Mikromehanicki Senzori i Aktuatori

Mikromehanika Fizičke osnove

Struktura poluprovodnikaStruktura poluprovodnika



) dij k ( i ) b) f l i ( )a) dijamantska (C, Si, Ge) b) sfaleritna (GaAs, GaP)

Tetraedalni radijus kod dijamantske strukture a3et aeda ad jus od d ja a ts e st u tu e a

Kod Si je npr. a=0,54307 nm, a tetraedalni radijus iznosi 0,118 nm.8


Struktura poluprovodnikaStruktura poluprovodnikaPoluprovodnički materijal treba da ima pravilnu kristalnu strukturupo celoj zapremini (tzv monokristal)po celoj zapremini (tzv. monokristal).

Medjutim, monokristal nije izotropan što znači da njegove osobine,pa i karakteristike poluprovodničkih komponenata zavise od pravcapa i karakteristike poluprovodničkih komponenata zavise od pravca(orijentacije površine monokristala). Zbog toga se kristali seku poodredjenoj ravni.j j


Struktura poluprovodnikaStruktura poluprovodnikaPoložaj svake ravni kristalne rešetke može se definisati sa tri celauzajamno prosta broja ako se kao koordinatne ose izaberu pravciuzajamno prosta broja, ako se kao koordinatne ose izaberu pravciivica kristalne rešetke. Jedinice merenja su odsečci koje takristalografska ravan odseca na koordinatnim osama.


Karakteristike silicijumaKarakteristike silicijuma

Razvoj mikroelektronike omogućen je razvojem tehnologije naili ij (Sili t h l )

Silicijum je krt materijal. Ispod 500-600oC ne može se zapaziti

silicijumu (Silicon technology).

j j j p pnikakva plastična deformacija. Granica razvlačenja se poklapa sajačinom pri kidanju - silicijum karakteriše odsustvo mehaničkoghi t i t j id l i i ihisterezisa, a to je idealno za primene u senzorici.

Zatezna čvrstoća silicijuma je dva puta veća nego kod čelika.

Na zateznu čvrstoću krtih materijala sa risevima utiče i hemijska priroda sredine.priroda sredine.


Karakteristike silicijumaKarakteristike silicijumaTvrdoća silicijuma je bliska tvrdoći stakla i veća od tvrdoćegvoždja i aluminijumagvoždja i aluminijuma.

Gustina monokristalnog silicijuma je približna gustinialuminijuma (2 329 103 kg/m3)aluminijuma (2,329⋅103 kg/m3).

U području elastičnih deformacija važi Hooke-ov zakon.

Termička provodljivost monokristalnog silicijuma je znatno višaod termičke provodljivosti čelika i pri sobnoj temperaturi iznosip j p j p156 W/(Km).

Mikromehanika Tehnologije

SiSi--tehnologijatehnologijaTipična veličina površine integrisanog kola LSI-generacije (Large-Scale Integration) u čisto logičkim sklopovima je 5 x 6 mm2Scale Integration) u čisto logičkim sklopovima je 5 x 6 mm ,a kod memorija 4 x 10 mm2.

Površine najvećih čipova kod standardnih proizvoda iznosePovršine najvećih čipova kod standardnih proizvoda iznosepribližno 50 mm2, mada se već koriste i čipovi znatno većihpovršina koje mogu iznositi i više cm2, kao npr. kod CCD-kamere.p j g p

Danas se za izradu integrisanih kola koriste uglavnompoluprovodničke ploče prečnika 100 mm.po up ovod č e p oče p eč a 00 .

Kao naredna standardna usvojena je vrednost prečnika od 150 mm.


DopiranjeDopiranjePriPri procesprocesuu dopiranjadopiranja sese izloženeizložene zonezone nana vejferuvejferu bombardujubombardujujonimajonima “hemijskih“hemijskih nećistoća”nećistoća” -- trovalentnihtrovalentnih iliili petovalentnihpetovalentnihjonimajonima hemijskihhemijskih nećistoćanećistoća trovalentnihtrovalentnih iliili petovalentnihpetovalentnihelemenataelemenata.. NaNa tajtaj načinnačin dobijamodobijamo “zaprljane”“zaprljane” zonezone kojekoje seseponašajuponašaju kaokao provodniciprovodnici..

PostojePostoje dvedve vrstevrste hemijskihhemijskih neneččistoistoććaa:: donoridonori ii akceptoriakceptori..DonoriDonori susu hemijskehemijske neneččistoistoććee atomaatoma petovalentnihpetovalentnih elemenataelemenatajj pp((imajuimaju popo jedanjedan atomatom viševiše odod SiSi)) kaokao šštoto susu antimonantimon (Sb)(Sb) iliili arsenarsen(As)(As)..PoluprovodnikPoluprovodnik sasa donoromdonorom nazivanaziva sese poluprovodnikompoluprovodnikom NN tipatipa..UU poluprovodnikupoluprovodniku PP tipa,tipa, kojikoji sese dobijadobija dodavanjemdodavanjem trovalentnihtrovalentnihelementaelementa akceptoraakceptora ((imajuimaju popo jedanjedan atomatom manjemanje odod Si)Si),, nana primerprimerl i ijl i ij (Al)(Al) iliili lijlij (G )(G ) šš ljilji i ji j tt ććaluminijumaaluminijuma (Al)(Al) iliili galijumagalijuma (Ga),(Ga), ššupljineupljine imajuimaju znatnoznatno veveććuu

koncentracijukoncentraciju negonego slobodnislobodni elektronielektroni..


SiSi--tehnologijatehnologijaSilicijumski monokristalni stub (ingot) senajpre obrusi na željeni prečnik a zatim senajpre obrusi na željeni prečnik, a zatim sesečenjem, lepovanjem i poliranjem dobijajumonokristalne ploče.

SvakaSvaka šipkašipka dugačkadugačka jeje okooko 11..55 m,m, težitežistotinestotine kgkg ii imaima prečnikprečnik 200200 dodo 300300 mmmm..


SiSi--tehnologijatehnologija

IzIz svakesvake polugepoluge sese preciznompreciznom dijamantskomdijamantskomtesteromtesterom isecajuisecaju diskovidiskovi (bude(bude ihih okooko 10001000 iziztesteromtesterom isecajuisecaju diskovidiskovi (bude(bude ihih okooko 10001000 izizjednejedne poluge)poluge)..

Za primene u mikromehanici potrebno je da ove ploče zadovolje isledeće zahteve:

- tačnost (100)-, (110)- i dr. orijentacija: sa tolerancijom od ±0,1o,( ) , ( ) j j j , ,- debljina ploče: 30 μm do 2000 μm,- ukupna varijacija debljine: < 2 μm,p j j j μ ,- uglačanost: obostrana.


SiSi--tehnologijatehnologija


SiSi--tehnologijatehnologijaIzvanredne električne, hemijske i mehaničke karakteristikesilicijumovog oksida koji se koristi kako kao izolator upravljačkesilicijumovog oksida koji se koristi kako kao izolator upravljačkeelektrode (gejta) tako i kao pasivizirajući sloj koji ima različitezadatke.

Planarna tehnika temelji se na visokoj hemijskoj i mehaničkojstabilnosti SiO2-slojevastabilnosti SiO2 slojeva.

Tehnika se naziva “planarnom” pošto se sve primesne oblasti u Sif i j d i j k l k d SiOformiraju dopiranjem kroz prozore planarne maske od SiO2.


BatchBatch--procesiprocesiTacnaTacna sasa silikonskimsilikonskim pločicamapločicama ulaulažžeesese uu ppećeć zaza obraduobradu ppodod visokomvisokompp pptemperaturomtemperaturom..ŠtoŠto jeje viševiše šštoto manjihmanjih ččipovaipova nana jednojjednojtacni,tacni, toto jeje proizvodnjaproizvodnja vevećća,a, aa cenacenamanjamanja..

Sa povećanjem prečnika ploče postepeno se napušta zbirnoSa povećanjem prečnika ploče postepeno se napušta zbirnoprocesiranje ploča (Batch-procesi), kod kojih se u jednom radnomhodu procesira više ploča istovremeno, i prelazi na obradupojedinačnih ploča s preciznim upravljanjem procesom.


SiSi--tehnologijatehnologijaBatch-procesi će biti zadržani sve dok parametri procesa todopuštaju (visoki kapacitet proizvodnje uz niske troškove)dopuštaju (visoki kapacitet proizvodnje uz niske troškove).

Mikromehanički elementi se takodje mogu izradjivati Batch-procesima

Ova tehnika (masovna obrada više ploča ili ploče velikog prečnika

procesima.

sa puno čipova) omogućila je poslednjih godina ogromnosmanjenje troškova izraženih po funkciji tranzistora na jednomčičipu.

Budući zahtevi za sve manjim veličinama struktura moći će dab d li i i di id l lj b d l čbudu realizovani samo individualnom, upravljanom obradom ploča.


SiSi--tehnologijatehnologijaNekoliko osnovnih tehnoloških operacija :

i d l č lj j lik i l ili ij- izrada ploče: topljenje polikristalnog silicijuma, izvlačenje monokristala,mehanička obrada pločamehanička obrada ploča

- formiranje tankih slojeva: izolatori (SiO2, Si3N4),l d i i ( Si li Si)poluprovodnici (mono-Si, poli-Si),

metali i legure (Al, Al/Si, Al/Si/Cu),silicidi (TaSi2 MoSi2 TeSi2 itd)silicidi (TaSi2, MoSi2, TeSi2 itd),pasiviziranje(Si3N4, SiO2, organski slojevi,staklo)


SiSi--tehnologijatehnologijaNekoliko osnovnih tehnoloških operacija :

li fij k- litografija: maske,rezist-tehnika,prenošenje struktureprenošenje strukture

- nagrizanje: izolatori, metali, silicidi

- dopiranje maske,jonska implantacijatermička aktivacija.


Isecanje Isecanje ččipovaipova

NaNa krajukraju specijalnispecijalni uređajiuređajiNaNa kraju,kraju, specijalnispecijalni uređajiuređajitestirajutestiraju svakisvaki čipčip nanavejferuvejferu ii markirajumarkiraju lošeloše..vej e uvej e u a ajua aju ošeoše..ČipoviČipovi sese zatimzatim isecajuisecajulaserskilaserski vođenimvođenimdijamantskimdijamantskim testerama,testerama,ponovoponovo sese testiraju,testiraju, pakujupakujuii opetopet testirajutestiraju..


ProstorijeProstorijeIzrada mikromehaničkih elemenata kao i integrisanih kola treba dase odvija u čistom prostoruse odvija u čistom prostoru.

Čestice koje su veće od 1/10 minimalnih dimenzija strukture mogud f k ij l t št či d i i i l ida ugroze funkciju elementa što znači da pri minimalnimveličinama strukture od 5 μm, tipičnim za mikromehaniku, česticene smeju biti veće od 0 5 μmne smeju biti veće od 0,5 μm.

Kontaminacija se može izbeći ako se izrada odvija u sredini sveštačkom klimom s delimično veštačkim osvetljenjem i saveštačkom klimom, s delimično veštačkim osvetljenjem i sakontrolisanim dovodjenjem filtriranog i vrlo čistog vazduha (cleanroom, Reinraum). I pored ovih mera neophodno je naknadno, ) p p jefikasno očistiti kontaminirane površine.


Clean room

Mikromehanika Uvod

Zadaci mikromehanikeZadaci mikromehanikeMikromehanika se bavi razvojem, izradom i primenom

trodimenzionalnih mikroelemenata i sistematrodimenzionalnih mikroelemenata i sistemačije su dimenzije tako male da ih nije mogućei diti t h l ij i h ikizraditi tehnologijama precizne mehanike.

Izradjuju se tehnološkim postupcima mikroelektronikeIzradjuju se tehnološkim postupcima mikroelektronike,a za potrebe mehanike, optike, pneumatike i drugih oblasti tehnike.

Mikromehanika Uvod

Primene mikromehanikePrimene mikromehanikePrimene u autoindustriji:

- senzori (protoka goriva, temperature motora, spoljašnje iunutrašnje temperature, obrtnog momenta, regulacijei i b ABS )nivoa, airbag, ABS, ...)

- aktuatori (pogon brisača, podizača prozora, ogledala, vodeneaktuatori (pogon brisača, podizača prozora, ogledala, vodenepumpe, zaključavanje, ...)

Mikromehanika UvodBezbednosni mikrosistemi u automobilimaBezbednosni mikrosistemi u automobilima

kaiš vezan? zauzetost sedišta unutrašnja i

davačrezerve

sila podizača prozora spoljašnjatemperatura

l kt ik t

rezervegoriva

ugao volana

senzor za kišu

elektronika motora(pritisak,temperatura,...)

regulacijanivoa

senzor ubrzanja Q ll VW

senzor stanja puta

ABS-senzori davač silena pedali

senzor ubrzanjanadzor unutrašnjeg prostora

Quelle: VW

senzor pritiska vazduhaprostora

Mikromehanika Uvod

Primene mikromehanikePrimene mikromehanikePrimene u biomedicinskoj tehnici:

- implantati (pejsmejker, uho, oko, nos, pumpe za doziranje...)

- instrumenti (minimalno invazivna hirurgija/terapija: kateteriinstrumenti (minimalno invazivna hirurgija/terapija: kateteri,endoskopi ...)

analiza (DNK )- analiza (DNK, ...)

Mikromehanika Uvod

Primene mikromehanikePrimene mikromehanikePrimene u:

- automatizaciji proizvodnje

- tehnika informacija i komunikacija

- periferije informacionih uredjaja (štampači, čitač CD-a, ...)

tehnika informacija i komunikacija

- avijacija i kosmonautika: žiroskopski sistemi, sistemi za navigaciju crna kutija displeji točkovi za stabilizaciju satelitanavigaciju, crna kutija, displeji, točkovi za stabilizaciju satelita,... više senzora i aktuatora reguliše visinu i bočni nagib aviona.

Mikromehanika Uvod

Zadaci mikromehanikeZadaci mikromehanikeRealizovanje visokih zahteva u pogledu finoće i kompleksnostistrukture bilo je moguće rešiti samo postupcima korišćenim zastrukture bilo je moguće rešiti samo postupcima korišćenim zaizradu elemenata mikroelektronike.

Si i i k l d i d ć i d kSi-integrisana kola nude izvanredne mogućnosti sve dok seinformacije mogu obradjivati kao električni signali, u jednomzatvorenom sistemuzatvorenom sistemu.

Ukoliko neki kompleksniji sistem zahteva transformacijuinformacije u neelektrične veličine kao i korišćenje fizičkihinformacije u neelektrične veličine kao i korišćenje fizičkihefekata na drugim materijalima, mikroelektronika ne nudidovoljnu osnovu za veći stepen integracije celog sistema.dovoljnu osnovu za veći stepen integracije celog sistema.

Mikromehanika Uvod

Zadaci mikromehanikeZadaci mikromehanikeProblemi mehaničke ugradnje integrisanih kola i smetnje koje sejavljaju na kontaktnim spojevima poništavaju u mnogimjavljaju na kontaktnim spojevima poništavaju u mnogimslučajevima prednosti mikroelektronike u koje spadaju većistepen integracije, minijaturizacija i niske cene.

Eliminisanje ovog nedostatka odn. integracija najrazličitijihfunkcija i materijala u integrisane sisteme jedan je od najvažnijihfunkcija i materijala u integrisane sisteme jedan je od najvažnijihzadataka mikromehanike.

Mikromehanika Uvod

Zadaci mikromehanikeZadaci mikromehanikeSilicijum ipak ima dominantno mesto iz sledećih razloga:

- mehaničke karakteristike silicijuma mogu se uporediti skarakteristikama čelika, a u pogledu provodljivosti toplote,t t t ć j ili t j ti k ij jtemperaturnog opterećenja ili postojanosti na koroziju mnogo jebolji od većine metala; uz to ne pokazuje nikakve znake zamoramaterijala i nema histerezisa

- silicijum je materijal koji se u ovom trenutku može dobiti snajvećom čistoćom i savršenošću kristala u dovoljnim količinama i

materijala i nema histerezisa,

najvećom čistoćom i savršenošću kristala u dovoljnim količinama iželjenim geometrijskim dimenzijama po niskoj ceni.

Mikromehanika Uvod

Zadaci mikromehanikeZadaci mikromehanikeSilicijum ipak ima dominantno mesto iz sledećih razloga:

- neka od jedinjenja silicijuma (silicijumnitrid ili silicijumdioksid)karakterišu veoma dobre mehaničke karakteristike,

- važnu ulogu kod mnogih elemenata i sistema koje želimo realizovati mikromehaničkim tehnologijama igraju i električne g j g jfunkcije, a silicijum u ovom trenutku nudi najbolju osnovu za hibridnu ili monolitnu integraciju mehaničkih i električnih f k ijfunkcija.

Mikromehanika Uvod

Zadaci mikromehanikeZadaci mikromehanikeOdlučujući razlozi za dominaciju Si-tehnologije u mikromehanicisu i oni ekonomske prirodesu i oni ekonomske prirode.U njen razvoj su uložena velika sredstva koja je trebalo opravdatitime što je u svim oblastima primene potrebno realizovati logičke itime što je u svim oblastima primene potrebno realizovati logičke ifunkcije memorisanja, a nadjeni su i načini da se standardizovanekomponente (mikroprocesori i mikroračunari) programiranjemprilagode većini aktuelnih primena.

U ovome trenutku ne mogu se prepoznati oblasti mikromehanikeg p pkoje bi se mogle opsluživati standardizovanim hardverom. Čak i usenzorici, do sada najvećoj oblasti primene mikromehanike,

b j b k i ifič blik ipotrebno je barem za svaku primenu specifično oblikovatigraničnu površinu prema okolini (kućište i pasivirajuću zaštitu).

Mikromehanika Uvod

Zadaci mikromehanikeZadaci mikromehanike

Zidovi su visoki samo hiljaditi deomm Ceo čip uvećan do razmera ovemm. Ceo čip uvećan do razmera oveslike imao bi stranicu dugačku 6.5 km.

Mikromehanika Uvod

Zadaci mikromehanikeZadaci mikromehanike

Mikromeh. elementi imajut di i l t kttrodimenzionalnu strukturu,ponekad se zahteva injihova pokretljivostnjihova pokretljivost.

Stoga se razvoj tehnologije u mikromehanici usmerava na to da sepostupci poluprovodničke tehnologije učine primenljivim i zap p p p g j p jizradu trodimenzionalnih struktura.

kkMikromehanika Strukture

Osnovne strukture i Osnovne strukture i elementielementielementielementi

Analiza se mora ograničiti na kristalografske orijentacije pločakoje su uobičajene u poluprovodničkoj tehnologijikoje su uobičajene u poluprovodničkoj tehnologiji.

Ploče (111)-orijentacije su u mikromehanici ipak manje podesneod ostalih pošto upravo ove (111)-ravni obrazuju graničneod ostalih pošto upravo ove (111) ravni obrazuju graničnepovršine nagrizanja.

ŽŽl b il b iMikromehanika StruktureAnizotropno nagrizanjeAnizotropno nagrizanje ŽŽlebovi lebovi

(100)(100)(100)(100)

Nagibni gao graničnih (111) ra ni nagri anja odnos naNagibni ugao graničnih (111)-ravni nagrizanja u odnosu napovršinu ploče (100)-orijentacije iznosi 54,74o

Mikromehanika Strukture

ŽŽlebovi (100)lebovi (100)

Ob j žl b

Od ši i t

Obrazuje se V-žleb sauglom otvora od 70,52o.Odnos širine otvoražleba b i njegove dubineh definisan je relacijom:h definisan je relacijom:b = h.2



Kod ploča (110)-orijentacije 2 pramenaorijentacije 2 pramenagraničnih (111)-ravninagrizanja upravna suna površinu ploče igrade ugao od 109,48o.



D bi žl b ž d d t d j l j k jiDubina žleba može se dodatnom ugradnjom slojeva kojiograničavaju proces nagrizanja u vertikalnom pravcu.


Udubljenja (100)Udubljenja (100)

Bočne zidove nagrizenog udubljenjaobrazuju 4 granične (111) ravniobrazuju 4 granične (111)-ravninagrizanja, nagnute pod uglom od54,74o u odnosu na površinu ploče5 ,7 u od osu pov š u p oče(100)-orijentacije.

Dvostruka simetrija položaja (111)-ravni kod ploča (100)-orijentacijeravni kod ploča (100) orijentacijeuslovljava da se nagrizanjemobrazuju udubljenja piramidalnogoblika.



h

b = bm - h2m


Udubljenja (100)Udubljenja (100)Ukoliko su udubljenja pravougaone geometrije, dubina udubljenjaodredjena je dužinom kraće iviceodredjena je dužinom kraće ivice.


IspupIspupččenja (100)enja (100)


MembraneMembraneNa pločama (100)-orijentacije mogu se izradjivati prvenstvenopravougaone membrane, a na pločama (110)-orijentacijep g , p ( ) j jšestougaone.

Zahtevana debljina ovihb ižmembrana postiže se samo

formiranjem pouzdanihslojeva koji ograničavajuslojeva koji ograničavajuproces nagrizanja uvertikalnom pravcu.p


JeziJeziččciciKonzolno oblikovani jezičci se koriste kao mehaničkiaktivni elementi davačâ ubrzanja oscilacija iaktivni elementi davačâ ubrzanja, oscilacija ivibracija.

Mogu se izradjivati kako na pločama (100)- tako i napločama (110)-orijentacije.pločama (110) orijentacije.


JeziJeziččci (100)ci (100)

Proces nagrizanja započet je iz pravca konveksnih rogljeva.


JeziJeziččci (100)ci (100)


MostovMostovi (110)i (110)

Dvostrano oslonjeni mostovimogu se ponovljivo izradjivatimogu se ponovljivo izradjivatisamo na pločama (110)-orijentacije koje karakteriše velikao je c je oje e še vebrzina podgrizanja u pravcimaupravnim na (111)-pravce.


MostovMostovi (100)i (100)

Mostovi se mogu izradjivati i napločama (100) orijentacije ali samopločama (100)-orijentacije, ali samopod uslovom da kraci koji drže mostnisu paralelni bočnim ivicamasu p e boč v cnagrizenog udubljenja koje obrazujugranične (111)-ravni nagrizanja.


Strukture sloStrukture složženog oblikaenog oblika

Izotropne postupke mokrognagrizanja karakteriše manja tačnostnagrizanja karakteriše manja tačnostizrade, ali nema ograničenja vezanihza kristalografske uslove tako da ses og s e us ove o d semogu izradjivati elementi bilokakvog oblika.

Ni postupci anizotropnog suvognagrizanja nisu vezani za odredjenenagrizanja nisu vezani za odredjenekristalografske ravni tako da semogu realizovati bilo kakvi oblici.

P i iP i i iiMikromehanika Primene

PrimeriPrimeri primeneprimene μμ--elemenataelemenataelemenataelemenata

Najvažnije oblasti primene u ovom trenutku su:- senzori (senzori pritiska ubrzanja sile i zračenja hemijskisenzori (senzori pritiska, ubrzanja, sile i zračenja, hemijskisenzori i sistemi za analizu),

- aktuatori (indikatorski elementi, mikromehanički ventili i ( ,pumpe, mikroprekidači, modulatori svetlosti, mikromotori,elementi za mikropozicioniranje),

- elementi spajanja i montaže (minijaturni sistemi za hladjenječipa, nosači više čipova, elementi za podešavanje mikrooptičkihl t )elemenata),

- mehanički elementi opšte namene (mlaznice, filtri, optičkerešetke transmisione maske)rešetke, transmisione maske).

Mikromehanika Senzori

SenzoriSenzoriBrzi razvoj mikroelektronike omogućio je da se kao merni iregulacioni sistemi u sve većoj meri koriste digitalni sistemiregulacioni sistemi u sve većoj meri koriste digitalni sistemi.

Senzori sa analognim izlaznim električnim signalom (napon,t j ) d i t i ti di it l i t ćstruja) ne mogu se neposredno integrisati u digitalne sisteme već

je neophodno najpre njihov analogni signal transformisati udigitalnidigitalni.

Pored senzorâ sa analogno-digitalnim pretvaračem, važnu uloguigraju i senzori s frekvencnim izlazom.


Senzori pritiskaSenzori pritiska

Transformacija ugiba membrane u odgovarajuću električnuliči ž li i i i i k i l i iliveličinu može se realizovati npr. integrisanim monokristalnim ili

dielektrično izolovanim polikristalnim piezootpornicima.

Mikromehanika Primene

Piezootporni efekatPiezootporni efekatOd postupaka za transformaciju električnih signala u mehaničkeveličine ili obrnuto, koji se koriste u mikromehanici, treba

Električni otpor zavisi od geometrijskih dimenzija i specifičnogposebno istaći korišćenje piezootpornog efekta.

otpora materijala.Dejstvo mehaničkog naprezanja izaziva deformacije i kao

l di i j t ij d l i d l kt ičposledica izmenjene geometrije dolazi do promene električnogotpora. Pri tome se menja i specifični električni otpor što seoznačava kao piezootporni efekatoznačava kao piezootporni efekat.Kod metala veći uticaj ima promena oblika, kod većinepoluprovodnika promenu otpora odredjuje prvenstvenopoluprovodnika promenu otpora odredjuje prvenstvenopiezootporni efekat.

Automotive MEMS Sensors - Engine Management

Pressure Sensors: Working principlePressure Sensors: Working principle

S hi b

Pressure Sensors: Working principlePressure Sensors: Working principle

Sensor chip membrane

bonds

reference-vacuum

glass sockelmetal-housing

i lpressure inlet

4 otpornika vezana u puni Wheatstone-ov most.

AE/MKT-S | September 2005 | © Robert Bosch GmbH reserves all rights even in the event of industrial property rights. We reserve all rights of disposal such as copying and passing on to third parties.

Automotive Electronics

Automotive MEMS Sensors - Engine Management

P SP SSensor chip membrane

Pressure SensorPressure SensorSensor chip membrane

bonds

reference-vacuum

l k lglass sockel

metal-housing

i l tpressure inlet

AE/MKT-S | September 2005 | © Robert Bosch GmbH reserves all rights even in the event of industrial property rights. We reserve all rights of disposal such as copying and passing on to third parties.

Automotive Electronics



Piezootporni senzori pritiska d bij i i ldobijeni primenom planarne tehnologije i mikromašinstva, za merenjemikromašinstva, za merenje pritisaka od 0.5 do 1000 bara

Primenau industrijskim transmiterima pritiska- u industrijskim transmiterima pritiska,

- u medicinskoj instrumentaciji,

- u aerotunelima, moguće je do 10 000 merenja u sekundi.



Dimenzionisanje membrane definiše radnu oblast senzora, kojamože ležati izmedju 10 Pa i nekoliko stotina bara.Za realizovanje zahtevane debljine membrane pogodni su npr.slojevi sa visokom koncentracijom primesa bora ili ukopani pn-prelazi pri korišćenju elektrohemijskog postupka nagrizanja.



Kapacitivnomtransformacijom signalatransformacijom signalapostižu se znatno većeosetljivosti, kod senzoraose j vos , od se occa. 35% [promenakapaciteta/bar].

Dalje povećanjeosetljivosti ograničeno jeosetljivosti ograničeno jeminimalnim, tehnološkiostvarljivim rastojanjemizmedju elektroda.



Zavisnost ugiba membrane odpritiska je približno linearnapritiska je približno linearna.

Kapacitet je obrnuto propor-cionalan rastojanju elektroda,pa je zavisnost od pritiskaobrnuto proporcionalnaobrnuto proporcionalna.U poredjenju sa piezootpornim senzorima pritiska, senzori sakapacitivnom transformacijom signala su manje osetljivi nakapacitivnom transformacijom signala su manje osetljivi namehaničke napone uzrokovane montažom i zaštitom kućištem.

Tipične vrednosti kapacitivnosti leže u pF oblasti tako da jeTipične vrednosti kapacitivnosti leže u pF-oblasti tako da jepoželjna predobrada signala na samom čipu senzora.


MikrofonMikrofon



Senzor zvučnog pritiska, dimenzija 1,7mm x 2,0mm x 0,6mm,realizovan Si-tehnologijomrealizovan Si-tehnologijom.

Membranom dimenzija 800 x 800 μm2 i debljine 150 nmpostignuta je osetljivost od 0,2 [mV/Pa].



Frekventni dijagram za doze implantacije: a) 1·1o14cm-2

b) 8·1o14cm-2

Pošto se npr. implantacijom jona, može da utiče na naponistezanja Si3N4-membrane, isto konstruktivno rešenje može sekoristiti za različite frekventne oblasti.



Kao merna veličina može se, umestougiba membrane koristiti i sopstvenaugiba membrane, koristiti i sopstvenafrekvenca membrane pošto se i onaznačajno menja sa promenomč j o e j s p o e odiferencijalnog pritiska.

h debljina membrane1⎡ ⎤ h - debljina membrane,

f0 - sopstvena frekvenca neopterećenef = f c wh0 11

21

2

+ ⎛⎝⎜

⎞⎠⎟

⎡

⎣⎢⎢

⎤

⎦⎥⎥

membrane,

vrednost konstante c1 odredjuje

⎣⎢ ⎦⎥

1 j jgeometrija membrane (za membranukvadratnog oblika je c1 =1,464)


SenzoriSenzori pritiskapritiska

Mehaničke oscilacije membranesenzora koji leži u povratnoj sprezisenzora, koji leži u povratnoj sprezinekog oscilatora, pobudjujepiezoelektrični ZnO-sloj.p e oe e č O s oj.

Si-membrana, površine 1 mm2 idebljine 4 μm izradjena jedebljine 4 μm, izradjena jeanizotropnim nagrizanjem.

D blji l j b ilik t t klDebljina sloja bor-silikatnog staklaiznosi oko 1 μm, a debljina ZnO-sloja oko 4 5 μmsloja oko 4,5 μm.


PiezoelektriPiezoelektriččni efekatni efekat

Posebno interesantan za primenu u mikromehaničkim senzorima iaktuatorima je ZnO zbog intenziteta piezoelektričnog efekta iobrazovanja tvrdih slojeva koji dobro prianjaju za različite supstrate.



Mehaničke oscilacije membrane mogu se pobuditi i periodičnimdovodjenjem termičke energije.dovodjenjem termičke energije.Detekcija oscilacija membrane vrši se piezootpornicimaintegrisanim u membranu po njenom obodu


Senzori pritiskaSenzori pritiskaOscilacije se mogu pobuditi i detektovati i elektrostatički,

magnetno ilimagnetno ili optički


SenzoriSenzori pritiskapritiskaDeformacijom (ugibom) Si-membrane moduliše se intenzitet svetla (optički detektor pomeraja)(optički detektor pomeraja).

Na ovom principu radi senzor zaj i i k S S imerenje pritiska u SUS-motorima.


Senzori pritiskaSenzori pritiskaPrednosti:

rad na temperaturama do 400o- rad na temperaturama do 400o,

- neosetljivost na elektromagnetne smetnje i koroziju,

- primenljivost u eksplozivnim sredinama,

- male dimenzije,

- merno područje od 0-7 bar do 0-200 bar,

-frekventno područje od 0 01 Hz do 30kHz-frekventno područje od 0,01 Hz do 30kHz.

Mikromehanika Aktuatori

AktuatoriAktuatori

Aktuatori su elementi koji imaju zadatak da električnu energijutransformišu u mehaničkutransformišu u mehaničku.

Za moderne merne i regulacione sisteme je od velikog značaja da,k i i i k i b d k ibil i ik l k kikao i senzori, i aktuatori budu kompatibilni sa mikroelektronskimkomponentama tj. da vrednosti električnih upravljačkih veličinaaktuatora odgovaraju vrednostima koje su uobičajene uaktuatora odgovaraju vrednostima koje su uobičajene umikroelektronici.

d i h j i i ij i ij k k jMnoge od primena zahtevaju i minijaturizaciju aktuatora koja semože realizovati samo tehnologijama mikromehanike.


AktuatoriAktuatori

Do sada su za transformaciju energije kod mikromehaničkihaktuatora korišćeni prvenstveno sledeći efekti:aktuatora korišćeni prvenstveno sledeći efekti:

- elektrostatičke sile. Mikromehanička struktura, kao pokretnaelektroda menja svoj položaj u odnosu na nepomičnu protivelektrelektroda, menja svoj položaj u odnosu na nepomičnu protivelektr.

- termomehaničke sile. Dovodjenjem termičke energije sendvič-k i d ij l li i ih i kih k fi ij i jstrukturi od materijalâ različitih termičkih koeficijenata širenja.

- legure koje pamte oblik (Shape-Memory Alloys). Strukture od ovihlegura imaju osobinu da se iznad odredjene temperature ponovovraćaju u prvobitan oblik (prekidački sklopovi).


AktuatoriAktuatori- piezoelektrične sile. Dejstvo električnog polja na piezoelektrični materijal izaziva neku mehaničku devijaciju (promenu debljine). j j j (p j )


MikromehaniMikromehaniččki prekidaki prekidaččii

Konzolno oblikovani jezičci od SiO2 su veoma pogodna struktura zaizradu malih brzih mikromehaničkih prekidačaizradu malih, brzih mikromehaničkih prekidača.

Za pomeranje pokretnog elementa prekidača su do sada korišćeneuglavnom elektrostatičke sileuglavnom elektrostatičke sile.

Kod ovog rešenja struja teče vrlo tankom, provodnom površinomj ičk k j d š A d i j či jjezička koja dopušta samo μA-vrednosti jačine struje.



Završetak skretne elektrode je izveden u obliku kontaktnog luka kojiu zatvorenom položaju premošćuje dve nepomične elektrodeu zatvorenom položaju premošćuje dve nepomične elektrode.

Pošto se kontaktni luk može dimenzionisati prema očekivanoj jačinistruje, ovaj prekidač je pogodan za uključivanje znatno većih jačinastruje (Imax≈ 1A).


MikromehaniMikromehaniččki prekidaki prekidaččiiBrojne primene u industrijskim sistemima za kontrolu i proizvodimaširoke potrošnje zahtevaju prekidače koji se aktiviraju pri unapredširoke potrošnje zahtevaju prekidače koji se aktiviraju pri unapreddefinisanim vrednostima pritiska.

Od jednog takvog prekidača seOd jednog takvog prekidača seuobičajeno zahteva da imahisterezisnu karakteristiku prihisterezisnu karakteristiku priprelazu iz zatvorenog u otvorenipoložaj i obrnuto kako bi sesprečilo neželjeno aktiviranjeprouzrokovano malim varijacijamapritiska oko definisanih vrednostipritiska oko definisanih vrednosti.



Termomehanički aktuatorTermomehanički aktuator

Otkl h k l i iOtklon vrha konzole zavisi od intenziteta struje koja protiče kroz konzoluprotiče kroz konzolu.

Konzolom dimenzija l=1000 μm g=10 μm t=4 μm i h=50 μm,izradjenom od Ni, mogu se realizovati i otkloni veći od 100 μm.

Ovaj tip aktuatora može se koristiti kao mikroprekidač ili kaoj p pelement za mikropozicioniranje.


ModulatorModulatorii svetlosti svetlosti



Mikromehanički elementi seelementi se mogu koristiti kako za kontrolisanu modulaciju svetlosti tako i kao elementi optičkihoptičkih prikazivača (displeja). ( p j )


DMD ChipDMD Chip



Termomehanički aktuatoriblik j ič ku obliku jezičaka.

Ulaznom snagom od 250gmW realizuje se otklonjezička od 100 μm.

Jezičkom dužine 106 μm i širine 25 μm postiže se maksimalniugaoni otklon od 8,5o.Rezonantna frekvenca jezička iznosi oko 40 kHz.

Stabilni ravnotežni položaji postižu se samo pri naponima manjimStab av ote po o aj post u se sa o p apo a a jod 66 V.



Na osnovama oveh l ij ij itehnologije razvijena su i

rešenja projekcionihsistema za obradu kolor-sistema za obradu kolor-informacija.

Jedno od rešenja su reflektorski elementi koji se sastoje od triidentična ogledala po tački lika, za prenos tri osnovne boje kolor-informacije.

Elektrostatičkim upravljanjem savijenosti ovih jezičakae t ostat č up av ja je sav je ost ov je ča aodredjujemo koja će boja biti formirana na projekcionom sistemu.


MikroventiliMikroventili

Membrana je izradjena izotropnimprocesom mokrog hemijskogprocesom mokrog, hemijskognagrizanja Si visoko dopiranog B.

D j l k ičkih ilDejstvom elektrostatičkih silarealizujemo ugibanje membrane čijisredišnji deo zatvara otvor iznadsredišnji deo zatvara otvor iznadudubljenja formiranog nagrizanjemSi-supstrata.p


MikroventiliMikroventili

Protočni sistem s integrisanimpasivnim ventilompasivnim ventilom.


MikropumpeMikropumpe

Donja staklena ploča, debljine 1,6 mm, služi kao noseći supstrat,a gornja debljine 0 19 mm kao membrana pumpea gornja, debljine 0,19 mm, kao membrana pumpe.

Brzina pumpanja iznosi nekoliko μl/min.


MikropumpMikropumpa a


MikropumpeMikropumpe

Pored vanredno jednostavne strukture i niskih troškova izrade, kaoi dobre postojanosti na habanje, dinamičku mikropumpukarakterišu i relativno visoke radne frekvence zahvaljujući dobrimdinamičkim karakteristikama kanala ventila.


MikropumpMikropumpa a

Mikromehanika Štampači

Mlaznice InkMlaznice Ink--JetJet--štampaštampaččaaAko se opisanoj strukturi mlaznice dodaelektroda koja služi za naelektrisavanjeelektroda koja služi za naelektrisavanjekapljica mastila, a kojom se možeupravljati, kao i statička skretnaup v j , o s č s eelektroda u zoni putanje kapljica, dobijase aktivni sistem za štampanje.

Naelektrisane i nenaelektrisane kapljicesu prinudjene da se kreću različitimsu prinudjene da se kreću različitimputanjama tako da se procesomštampanja može upravljati.

Mikromehanika Štampači

InkInk--JetJet--štampaštampačči i


Atomski mikroskopAtomski mikroskop

Mikrošiljak može da prati dimen ije eličine atoma integrisanMikrošiljak može da prati dimenzije veličine atoma uz integrisanu pogonsku i senzorsku elektroniku.

P i l č dj l k l il k V d V lPrivlačne medjumolekularne sile, poznate kao Van der Vals-ove sile, izmedju atoma materije koja čini vrh šiljka i atoma preparata.


MikrošiljciMikrošiljciAFM cantilever in Scanning Electron Microscope magnification 1000x

Nano Diamond like CarbonNano Diamond like Carbon


Element za skaniranjeElement za skaniranje

Jezičak dimenzija 8μm x 200μm x 1000μm

Osetljivost jezička u vertikalnom pravcu iznosi 250 nm/V tako dase maksimalnim pobudnim naponom od 30 V može realizovatiotklon jezička u vertikalnom pravcu od 15 μm.


MikromotoriMikromotori (SLIGA) (SLIGA)


MikroMikrozupzupččanicianici


MikromotoriMikromotori


MikroturbineMikroturbine

Mikromehanika Minijaturni hvatači za mikromontažu

Minijaturni hvatači

Pod gipkim mehanizmima podrazumevaju se pokretljiveg p p j p jmaterijalno koherentne strukture, koje mogu da prenose sile itransformišu kretanje samo zahvaljujući elastičnosti odgovarajućihsegmenata strukture.


M d li j ik h t čModeliranje mikrohvatača


Mik h t čiMikrohvatači

Mikromehanika Sistemi za analizu

(Bio)hemijska analitika(Bio)hemijska analitikaVažno polje primene mikromehaničkih struktura i sistema jehemijska i biohemijska analitika, farmacija, kozmetika;hemijska i biohemijska analitika, farmacija, kozmetika;mikromehanički postupci omogućavaju izradu vrlo uskih kanala,membrana, ventila i drugih elemenata na istom Si-supstratu.

U poredjenju sa konvencionalnim, mikromehanički sistemi zaanalizu su manji, lakši i jednostavniji za transport, a i zapreminaj , j j p , pprobnog uzorka drastično je smanjena.

llMikromehanika Sistemi za analizuSistem za analizu gasova u Sistem za analizu gasova u

krvikrvikrvikrviKoristi se za invitro odredjivanjevitro odredjivanjeph-vrednosti.

Ć lij j di ijĆelija je dimenzija20mm x 20mm.

Zapremina komoresenzora iznosi cca.50 l l k50 nl, a celokupnoguzorka cca. 10 μl.

llMikromehanika Sistemi za analizuSistem za analizu gasova u Sistem za analizu gasova u

krvikrvikrvikrviJonski osetljivi MOS-tranzistor ISFET (Iontranzistor ISFET (IonSensitive FET).

K l d ij l k jiKalem od materijala kojipamti oblik, prečnika 3mm zagreva se strujommm, zagreva se strujomod cca. 1 A do kritičnetemperature od 50oC.p

Hod od cca. 1 mm

Mikromehanika Sistemi za analizuIspitivanje proticanja Ispitivanje proticanja

eritrocitaeritrocitaeritrocitaeritrocita

Membrana sa jednim otvorom, prečnika 5 μm, izradjenimbombardovanjem plastične folije, debljine 30 μm, jednim jedinimj p j , j μ , j jteškim jonom i naknadnim nagrizanjem tragom ovog jona.

Mikromehanika Implantati

Implantati srednjeg uha Implantati srednjeg uha

Zvučni talasi pobudjuju oscilovanje bubne opne koje se daljeZvučni talasi pobudjuju oscilovanje bubne opne koje se daljeprenosi slušnim koščicama srednjeg uha do slušnog nerva.


ImplantatiImplantati srednjegsrednjeg uhauhaА

Микрофонфон

офонCochlea

Аудиторни нервИмплантат

Кућиште екстерног р

дела

Кабл до звучногНиз електрода

Кабл до звучног процесора

Ek t i d l i ik f č i i k t i k lEksterni delovi su mikrofon, zvučni procesor i eksterni kanal, aunutrašnji kalem i hibridna elektroda.


ImplantatiImplantati srednjegsrednjeg uhauha

Metalne elektrode implatantasmeštene su u silikonu

Implantat firme MED-ELsmeštene su u silikonu.

Mikromehanika Medicina

ČČip za ip za ććelijeelijeU medicini ili biologiji često je potrebno analizirati pojedinačnećelije. To se postiže mikrosistemima koji su povezani s električnimćelije. To se postiže mikrosistemima koji su povezani s električnimpostupcima transporta. One omogućavaju transport ćelija u tečnostii čak njihovo bezdodirno zaustavljanje (držanje).

Elektrode po obodu formiraju električno polje koje pomeraunapred polarizovane ćelije.p p jPodesnim rasporedom polja 4 ili više elektroda mogu pojedinačnećelije, virusi ili makromolekuli da budu zadržani kao u nekomj ,kavezu i stabilizovani.

Mikromehanika Medicina

ČČip za ip za ććelijeelije

Mikromehanika AktuatoriMikroMikroturbina za medicinske turbina za medicinske

svrhesvrhesvrhesvrhe

Mikromehanicki Senzori i Aktuatori

Documents

Transcript of Mikromehanicki Senzori i Aktuatori