzékelő jele feldolgozásra és maga a mérendő mennyiség pedig kijelzésre kerül. 17
SZABÁLYOZÓ RENDSZER
Szabályozó rendszerben kijelzés nem feltétlenül szükséges. A megfigyelt folyamatba azonban a beavatkozás mindig megtörténik a mért/érzékelt paraméter módosítása érdekében. Beavatkozást végző eszköz: beavatkozó, illetve aktuátor. A beavatkozó/aktuátor a kapott jelek függvényében valamilyen változtatást végez a megfigyelt rendszerben. 18
9
2/11/2015
A FOLYAMATSZABÁLYOZÁS VÁZLATA Érzékelés
Jelfeldolgozás
Érzékelés: Érzékelés:aa mérendő mérendőmennyiséget mennyiséget elektromos jellé elektromos jelléalakítani alakítani(fizikai, (fizikai, kémiai, kémiai,biológiai) biológiai)aatermészeti természeti törvények törvényekadta adtalehetőségekkel lehetőségekkel (effektusokkal) (effektusokkal)élve: élve: •egy•egy-vagy vagytöbblépcsőben többlépcsőben (egyszerű (egyszerűvagy vagykomplex komplexszenzor) szenzor) •térben •térbenés/vagy és/vagyidőben időbenelválasztva elválasztva (integrált (integráltszenzor szenzorill. ill.rendszer) rendszer)
Beavatkozás
Beavatkozás: Beavatkozás:többnyire többnyire(opto-) (opto-) elektro-mechanikus elektro-mechanikusaktuálás aktuálás(T, (T,p, p, v... v...változtatás változtatás -- beleértve beleértvepl. pl.egy egy hatóanyag hatóanyagadalékolását, adalékolását,keverést, keverést, szelepek kezelését). szelepek kezelését). AAmegfelelő megfelelőszabályozási szabályozási algoritmussal algoritmussalszámított számítottszükséges szükséges korrekciók inicializálása korrekciók inicializálásaaa „folyamatban”. „folyamatban”. 19
ÉRZÉKELŐK CSOPORTOSÍTÁSA Az érzékelők különböző szempontok alapján osztályozhatók és csoportosíthatók. Pl. - a mérendő mennyiség szerint, - a jel természete alapján, - a jel kialakításában szereplő kölcsönhatások szerint, - aszerint, hogy kell-e külső energiaforrás vagy nem.
20
10
2/11/2015
ÉRZÉKELŐK CSOPORTOSÍTÁSA Az érzékelők csoportosításának egy hagyományos módja a mérendő mennyiség szerinti felosztás, úm. - mechanikai érzékelők, - termikus mennyiségek érzékelői - elektromos és mágneses mennyiségek érzékelői, - sugárzásérzékelők, - kémiai mennyiségek érzékelői, - orvosbiológiai érzékelők.
21
CSOPORTOSÍTÁS A MÉRENDŐ MENNYISÉG SZERINT Mechanikai érzékelők: - helyzet, elmozdulás, erő, gyorsulás, nyomás, áramlási sebesség, fordulatszám, ultrahang és hanghullámok, stb. Termikus mennyiségek: - hőmérséklet, hőmennyiség, hőáram, stb. Elektromos és mágneses mennyiségek: - elektromos és mágneses tér, töltés, feszültség, áram, ellenállás, stb. 22
11
2/11/2015
CSOPORTOSÍTÁS A MÉRENDŐ MENNYISÉG SZERINT Sugárzásérzékelők: - elektromágneses sugárzás (rádió-, mikrohullám, fény, Röntgen és gamma-sugárzás), korpuszkuláris sugárzás (alfa-, betasugár, ionizált és semleges részecskék, neutronok), stb. Kémiai mennyiségek: - semleges és töltött (ion) komponensek koncentrációja és aktivitása különböző közegekben, stb. Biológiai (orvosbiológiai) érzékelők: - élő szervezetekre jellemző speciális paraméterek, stb.
23
CSOPORTOSÍTÁS JEL ALAPJÁN Az érzékelőben energiafajták közötti átalakítás megy végbe. Az alábbi tíz energiaféleség különböztethető meg: 1. Atom energia (nukleonok és elektronok közötti erő) 2. Elektromos energia 3. Gravitációs energia 4. Mágneses energia 5. Tömeg-energia (relativisztikus) 6. Mechanikai energia 7. Molekuláris energia 8. Magenergia (nukleonok közötti erő) 9. Sugárzási energia (elektromágneses hullámok) 10. Termikus energia (atomok és molekulák mozgási energiája) 24
12
2/11/2015
CSOPORTOSÍTÁS A JELEK ALAPJÁN Minden energiaforráshoz egy jel rendelhető. Gyakorlati szempontok alapján nem tekintjük a tömeg- illetve magenergiát. Az atom- és molekuláris energia összevonható, ez eredményezi a kémiai jelet. A gravitációs és a mechanikai energia egyaránt a mechanikai jelhez kapcsolható. Tehát méréstechnikai szempontból hat jelféleség van: 1. Elektromos jel 2. Kémiai jel 3. Mágneses jel 4. Mechanikai jel 5. Sugárzási jel 6. Termikus jel 25
26
13
2/11/2015
CSOPORTOSÍTÁS KÖLCSÖNHATÁS SZERINT A jelkialakításban szerepet játszó kölcsönhatás típusa szerint - fizikai érzékelők, - kémiai érzékelők, - bioérzékelők. A bioérzékelők olyan érzékelők, melyek működése az élő szervezetekre jellemző specifikus reakción alapul. Pl. a véroxigén-érzékelő NEM bioszenzor, hanem egy, az orvosbiológiai célokra kialakított kémiai érzékelő. Ugyanakkor az enzimatikus reakciókon alapuló alkoholérzékelő bioszenzor, még akkor is, ha azt ipari folyamatokban használják oldatok összetételének 27 meghatározására.
GENERÁTOR ÉS MODULÁTOR TÍPUSÚ ÉRZÉKELŐK Generátor (vagy aktív) típusú érzékelők - nem igényelnek külön energiaforrást, a megfigyelt közegből nyerik a jelek előállításához szükséges energiát. Modulátor (vagy passzív) típusú érzékelők - olyan paraméterek változnak meg bennük az érzékelés során, melynek detektálásához, illetve megméréséhez külső energiaforrásra van szükség.
28
14
2/11/2015
A ”SZENZORKOCKA” Tengelyek: bementi-, kimeneti-, és modulációs energia Példák: Termoelem (rad, el, 0) Fotoellenállás (rad, el, el) pH érzékelő (ch, el, 0) LED kijelző (el, rad, 0) magnetorezisztor( (ma, el, el)
29
ÉRZÉKELŐK ÁLTALÁNOS JELLEMZŐI
30
15
2/11/2015
STATIKUS KARAKTERISZTIKA, KALIBRÁCIÓS GÖRBE Statikus karakterisztika A mérendő jel és az érzékelő kimeneti jele közötti függvénykapcsolat. Ez a szenzor legfőbb jellemzője.
31
KARAKTERISZTIKA
Végkitérés FSO full scale output. Nullhiba (offset) A mérendő mennyiség nulla értéke mellet mért kimenőjel. Érzékenység (válaszképesség) A karakterisztika meredeksége. Lineáris karakterisztika esetén állandó. Nemlineáris karakterisztika esetén a bemeneti paraméter függvénye. 32
16
2/11/2015
LINEARITÁS Linearitás Lineáris érzékelő, a be és kimeneti jelek megváltozásai között egyenes arányosság áll fenn. Linearitási hiba A valódi karakterisztika (kalibrációs görbe) maximális eltérése a feltételezett lineáris (ideális) karakterisztikától az adott tartományban.
33
HISZTERÉZIS
Hiszterézis hiba A kimenti jel maximális lehetséges eltérése egy adott tartományban növekvő, illetve csökkenő mérendő paraméter változásnál.
34
17
2/11/2015
TOVÁBBI JELLEMZŐK Érzéklelés alsó határa (detektálási küszöb) A mérendő paraméter azon legkisebb értéke, mely még biztosít mérhető kimeneti jelváltozást. Felbontás A mérendő mennyiség legkisebb mérhető változása. Nullponteltolódás (drift) A nullhiba változása a külső feltételek (pl. hőmérsékletváltozás, hosszú idejű tárolás, stb.) mellett. Érzékenység eltolódás Hasonlóan definiálható mint a drift.
35
TOVÁBBI JELLEMZŐK Ismétlési (reprodukciós) hiba Eltérés a kimeneti jelben ugyanazon mérendő jel és azonos egyéb körülmények között ismételten elvégzett mérések esetén. Csereszabatosság mértéke Két azonos típusú érzékelő elem felcserélése által a kimeneti jelben okozott eltérés (hiba). Szelektivitás A mérendő mennyiség mellett más paraméterek változására létrejövő kimeneti jelváltozás mértéke. 36
18
2/11/2015
TOVÁBBI JELLEMZŐK Beállási idő Időtartam mely alatt a válaszjel tranziense egy adott hibahatáron belül eléri az állandósult értékét a mérendő paraméter ugrásszerű megváltozása esetén. Élettartam Az üzembehelyezéstől számított időtartam mely alatt az érzékelő a megadott specfikációk szerint megbízhatóan működtethető.
37
IDEÁLIS SZENZOR JELLEMZŐI Szenzorjellemző
Ideális tulajdonság
Statikus karakterisztika Tökéletesen lineáris és zajmentes Nullponthiba Nincs, a karakterisztika átmegy a nullán Felfutási idő Zérus Sávszélesség Végtelen nagy Felső méréshatár Kalibrált maximális kimenet Alsó méréshatár Végtelen kicsi Érzékenység Nagy és állandó a teljes tartományban Feloldás Végtelen kicsi
38
19
2/11/2015
SZENZOR NEM KIVÁNATOS JELLEMZŐI Szenzorjellemző
Jelentése
Nonlinearitás A kimenet nem egyenesen arányos a bemenettel Lassú válasz A kimenet lassan éri el az állandósult állapotot Szűk működési tartomány A működési tartomány erősen korlátozott Alacsony érzékenység A szenzor csak nagy bemenetekre ad választ Érzékenységi drift A kimenet időben változik, pl. hőmérsékletre Nullpont drift A nullpont időben változik Offset A kimenet rendszeres hibája Offset drift A kimenet működés közben időben lassan változik Öregedés A kimenet az időben változik Interferencia A kimenet környezeti hatásokra változik Hiszterézis A növekvő és csökkenő karakterisztika különbözik Zaj A kimenet véletlen jeleket tartalmaz 39
INTEGRÁLT ÉRZÉKELŐK Érzékelő mátrix: Azonos elemek integrációjával épül fel, térbeli függés ill. eloszlás meghatározása. Multiszenzor: Különféle mennyiségek érzékelésére alkalmas szenzorok integrálása. Többfunkciós érzékelő: Több mennyiség érzékelésére képes a különböző üzemeltetési feltételek mellett. 40
20
2/11/2015
INTEGRÁLT ÉRZÉKELŐ PÉLDA
Metán, probán-bután, és hexán gázelegyek érzékelése és koncentrációjuk 41 meghatározása integrált kalorimetrikus érzékelővel.
INTEGRÁLT ÉRZÉKELŐ PÉLDA
42
21
2/11/2015
INTEGRÁLT ÉRZÉKELŐK Érzékelő elem plusz jelfeldolgozás valamilyen szintje. Pl. offset- és hőmérsékletkompenzáció, és/vagy előerősítő. További szint: jelkonverzió, pl. A/D jelátalakítás.
43
INTELLIGENS ÉRZÉKELŐK Mikroprocesszorral integrálva. Intelligens funkciók, kommunikáció a környezettel. Pl.: Digitális jelfeldolgozás, jeltárolás Hibakompenzáció Multiszenzor jelfeldolgozás (neurális hálózat, öntanulás) Önkalibráció és tesztelés Automatikus méréshatárváltás Átlag- és hibaszámítás Időbeli instabilitások kompenzációja Kommunikáció számítógéppel
44
22
2/11/2015
INTELLIGENS ÉRZÉKELŐ PÉLDA
DS1621 intelligens hőmérsékletérzékelő funkcionális diagramja 45
INTELLIGENS ÉRZÉKELŐ PÉLDA The DS1621 Digital Thermometer and Thermostat provides 9-bit temperature readings, which indicate the temperature of the device. The thermal alarm output, TOUT, is active when the temperature of the device exceeds a user-defined temperature TH. The output remains active until the temperature drops below user defined temperature TL, allowing for any hysteresis necessary. User-defined temperature settings are stored in nonvolatile memory so parts may be programmed prior to insertion in a system. Temperature settings and temperature readings are all communicated to/from the DS1621 over a simple 2-wire serial interface. 46
23
2/11/2015
INTELLIGENS ÉRZÉKELŐ PÉLDA The DS1621 measures temperature using a bandgap-based temperature sensor. A delta-sigma analog-to-digital converter (ADC) converts the measured temperature to a digital value that is calibrated in °C; for °F applications, a lookup table or conversion routine must be used. The temperature reading is provided in a 9-bit, two’s complement reading by issuing the READ TEMPERATURE command. The data is transmitted through the 2-wire serial interface, MSB first. The DS1621 can measure temperature over the range of -55°C to +125°C in 0.5°C increments. 47
MIKROELEKTROMECHAIKAI RENDSZEREK : MEMS MicroElectroMechanical Systems: MEMS Micro-Opto-ElectroMechanical Systems: MOEMS A mikroelektronikai technológia - más területen, párhuzamos megmunkálás, olcsó, pontos Miniatürizálással a kezelhetőség megmarad, ha intelligenciát is belezsúfolunk - ez rendelkezésre áll Mesterséges szaglás, látás stb. – szervetlen, ill. bio- és biomimetikus rendszerek (megbízhatóság?) Miniatűr gépek Orvosi alkalmazások esetén: biokompatibilitás 48
24
2/11/2015
MEMS/MOEMS nagy rendszer-változások vezérlése kis erőkkel; minőségi előnyök a méretcsökkentés révén, új működési elvek realizálása; csoportos (batch) megmunkálás, az eszközök integrálása akár az IC-ben; tetszőleges funkciók társítása: érzékelés, számítás, aktuálás (beavatkozás), vezérlés és kommunikáció; különböző eszközök integrálása egy rendszerben: erőforrás (telep, tápegység), antenna, érzékelők, beavatkozók; alapvetően felületi-, rétegtechnológiai realizálás (ld. IC gyártás); 49
MEMS A Mikro-Elektro-Mechanikus-Rendszerek (MEMS) mechanikai elemek (érzékelők, beavatkozók) és elektronikus elemek közös hordozón való megvalósítása mikroelektronikai és mikromechanikai technológiák együttes alkalmazásával. Az elektronikus elemek a szabványos integrált áramkör gyártási technológiákkal (CMOS, Bipolar, BiCMOS) készülnek, a mikromechanikai elemek az mikroelektronikai technológiákkal összeférhető technológiai lépésekkel készülnek (szelektív marás). • MEMS megvalósításához szükséges technológia az elmúlt évtizedben fejlődött ki • Mikromechanikai elemek technológiája illeszkedik a mikroelektronikai elemek előállítási technológiájához • Lehetővé válik SystemOnChip megvalósítása 50
25
2/11/2015
MIKROTECHNOLÓGIA ÉS MEMS Micro Electro-Mechanical Systems MEMS: a „2D” IC technológia → 3D szerkezetek •membránok, felfüggesztett elemek, mozgó alkatrészek, •mikrofluidikai alkalmazások: csatornák, üregek, reaktorok stb. Mikromechanika: eljárások és eszközök: döntő többségében eltérnek a hagyományos mechanikai megmunkálásoktól elsősorban „száraz” ill. „nedves” kémiai marások és elektrokémiai módszerek de klasszikus eljárások is lehetnek (lézer, v. gyémánttárcsás vágás). Tömbi- és felületi mikromechanika, mikromegmunkálás. További méretcsökkentés: nanotechnológia és NEMS Nano-Electro-Mechanical Systems Meghatározó méret(ek): < 100 nm
51
MEMS ÉS NEMS SZENZOROK: MÉRETSKÁLÁK MEMS
NEMS
52
26
2/11/2015
MÉRETCSÖKKENTÉS ÉS KIS MÉRETEK KÖVETKEZMÉNYEI 1. A lineáris méretek csökkenésével a térfogat, és ezzel együtt a tömeg/súly is a harmadik hatvánnyal csökken. Emiatt pl. a finommechanikában, vagy akár a mikromechanikában az objektum vagy eszköz súlyából eredő erőhatásokra nem kell méretezni. 2. A lineáris méretek csökkentésével a felület négyzetesen, azaz a térfogathoz képest egy hatványkitevővel kisebb mértékben csökken. Tehát a kisebb objektum, eszköz vagy szerkezet viszonylag nagy felületű lesz. Ennek egyik következménye, hogy egy kisebb szerkezet relatíve nagyobb teljesítményekre képes, mivel a relatíve nagyobb felület miatt jobbak a hűtési viszonyok. A másik, még fontosabb következmény, hogy megnő, illetve dominánssá válnak a 53 felületi hatások.
MÉRETCSÖKKENTÉS ÉS KIS MÉRETEK KÖVETKEZMÉNYEI 3. A lineáris méretek csökkenésével a rendszer sajátfrekvenciája növekszik. Ez azt jelenti, hogy kisebb rendszer gyorsabb működésre képes. 4. A lineáris méretek csökkenésével a kapacitások (elektromos-, hő-) is csökkennek. Ennek következménye szintén a gyorsabb működés. 5. A lineáris méretek csökkenésével eddig figyelmen kívül hagyott fizikai törvények kerülnek előtérbe. Pl. felületi feszültség, vagy kvantummechanikai (méret-) hatások.
54
27
2/11/2015
MEMS TECHNOLÓGIA: ESETTANULMÁNY
Szilícium nyomásérzékelő technológiai fejlődése
55
Si NYOMÁSÉRZÉKELŐ TECHNOLÓGIAI FEJLŐDÉSE Discovery phase (1947-1960)
Basic technology development phase (1960-1970)
56
28
2/11/2015
Si NYOMÁSÉRZÉKELŐ TECHNOLÓGIAI FEJLŐDÉSE Batch processing phase (1970-1980)
Micromahining phase (1980-)
Ma „”filléres” tömegtermék, igen elterjedt az iparban, közszükségleti cikkekben (vérnyomásmérő, gépkocsi,stb.)
57
VÉGE
58
29
2/11/2015
59
30
