Mikrosenzory mechanických a geometrických veličin

Zdroje a literatura

• Pokud není uvedeno jinak, tak obrázky jsou převzaté z knihy a přednášek Prof. Ing. Miroslava Hušáka, CSc. z ČVUT, kterému tímto velice děkuji.

• Miroslav Hušák, Mikrosenzory a mikroaktuátory, ISBN 978-80-200-1478-8

1. Posuv, síla a tlak

• V převážné většině případů se hodnoty a změny těchto tří skupin mechanických veličin měří na základě deformace pružného elementu a mikrosenzory lze dělit podle principu převodu mechanického namáhání snímací části mikrosenzoru na elektrický signál : piezoelektrické, piezorezistivní, kapacitní.

• Materiálem senzorů je obvykle polykrystalický křemík. • Přednosti křemíku :

– nízká cena, – propracované technologie zpracování, – vlastnosti blízké vlastnostem oceli, – bez hystereze, – možnost ovlivňován vlastností difúzí příměsí, – snadná implementace do křemíkových struktur.

Vhodný materiál na deformační prvky

• Křemík – levný, dobré mechanické vlastnosti podobné železným kovům

• Používán monokrystalický

• Lze zhotovit nosníky, můstky, membrány

• Polykrystalický lze také využít, ale závisí na velikosti zrn.

Pružná mikrostruktura

Mikronosníky

• Schéma mikronosníku :

• Tento prvek se užívá v podstatě ve dvou funkcích: jako element deformovaný silou v čase stálou nebo jako rezonanční element. Předpokládáme, že tloušťka t je řádově menší než délka nosníku L. Pro deformaci konce nosníku silou F pak platí (význam symbolů podle obrázku)

závislý jak na jeho délce, tak na tloušťce

Mechanické namáhání

• Měříme piezoelektrické a piezoodporové vlastnosti

• Piezoelektrické snímání je možné jen u některých materiálů, v praxi zejména BaTiO3, PbTiO3, ZnO

• Piezoodporové vlastnosti má i Si

Si – piezoodporový materiál

• Piezoodporový jev je založen na principu změny elektrického odporu mechanicky namáhané vrstvy, tzv. piezoelementu. Změna je úměrná mechanickému napětí ve struktuře. Obecně lze napsat

Si – piezoodporový materiál

Si – piezoodporový materiál

• Ne vždy lineární závislost prodloužení a změny odporu

Si – piezoodporový materiál

• Bohužel i teplotně závislé

Mikrosenzory mechanického napětí - piezoodporové

• Buď tahem v jedné ose – podélná deformace

• Nebo tlak (tah) všesměrově – objemová deformace

• Pro senzor vhodná platnost Hookova zákona

• U piezoodporových polovodičových tenzometrů převládá objemová deformace

Mikrosenzory mechanického napětí - piezoodporové

• U Si lze použít n i p oba mají velké Kgf, viz dříve

• Polykrastalické Si má Kgf menší, ale také použitelné

• Tenzometry z Si mají malou hysterezi, ale teplotně závislý odpor

• Realizujeme jako lepené nebo vytvořené difůzí

• Oproti kovovým mnohem citlivější, ale nelineární

Mikrosenzory mechanického napětí - piezoodporové

Mikrosenzory mechanického napětí - piezoodporové

• Geometrická provedení podle potřeby

Mikrosenzory mechanického napětí - piezoodporové

• Pro vysoké teploty lze vyrábět z SiC

• Ovšem problém s kontaktováním

Mikrosenzory mechanického napětí - piezoelektrické

• Jednoduché, spolehlivé, malé, citlivé, lineární charakteristika

• Použití v senzorech tlaku, tlakové síly, zrychlení, výchylky a mechanického napětí

• Silový senzor např.

Mikrosenzory mechanického napětí - piezoelektrické

• Lze realizovat i rezonanční snímání • Omezení tepelného driftu řešeno ohřevem na 45

oC, viz topné dráty • Zapojeno od obvodu fázového závěsu, 7.16 MHz,

citlivost např. 510 Hz/mikrogram, rozlišení 40 ng

4 prvky + topení

Příklad mikrosenzoru tlaku s využitím piezoelektrického jevu

• V křemíkové desce je vytvořena dutina, jejíž horní část tvoří deformovatelnou membránu fungující jako zesilovač pnutí.

• Podél stran dutiny jsou difúzí vhodné příměsi vytvořeny čtyři rezistory zapojené do můstku, pro zvýšení citlivosti je můstek je napájen střídavým napětím.

Příklad mikrosenzoru tlaku s využitím piezoelektrického jevu

• Charakteristika : – čtyři piezorezistory na stranách membrány, – membrána jako mechanický zesilovač, – rozsahy až 10-5 – 108 Pa, – jednoduchá výroba, – nízká závislost na teplotě, – nízká spotřeba energie.

• Nevýhodou mikrosenzoru je omezené rozlišení dané dlouhodobým driftem nuly a tepelným šumem piezorezistoru.

Další možnosti snímání

• Depormace kanálu MOS transistoru

• Kovové fóliové tenzometry

Kovové fóliové tenzometry

• Problém malý Kgf do 2 pro CuNix

• Vyšší hodnoty pro některé slitiny, nekompatibilní s technologií integrovaných Si obvodů

Silové namáhání - piezoodporově

• Pružné členy mají implantované piezorzistory, které jsou mechanickou deformací namáhané tahem nebo tlakem, čímž se mění jejich odpor. Piezoodpory umisťujeme do míst z maximální deformací.

• Tvary pružných členů jsou velmi rozmanité, rozměry se pohybují řádově v jednotkách až stovkách um.

• Pružné elementy jsou nejčastěji realizované z křemíku objemovým obráběním, popřípadě jinou mikrosystémovou technologií, ale pro speciální účely se používají i jiné materiály (např. GaAs a další).

• Piezorezistory se umisťují na pružných strukturách často tak, aby je bylo možné zapojit do Wheatstoneova můstku, tj. párů piezorezistorů namáhaných tahem a současně tlakem

Silové namáhání - piezoodporově

Mikronosníky jako pružné elementy s piezorezistory: a) princip činnosti, b) implantované piezorezistory v můstkovém provedení.

Citlivost 952 mV/N nelinearita 1,04% Hystereze 0,22 % Kgf = 99 Do cca 140 oC

Silové namáhání - piezoodporově

• Lze i s pružnou membránou s implantovanými piezoodpory – 4 v můstku

• Typicky 1 g až 1500 g, 0,12 mV/g, linearita 0,12 % z rozsahu, časová prodleva do 1 ms, pracovní rozsah -40 až 85 oC

Silové namáhání – PN přechod

• Působením tlaku na PN přechod dochází k posuvu šířky zakázaného pásu a ten je úměrný působícímu tlaku

Piezoodporový snímač tlaku

• Si membrána s PO elementy, často na SiO2 podložce, vhodní nSi[111]

• Lineární charakteristika, ale velká teplotní závislost – nutnost kompenzace, funkce do 200 oC

• PO elementy vyrobené součastně v jednom kroku na membráně jsou elektricky skoro shodné, lze je umístit tangebciálně i radiálně

Piezoodporový snímač tlaku

• Philips – rezistory mají stejný počet a tvar záhybů

Piezoodporový snímač tlaku

• Další možnost

Mikromůstky

• Jako materiálu se pro mikromůstky používá Si, polykrystalický Si, Si3N4 a další, výroba se realizuje běžnými mikrosystémovými technologickými postupy.

• Mikromůstky se obvykle používají ve funkci rezonátorů. Jejich rezonanční frekvence je dána složitějším vzorcem, který v případě potřeby naleznete v odborné literatuře.

Mikromembrány

• Užívají se kruhové nebo čtvercové membrány, schéma je na obrázku. Používají se buď jako pohyblivé členy deformovatelné tlakem (mikroventily) nebo ve funkci rezonátorů. Vzorce jak pro průhyb tak pro rezonanční frekvenci jsou složité a dostupné v odborné literatuře. Typické hodnoty pro křemíkovou membránu : t = 15 µm, L = 2 mm, rezonanční frekvence f0 = 12 kHz.

Jak vyrobit membránu

• Dvě možnosti

– Deponovaná vrstva

– Z monolitického Si

Membrána z deponované vrstvy

• V principu jednoduché, vytvoříme vrstvu na Si

• Si pak odstraníme a vrstva zůstane, nutná volba vhodných materiálů reagujících na různá rozpouštědla, vrstva odolná na alkalická činidla

• Vhodný materiál vrstvy např. SiN

• Materiál membrány by měl mít malé vnitřní tahové pnutí, aby nepraskal (velké tahové) a nekrabatil se (tlakové).

Membrána z Si

• Lze přímím leptáním, ale min tloušťka cca 40 micronů z důvodu procesních odchylek

Membrána z Si

• Lepší je použít etch stop metodu – pod povrch Si waferu naimplatujeme B nebo ho tam dostaneme difůzí

• Leptání ukončíme při výskytu B, alternativně lze implantovat Ge-B. Jak snadno realizovat?

Etch stop

• Si rychlost leptání se řídí Arheniovo exponencielou • V 30% KOH při 60oC cca 24 micronů/hod, při 80 oC pak

79 micronů/hod až při 100oC je 225 micronů/hod • Tedy pro vysoké koncentrace implantovaného B se

zastaví leptání samo.

S. Franssila – Introduction to micro fabrication, Wiley

Etch stop

• Přesný mechanismus snížení leptací rychlosti v případě výskytu B není přesně znám

• Ale často používáno v MEMS výrobě pro jednoduché struktury

• Elektrické struktury takto připravit nelze, Si je příliš dopovaný B.

• Lze tvořit tvary pomocí selektivní implantace B.

Elektrochemický etch stop

• Selektivní odleptáním p-Si viz schéma, zmizí dioda

S. Franssila – Introduction to micro fabrication, Wiley

Membrána z Si

• Lze použít SOI wafer a kyslík jako prvek pro zastavení leptání

• Výsledkem bude cca 10 micronů

https://en.wikipedia.org/wiki/Silicon_on_insulator

Piezoodporový snímač tlaku

• Si po překročení meze pružnosti ihned praskají, nutné zabránit pomocí dorazů

• Pokud bude na jedné straně membrány dutina s p = 0 Pa, pak vznikne senzor asolutního tlaku plynu - viz také dále u kapacitních snímačů.

• Měřící můstek bývá většinou s chybou nuly, nutné kompenzovat, nutná i teplotní kompenzace

Piezoelektrické mikrotenzometry tlaku

• Princip je podobný jako u piezorezistivních mikrosenzorů, tlak je převáděn přes membránu na piezoelektrické elementy.

Kapacitní mikrosenzory tlaku

• Tyto mikrosenzory používají pružnou membránu a změnu tlaku převádějí na změnu kapacity.

• Vzdálenost elektrod se pohybuje řádově v jednotkách mikrometrů, plocha v jednotkách až desítkách čtverečných milimetrů, kapacita v jednotkách až desítkách pikofaradů.

• Senzory vynikají velkou citlivostí, velmi malou teplotní závislostí, nevykazují žádnou hysterezi, jejich převodní charakteristika je obecně nelineární a lze je použít pro teploty až +300 °C.

Kapacitní mikrosenzory tlaku

Změna C cca 1 pF Nutné měřit ihned v místě

Charakteristika kapacitního mikrosenzoru

- nemají nevýhody piezorezistivních mikrosenzorů,

- Si membrána se prohýbá vlivem tlaku.

- nelineární charakteristika,

- omezený dynamický rozsah (lze zlepšit použitím zpětné vazby)

- nad určitou mezí je výstup lineární.

Integrovaný kapacitní mikrosenzory tlaku

• teplotní kompenzace a vyhodnocení

Integrovaný kapacitní mikrosenzory tlaku

Kapacitní tlakový senzor s prstencovou strukturou

• uspořádání jednočipového kapacitního senzoru.

• Na čipu jsou obvykle dva kondenzátory se stejnými vlastnostmi, jeden referenční ke kompenzaci vlivu parazitních vlivů (např. teploty) a druhý měřicí.

Tlakový senzor = mikrofon

• Použito v mobilech

• Pokovená SiN membrána, vzduchová mezera 9 micronů, akustické otvory metoda DRIE 150 micronů hluboké, 60 micronů průměr

S. Franssila – Introduction to micro fabrication, Wiley

DRIE - Deep reactive-ion etching 1. Leptání s SF6 2. Nanesení pasivace C4F8 3. Opakovat 1 cca 100 a 1000 krát

https://en.wikipedia.org/wiki/Deep_reactive-ion_etching

Obecné RIE

• Pokud umíte udělat masku, tak podle ní už dokážete leptat

• Lze až 100:1

• Hřebenové struktury

• Lze dělat i větší objekty – např. díly mechanických hodinek

• Wet etch lze jen podle některých krystalových rovin, RIO podle všech

• Wet etch nelze např na sebe kolmé struktury

Obecné RIE – reactive ion etching

• Nanopilars

RIE

• Comb-drive actuators

Zrychlení

• Akcelerometr je tvořen seismickou (zkušební) hmotou zavěšenou na pružném rameni, které je ukotveno do tělesa senzoru.

• Obvykle se mikrosenzor řeší tak, aby pracoval v režimu tlumeného harmonického oscilátoru.

• Zrychlení způsobí posuv této hmoty vůči tělesu a to vyvolá pnutí v pružném rameni. Toto napětí se snímá mikrosenzory síly na principu kapacitního nebo piezoelektrického snímače.

• Obvykle se dává přednost kapacitním snímačům (vysoká citlivost, nezávislost na teplotě, zanedbatelný drift, nízký šum).

• Pokročilé provedení zahrnuje integraci snímače do CMOS struktury. Akcelerometry se konstruují ve dvou verzích: vertikální a příčné (laterální).

Princip

Piezoodporové akcelerometry

• Z monolitického křemíku

Kapacitní akcelerometry

Měření poměru kapacit eliminuje teplotní závislost dielektrické konstanty a plochy. Oproti PO vyšší stabilita i citlivost. Lze integrovat s CMOS obvody.

CMOS

• Technologie CMOS (Complementary Metal–Oxide–Semiconductor, doplňující se kov-oxid-polovodič) je používaná na převážnou většinu integrovaných obvodů.

• Používá se na výrobu čipů včetně mikroprocesorů, jednočipových počítačů a elektronické paměti typu SRAM, ale také například na obrazové senzory.

Akcelerometry

• Hřebenové struktury s kapacitním snímáním, např. v ADXL 150 celková velikost včetně vyhodnocování cca 2 x 2 mm

Teplotní akcelerometry

• Skládá se z komory naplněné plynem, v jejímž středu je topný článek a čtyř teplotních snímačů jejího okraje.

• Právě tak jako teplý vzduch stoupá a studený vzduch klesá se chová i teplý a studený plyn. Jestliže držíte akcelerometr v klidu, snímá pouze gravitaci. Když neměníte polohu akcelerometru, horká plynový bublina stoupne ke stropu uprostřed komory akcelerometru a všechny snímače teploty měří stejnou teplotu. V závislosti na vychýlení akcelerometru bude horký plyn blíže k jednomu, možná dvěma snímačům teplot.

• Obě statická zrychlení (gravitace a náklon) a dynamické zrychlení (jako například při jízdě v autě) jsou detekovány pomoci teplotních snímačů. Jestliže vezmete akcelerometr pro jízdu v autě, teplejší a studenější plyn proudí v komoře dokola do jisté míry podobně jako v nádobě částečně naplněné vodou.

Teplotní akcelerometry

Piezoelektrické akcelerometry

• Poloha seismické hmoty oproti pouzdru, výstupem je napětí.

• Využívá se zejména smyková deformace piezokrystalů

• Teplotně závislý, vhodná pro velká zrychlení

Seismická hmota

Krystal

Akcelerometry v 2D a 3D

• Kombinace existujících přístupů

• Často se využívají hřebenové struktury

Akcelerometry různé realizace

Gyroskopy

• Měří úhlové zrychlení. • Aplikace : pro měření natáčení, udržování stability, virtuální

realitu apod. • Princip : využívají Coriolisovo zrychlení (při rotačním

pohybu souřadné soustavy působí na těleso pohybující se v této soustavě určitou rychlostí síla kolmá na rovinu určenou vektory úhlové rychlosti a posuvné rychlosti)

• Měřící tělísko kmitá v jednom horizontálním směru konstantní amplitudou (elektrostatické buzení), při otočení kolem vertikální osy dojde k pohybu měřícího tělíska v kolmém směru. Senzor je konstruován tak, aby rychlost kmitání odpovídal rezonančnímu buzení, posuv se projeví změnou kapacity.

Co je to Coriolisova síla a jak se projevuje ?

• Coriolisova síla je tzv. virtuální síla, která působí na libovolný hmotný předmět či objekt, který se pohybuje rychlostí v v soustavě rotující kolem osy rotace úhlovou rychlostí ω (Fc = 2 . m . v x ω, kde x je vektorový součin).

• Tedy jiný princip než u akcelerometrů, nutná je „rotace“ části snímače a snímá se odchylky závaží spojeného s rotující částí.

Gyroskopy • Při praktickém použití Coriolisovy síly v integrovaných gyroskopech se

využívá technologie MEMS, kde se vytváří na čipu spolu s elektrickými obvody i mechanické mikrosoučásti, které tvoří samotný snímač.

• Různí výrobci sice používají trošku odlišné struktury, ale základní princip je vždy podobný.

• Základem je periodicky se pohybující (mechanicky rezonující) struktura přesně dané hmotnosti upevněná pomocí pružin v rámu. Směr pohybu (Mass drive direction) musí však vždy být kolmý ke směru otáčení. Za těchto podmínek vzniká a na hmotnou pohybující část snímače působí Coriolisova síla jejíž velikost je úměrná úhlové rychlosti otáčení. Ta způsobuje stlačení vnějších pružin rámu a způsobí vzájemný posuv měřících plošek (Coriolis sense fingers) fungující jako elektrody vzduchových kondenzátorů. Výstup je tedy změna kapacity úměrná úhlové rychlosti otáčení °/s.

http://automatizace.hw.cz/integrovane-mems-gyroskopy

Gyroskopy

• Jednoosový systém

Multi-axis gyroscopes from ST in ultra-compact LGA packages.

Duální gyroskopy

• Měří rotaci ve dvou směrech. • Princip: využívají rotující disk zavěšených na čtyřech závěsech, které

jej uvádějí do rezonančního kmitání. Podle zákonů dynamiky disk setrvává v takové poloze, že je jeho elipsoid setrvačnosti nehybný vzhledem k prostoru. Proto při pohybu tělesa senzoru se mění poloha disku. Změnu polohy disku registruje kapacitní systém umístěný pod diskem.

• Častější princip, je levnější

Rezonanční gyroskop

A.A. Trusov Solid-State Sensors, Actuators and Microsystems Workshop Hilton Head Island, South Carolina, June 8-12, 2014