µ 2009 µ - na. · PDF fileSeries 52 Pressure Sensor , ......

1

“Ολοκληρωµένοι θερµικοί αισθητήρες – Αρχές λειτουργίας, πρωτότυπες ανεπτυγµένες διατάξεις”

01 Απριλίου 2009

ργ ς, ρ ς γµ ς ξ ς

∆ηµήτριος Νικόλαος Παγώνης∆ρ. Ηλεκτρολόγος Μηχανικός

Κύκλος σεµιναριακών διαλέξεων 2009

ΤΕΙ Αθηνών - Τµήµα Ναυπηγικής

Οργάνωση της παρουσίασηςΚύρια χαρακτηριστικά λειτουργίας αισθητήρων – τύποι αισθητήρωνΜικροσυστήµατα (MEMs) / Ολοκληρωµένοι θερµικοί αισθητήρες – βασικές αρχές

“Ολοκληρωµένοι θερµικοί αισθητήρες – Αρχές λειτουργίας, πρωτότυπες ανεπτυγµένες διατάξεις”

ρ ήµ ( ) ηρ µ ρµ η ήρ ς β ς ρχ ςλειτουργίαςΟλοκληρωµένος θερµικός αισθητήρας ροής αερίων

• Τεχνολογία θερµικής µόνωσης πορώδους πυριτίου - διάκενου αέρα• Κατασκευή του αισθητήρα• Στατικός και δυναµικός χαρακτηρισµός του αισθητήρα

Ανάπτυξη ολοκληρωµένων θερµικών αισθητήρων µικρο-ροής• Χρήση της τεχνολογίας πορώδους πυριτίου – διάκενου αέρα για την ανάπτυξη µικρο-καναλιών• Κ ή λ λ έ θ ή ή

ΤΕΙ Αθηνών – Τµήµα Ναυπηγικής, Κύκλος σεµιναριακών διαλέξεων 2009

• Κατασκευή ολοκληρωµένου αισθητήρα µικρο-ροής

Ολοκληρωµένοι αισθητήρες ροής σε υπόστρωµα τυπωµένων κυκλωµάτων (PCB)• Πλεονεκτήµατα, διαδικασία κατασκευής-αρχικά αποτελέσµατα

∆υνητικές εφαρµογές ολοκληρωµένων αισθητήρων σε πλοία – Συζήτηση

2

Η «έννοια» του αισθητήρα :

Οι συσκευές εκείνες που µετρούνµια φυσική ποσότητα και τη

έ έ έ θ

Κύρια χαρακτηριστικά λειτουργίας αισθητήρων –τύποι αισθητήρων

µετατρέπουν σε ένα µέγεθος(σήµα) που µπορεί να το διαβάσειένας παρατηρητής.[Handbook of Modern sensors, Physics, Design and Applications, J. Fraden]

Series 52 Pressure Sensor, Red Valve Co. Inc.


Τυπικά οι σύγχρονοι αισθητήρες νοούνται ως οι συσκευές πουδέχονται ένα ερέθισµα και αποκρίνονται σε αυτό µε ένα ηλεκτρικό σήµα.(µετατροπή ενός φυσικού µεγέθους εισόδου σε ένα σήµα συµβατό µε ταηλεκτρονικά κυκλώµατα).

,

Χαρακτηριστικά λειτουργίας αισθητήρων:

Συνάρτηση µετάθεσης (transfer function)

συνδέει την έξοδο του αισθητήρα µε το µετρούµενο µέγεθος

Μαθηµατική σχέση που εκφράζει την εξάρτηση του ηλεκτρικού σήµατος


Μαθηµατική σχέση που εκφράζει την εξάρτηση του ηλεκτρικού σήµατοςεξόδου (Τ) από το ερέθισµα (s): T = f (s)

Ευαισθησία (sensitivity)

Το µέτρο της µεταβολής εξόδου για µια δεδοµένη µεταβολή του µεγέθουςυπό µέτρηση

dT


Εµπεριέχει τη συνάρτηση µετάθεσης, T = f(s)

Για γραµµική συνάρτηση µετάθεσης:

T = a + b · sossds

dTS=

=

S = b

3


Ανάλυση (resolution) / διακριτική ικανότητα (discrimination)

ελάχιστη ποσότητα µετρούµενου µεγέθους που δύναται ναµετρηθεί, R


Μετρητικό πεδίο (measurement range)

ορίζεται από την ελάχιστη έως την µέγιστη τιµή του µετρούµενου

SnR L=

nL : το επίπεδο θορύβου - ελάχιστη δυνατήανιχνεύσιµη µεταβολή στοµετρούµενο µέγεθος

S : η ευαισθησία


µεγέθους που είναι σε θέση να καταγραφεί µε αποδεκτή ακρίβεια

Επαναληψιµότητα (repeatability)

αναφέρεται στο κατά πόσο ένας αισθητήρας είναι σε θέση να παράγει τοίδιο σήµα εξόδου για δεδοµένη τιµή του µετρούµενου µεγέθους και υπόταυτόσηµες συνθήκες


Θόρυβος (noise)

ανεπιθύµητο χαρακτηριστικό όλων των ηλεκτρονικών κυκλωµάτων

η βασική κατηγοριοποίηση των ειδών θορύβου γίνεται µε βάση την


προέλευσή τους:

• έµφυτος θόρυβος (inherent noise) - προκύπτει εντός τουκυκλώµατος

• µεταδιδόµενος θόρυβος (transmitted noise) - µεταδίδεταιστο κύκλωµα από εξωτερικές πηγές

Λόγος σήµατος προς θόρυβο N – (Signal to Noise Ratio)


⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛=

n

mR V

VN 10log20

Λόγος σήµατος προς θόρυβο, NR (Signal to Noise Ratio)

Vm : το µέσο επίπεδο της τιµής της τάσης του σήµατος

Vn : το µέσο επίπεδο της τιµής θορύβου τάσης.

4

Τύποι αισθητήρων

Γενική κατηγοριοποίηση ως παθητικοί ή ενεργοί (passive – active)[Handbook of Modern sensors, Physics, Design and Applications, J. Fraden]

• παθητικοί αισθητήρες : δεν απαιτείται εξωτερική πηγή ενέργειας για τηνλειτουργία τους - παράγουν ένα ηλεκτρικό σήµα σε ανταπόκριση


λειτουργία τους - παράγουν ένα ηλεκτρικό σήµα σε ανταπόκρισητου εξωτερικού ερεθίσµατος

• ενεργοί αισθητήρες : απαιτείται εξωτερική πηγή ενέργειας για τηλειτουργία τους

οµαδοποίηση µε βάση τη φύση του µετρούµενου µεγέθους(π.χ. αισθητήρες µετατόπισης / displacement sensors)


οµαδοποίηση µε βάση την αρχή λειτουργίας τους( π.χ. χωρητικοί αισθητήρες / capacitive sensors)

Φυσικοί αισθητήρες Χηµικοί αισθητήρες

Φαινόµενα µετατροπής που χρησιµοποιούνταιΜέσα ανίχνευσης που αξιοποιούνται προςί ύ έθ

Αισθητήρες : στηρίζουν τη λειτουργία τους στη µετατροπή ενέργειας από µιαµορφή σε κάποια άλλη, η οποία είναι πιο άµεση στην «ανάγνωσή» της.


Θερµότητα & Θερµοκρασία Χηµικά

ΗλεκτρικάΜαγνητικά &

ηλεκτροµαγνητικά κύµατα

Μηχανική µετατόπιση Μηχανικό κύµα

Ραδιενέργεια Ακτινοβολία (διάφορες

Φυσικοί αισθητήρες Χηµικοί αισθητήρεςΘερµοηλεκτρικό Χηµικός µετασχηµατισµός

Φωτοηλεκτρικό Φυσικός µετασχηµατισµός

Μαγνητοηλεκτρικό Ηλεκτροχηµική διαδικασία

Ηλεκτροµαγνητικό Φασµατοσκοπία

Θερµοελαστικό Άλλα

Ηλεκτροελαστικό Βιολογικοί αισθητήρες

Θερµοµαγνητικό Βιοχηµικός µετασχηµατισµός

ανίχνευση του µετρούµενου µεγέθους


Ραδιενέργεια µορφές)

Άλλα Βιολογικά

Θερµοοπτικό Επίδραση σε οργανισµούς

Πιεζοηλεκτρικό Φασµατοσκοπία

Άλλα Άλλα

[R.W. White, A sensor classification scheme. In: Microsensors. IEEE Press, New York,1991]

5

Μικροσυστήµατα (MEMs) / Ολοκληρωµένοι θερµικοί αισθητήρες-βασικές αρχές λειτουργίας

1947 : κατασκευή του πρώτου τρανζίστορ απόJ.Bardeen, W. Brattain and W. Shockley - Belllabs [Circuit element utilizing semiconducting material, W.

Τεχνολογία ολοκληρωµένων κυκλωµάτων - ICs

[ g g ,Shockley, U.S. Patent No 2,569,347 , issued at 25/09/1951]

[http://stochastix wordpress com/2007/12/17/transistor

1963 : ανάπτυξη τεχνολογίας ολοκληρωµένων κυκλωµάτων CMOS από F Wanlass


[http://stochastix.wordpress.com/2007/12/17/transistor-60th-anniversary]

κυκλωµάτων CMOS από F. Wanlass [Low Stand-By Power Complementary Field Effect Circuitry, F.Wanlass, U.S. Patent No 3,356,858, issued at 05/12/1967 ]

1947 : κατασκευή του πρώτου τρανζίστορ απόJ.Bardeen, W. Brattain and W. Shockley - Belllabs [Circuit element utilizing semiconducting material, W.

Τεχνολογία ολοκληρωµένων κυκλωµάτων - ICs


[ g g ,Shockley, U.S. Patent No 2,569,347 , issued at 25/09/1951]

[http://stochastix wordpress com/2007/12/17/transistor

σήµερα : εκατοµµύρια τρανζίστορ σε µίαψηφίδα (die)


[http://stochastix.wordpress.com/2007/12/17/transistor-60th-anniversary]

AMD Phenom II X4, quad-core processor No τρανζίστορ : ~758,000,000 [http://www.anandtech.com/printarticle.aspx?i=3512]

6

Στην δεκαετία του ’80, η ραγδαία ανάπτυξη της τεχνολογίαςολοκληρωµένων κυκλωµάτων ώθησε στην ανάπτυξη συσκευώνµειωµένων διαστάσεων µε βάση το πυρίτιο – µικροσυστηµάτων

Μικροαισθητήρας : αισθητήρας που έχει µια τουλάχιστον φυσική


Η µείωση των διαστάσεων στουςαισθητήρες επέφερε αντίστοιχη µείωσηστις τιµές του µετρούµενου µεγέθους, σεβελτίωση όσον αφορά στην ακρίβεια και

άλ ή

Μικροαισθητήρας : αισθητήρας που έχει µια τουλάχιστον φυσικήδιάσταση σε επίπεδο µικρότερο του 1mm[Microsensors, MEMS and Smart Devices, J. W. Gardner, V. K. Varadan, O.O. Awadelkarim, Wiley (2001)]


στην ανάλυση της συσκευής

Αριθµός τρανζίστορ/µP (Intel) παράλληλα µε τηνεξέλιξη των µικροσυστηµάτων (MEMs)[Trends and Frontiers of MEMs, W.H. Ko, Sensors andActuators A 136 (2007)]

Η δυνατότητα µαζικής επεξεργασίας(butch processing) οδηγεί σε µείωσηκόστους παραγωγής

Στην δεκαετία του ’80, η ραγδαία ανάπτυξη της τεχνολογίαςολοκληρωµένων κυκλωµάτων ώθησε στην ανάπτυξη συσκευώνµειωµένων διαστάσεων µε βάση το πυρίτιο – µικροσυστηµάτων

Μικροαισθητήρας : αισθητήρας που έχει µια τουλάχιστον φυσική


Η µείωση των διαστάσεων στουςαισθητήρες επέφερε αντίστοιχη µείωσηστις τιµές του µετρούµενου µεγέθους, σεβελτίωση όσον αφορά στην ακρίβεια και

άλ ή

Μικροαισθητήρας : αισθητήρας που έχει µια τουλάχιστον φυσικήδιάσταση σε επίπεδο µικρότερο του 1mm[Microsensors, MEMS and Smart Devices, J. W. Gardner, V. K. Varadan, O.O. Awadelkarim, Wiley (2001)]


στην ανάλυση της συσκευής

60 µm

[http://dev.emcelettronica.com/micro-electro-mechanical-systems-technology-mems]

Η δυνατότητα µαζικής επεξεργασίας(butch processing) οδηγεί σε µείωσηκόστους παραγωγής

Φωτογραφία ηλεκτρονικού µικροσκοπίουσάρωσης (SEM) µικροσυστήµατος (κεραίας)

7

Ολοκληρωµένοι θερµικοί αισθητήρες


Εµπλέκεται ο προσδιορισµός της θερµοκρασίας σε συγκεκριµένα σηµείαή περιοχές και η µετέπειτα εξαγωγή της τιµής του µετρούµενου µεγέθους ωςσυνάρτηση αυτής.

Μέθοδοι ανίχνευσης «θερµικής ροής» (thermal flow sensing) :[Silicon flow sensors, B.W. van Oudheusden, Sensors and Actuators A 30 (1992)]

Οι ανιχνευόµενες µεταβολές στη θερµοκρασία προκύπτουν ωςαποτέλεσµα της επίδρασης των µηχανισµών διάδοσης της θερµότητας,δηλαδή της αγωγής, της διαγωγής και της ακτινοβολίας.


• Ψύξη ενός θερµού σώµατος• Μεταφορά θερµότητας• Θερµική ανίχνευση (thermal tracing)

∆ιαγωγή µεταξύ ρευστού και θερµαντήρα

Πτώση θερµοκρασίας θερµαντήρα, ∆Τ= f (Uροής)








Ροή ρευστού

Ανίχνευση ροής µέσω της νέας κατανοµής

Ανοµοιόµορφηκατανοµήθερµοκρασίας

21

)()( ρρθ U⋅Τ−Τ∞∆Τ

8








Ανίχνευση ροής µέσω της χρονικής διάρκειας

Μέτρηση χρονικής διάρκειαςµετάβασης ενός θερµικούπαλµού µεταξύ δύο σηµείων

Μέτρηση θερµοκρασιακής διαφοράς µεταξύ δύο σηµείων

Ανοµοιόµορφη κατανοµή 5

ΤΘ

Μέταλλο Α Μέ αλλο Β5

Θερµοζεύγος Βασική αρχή λειτουργίας

Ολοκληρωµένος θερµικός αισθητήρας ροής αερίων

Ροή ρευστού

Ανίχνευση ροής µέσω της νέας κατανοµής

Ανοµοιόµορφη κατανοµήθερµοκρασίας (στη θερµικάµονωµένη επιφάνεια)

21

)()( ρρθ U⋅Τ−Τ∞∆Τ

ΤΨ4ΤΨ

1 2

3

ΤΑΤΑ

Μέταλλο Α Μέταλλο Β

Μέταλλο Γ

5


Αναγκαία η εύρεση τηςθερµοκρασιακής διαφοράς, ∆Τµεταξύ δύο συµµετρικώνσηµείων της νέας κατανοµής

Τθ > Tψ > ΤΑ όπου :Tθ : Θερµοκρασία θερµής περιοχήςΤψ : Θερµοκρασία ψυχρής περιοχής ΤΑ : Θερµοκρασία αναφοράς

9

5

ΤΘ

Μέταλλο Α Μέ αλλο Β5∫Θ

=T

dTaVV )(α

∆ιαφορά δυναµικού µεταξύ επαφών 1 & 2 Θερµοζεύγος



ΤΨ4ΤΨ

1 2

3

ΤΑΤΑ


Μέταλλο Γ

5∫Ψ

−=−T

BA dTaVV )(12 α

όπου : αΑ , αΒ οι συντελεστές seebeck των µετάλλων A & B αντίστοιχα

Για µικρή θερµοκρασιακή διαφορά µεταξύτης “θερµής” και “ψυχρής” περιοχής:



2 1 ( ) ( )

( )AB

ύVV V

aερµοζε γους α αΑ Β Θ Ψ

Θ

Θ

Ψ

− = = − ⋅ Τ − Τ

= ⋅ Τ − Τ

όπου : αΑΒ ο διαφορικός συντελεστής seebeck των δύο µετάλλων

5

ΤΘ

Μέταλλο Α Μέ αλλο Β5

Θερµοστοιχείο: (n) όµοια θερµοζεύγησυνδεµένα σε σειρά

Θερµοζεύγος



ΤΨ4ΤΨ

1 2

3

ΤΑΤΑ


Μέταλλο Γ

5

ό λ έ b k

[( ) ( )]ί ύ

A

V n V

n T Tερµοστοιχε ου ερµοζε γους

ψα αΘ Θ

Β Θ

= ⋅

= ⋅ − ⋅ −

Tn AB ∆⋅⋅= α



όπου : αΑ , αΒ οι συντελεστές seebeck των µετάλλων A & B αντίστοιχα

αΑΒ ο διαφορικός συντελεστής seebeck των δύο µετάλλων

10

Αρχή λειτουργίαςΘερµικά µονωµένη περιοχή

Θερµαντήρας (poly-Si)

Ωµικές έ (Al) ΤA ΤB


Θερµοστοιχεία

επαφές (Al) ΤA ΤB

∆Vtherm1 ∆VTherm2


ΤA = ΤB ∆Vtherm1= ∆Vtherm2

(Al / poly-Si)Αντίσταση αναφοράς ΤθΤsub

Ροή αερίου

Τ’A ≠ Τ’

B ∆V’therm1 ≠ ∆V’

therm2

Τεχνολογία θερµικής µόνωσης πορώδους πυριτίου – ∆ιάκενου αέρα

Απαραίτητη η αύξηση τηςθερµοκρασίας τοπικά στουπόστρωµα κατά τη διάρκεια

Αναγκαιότητα µείωσης θερµικών απωλειών - επιλεκτικού σχηµατισµού µιας θερµικά µονωµένης περιοχής στο


ρ µ η ρλειτουργίας του αισθητήρα

µ ς ρµ µ µ ης ρ χήςυπόστρωµα

Πορώδηςαιωρούµενηµεµβράνη

Θερµικά µονωµένη περιοχή


Si

Φωτογραφία οπτικού µικροσκοπίου ∆ιαστάσεις µονωµένης περιοχής : ~100 µm x 700 µm

Σχηµατική αναπαράσταση τοµής θερµικά µονωµένης περιοχής

11


Θερµικές αγωγιµότητες : 150 Wm-1Κ-1 για κρυσταλλικό πυρίτιο (υπόστρωµα) ≈ 1.2 Wm-1K-1 για poSi 2.62 x 10-2 Wm-1K-1 για αέρα


ΑιωρούµενηµεµβράνηpoSi

poSi

∆ιασφάλιση υψηλής τοπικής θερµικής µόνωσης στο υπόστρωµα


Si

Φωτογραφία οπτικού µικροσκοπίου ∆ιαστάσεις µονωµένης περιοχής : ~100 µm x 700 µm

poSi∆ιάκενο αέρα

Φωτογραφία ηλεκτρονικού µικροσκοπίου σάρωσης(SEM) Πάχος po-Si : ~ 10 µm, ∆ιακένου: ~ 2 µm

Εξίσωση διάχυσης θερµότητας (Heat Diffusion equation)

tTcq

zTk

zyTk

yxTk

x p ∂∂⋅⋅=+⎟

⎠⎞

⎜⎝⎛

∂∂

∂∂

+⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛∂∂

∂∂

+⎟⎠⎞

⎜⎝⎛

∂∂

∂∂ •

ρ



όπου :: ο καθαρός ρυθµός παραγωγής ή απώλειας ενέργειας (W/m3)

ρ : η πυκνότητα του υλικού (Kgr/m3)cp : η θερµοχωρητικότητα του υλικού (J/Kg/K)k : η θερµική αγωγιµότητα του υλικού (W/m/K)

•

q

όταν: , k σταθερό0=∂∂

tT

TqTTT ∂∂∂∂•

1222

όταν: k σταθερό


kq

zT

yT

xT

•

−=∂∂

+∂∂

+∂∂

2

2

2

2

2

2

Eξίσωση Poisson

∂ttT

akq

zT

yT

xT

∂∂⋅=+

∂∂

+∂∂

+∂∂ 1

222

pcka⋅

=ρ

όπου:, θερµική διαχυτότητα (thermal diffusivity)

12

Θερµαντήρας poly-Si

Αιωρούµενη µεµβράνη po-Si

Θεωρητική εκτίµηση της προσφερόµενης θερµικής µόνωσης

Εξάρτηση της θερµικής µόνωσης απότις διαστάσεις της τελικής Εξάρτηση θερµικής µόνωσης από

ά ώ Si (βάθ

(χρήση λογισµικού ανάλυσης πεπερασµένων στοιχείων Coventorware της Coventor)



Εξάρτηση θερµικής µόνωσης από βάθος διάκενου αέρα (πάχος

∆ιάκενο αέρα

µικροµηχανικής δοµής πάχος στρώµατος po-Si (βάθος κοιλότητας αέρα : 20 µm)

200220240260280300320340360380400420440460

ολή

θερ

µοκρασ

ίας

ν θερµαντήρα

(Κ

) Βάθος κοιλότητας : 20 µm

Οριακές συνθήκες:• Θερµοκρασία υποστρώµατος ίση µε

300 K

• ∆ιαστάσεις θερµικά µονωµένηςπεριοχής : 420 µm x 100 µm

• ∆ιαστάσεις θερµαντήρα πολύ-κρυσταλλικού πυριτίου : 20 µm x 100

βάθος διάκενου αέρα (πάχος στρώµατος po-Si : 5 µm)

βολή

θερ

µοκρασ

ίας

ν θερµαντήρα

(Κ

)

400

450

500

550

600

650

700

750

Πάχος αιωρούµενης ε βρά ης 5 m


Si10 15 20 25 30 35 40

100120140160180200

Μεταβ

στον

Πάχος αιωρούµενης µεµβράνης πορώδους πυριτίου (µm)

κρυσταλλικού πυριτίου : 20 µm x 100µm x 0.5 µm

• Εφαρµοζόµενη ροή θερµότητας στοθερµαντήρα ίση µε : 8.57 x 106 W/m2

(αντιστοιχεί σε ~71 mW)

Μεταβ

στον

5 10 15 20 25 30 35 40 45 50300

350

400 µεµβράνης : 5 µm

Βάθος κοιλότητας κάτω από τη µεµβράνη poSi (µm)

Θερµαντήρας

Θερµή επαφή θερµοστοιχείων

ΟξείδιοΟ έ θή

Προσοµοίωση θερµοκρασιακήςκατανοµής στην επιφάνεια τουολοκληρωµένου αισθητήρα ροής

Κατασκευή του αισθητήρα



Μεµβράνη po-Si

Οξείδιο

Θερµοστοιχεία Al/poly-Si

Οριακές συνθήκες:• Θερµοκρασία υποστρώµατος ίση µε 300 K

• ∆ιαστάσεις θερµικά µονωµένης περιοχής :100 µm x 100 µm

• Πάχος αιωρούµενης µεµβράνης / βάθοςκοιλότητας αέρα : 10 µm /10 µm

• ∆ιαστάσεις θερµαντήρα πολύ-κρυσταλλικούπυριτίου : 20 µm x 100 µm x 0.5 µm

Οξ ίδ (TEOS) ά 100 ά θ


Si

x

y z

300Κ 384Κx

y z

Παρεχόµενη ισχύς = 35 mW

• Οξείδιο (TEOS) πάχους 100 nm άνωθεν τηςσχηµατισµένης δοµής

• Θερµοστοιχεία Αλουµινίου /πολυκρυσταλλικού πυριτίου (πλάτους 20 µmκαι πάχους 0.5 µm) σε απόσταση 20 µm απότον θερµαντήρα

13

Αύξηση της θερµοκρασίας τουθερµαντήρα συναρτήσει τηςπαρεχόµενης ισχύος :



άνεια

(Κ)

50 mW (poSi)35 mW (poSi/∆ιάκενο)35 mW (poSi)

380

390

= 1.67 Κ /mW

(εφαρµογή µόνο po-Si πάχους 40 µm)

= 2.4 K/mW

µενηεισερχ

ραθερµαντ

ό

ή

P∆Τ

ραθερµαντ ή'∆Τ

οκρασία στην

µονω

µένη

επιφά

320

330

340

350

360

370


(εφαρµογή τεχνολογίας poSi / ∆ιάκενοαέρα)

µενηεισερχόPΘερ

µο

ΤΘ2ΤΘ1Απόσταση από το θερµαντήρα (µm)

-100 -50 0 50 100300

310

Σχηµατισµός θερµικάµονωµένης περιοχήςΠολυκρυσταλλικό

∆ιαδικασία κατασκευής (συµβατή µε CMOS)



µονωµένης περιοχής

Σχηµατισµός πρώτου µέρουςθερµοστοιχείων / θερµαντήρα

Θερµικάµονωµένη περιοχή

πυρίτιο

Αλουµίνιο

(2)

(3)

(4)

Κρυσταλλικό πυρίτιο (1)


Ολοκληρωµένος θερµικός αισθητήρας ροής αερίων(1) - υπόστρωµα(2) - θερµικά µονωµένη περιοχή (poSi-∆ιάκενο αέρα)(3) - θερµαντική αντίσταση και πρώτο µέρος των θερµοστοιχείων(4) - δεύτερο µέρος των θερµοστοιχείων και ωµικές επαφές

Σχηµατισµός δεύτερουµέρους θερµοστοιχείων/ ωµικών επαφών

14



Φωτογραφίες οπτικού µικροσκοπίου τουολοκληρωµένου θερµικού αισθητήρα ροής

Αιωρούµενη µεµβράνη

Si


Μέρος της θερµικά µονωµένηςαιωρούµενης δοµής

100 µm



Θερµαντήρας (poly-Si)

Θερµοστοιχεία (Al/poly-Si)



Θερµοστοιχεία Αλουµινίου/poly-Siεκατέρωθεν της θερµαντικήςαντίστασης100 µm

15




ΘερµαντήραςΘερµαντήρας (poly-Si) Al

Αιωρούµενη µεµβράνη


Κάτω τµήµα θερµικής αντίστασης . ∆ιακρίνεταιη διεπαφή αλουµίνιου – πολυκρυσταλλικούπυριτίου

100 µm

Αύξηση της θερµοκρασίας στην επιφάνεια του θερµαντήρα συναρτήσει της παρεχόµενης ισχύος

Ρυθµός αύξησης της


Λειτουργία και χαρακτηρισµός του αισθητήρα

2100

2200 Νέα τεχνολογία θερµικής µόνωσης Υπάρχουσα τεχνολογία θερµικής µόνωσης

Ω)

Τεχνολογία poSi / ∆ιάκενο αέραΣυµπαγής µεµβράνη poSi

(Ω)

µ ς ξη ης ηςηλεκτρικής αντίστασηςτου θερµαντήρασυναρτήσει της αύξησηςτης θερµοκρασίας του :

1.64 Ω / Κκαι για τις δύοπεριπτώσεις θερµικής

1700

1800

1900

2000

Αντίσταση

Θερ

µαντήρα

(ΩΑντίσ

ταση

θερ

µαντήρα


περιπτώσεις θερµικήςµόνωσης

40 60 80 100 120 140 160 180 200

1600

Θερµοκρασία θερµαντήρα (οC)Θερµοκρασία θερµαντήρα (oC)

16

Ρυθµός αύξησης τηςηλεκτρικής αντίστασηςτου θερµαντήρα

Νέα τεχνολογία poSi/∆ιάκενο αέραΥπάρχουσα τεχνολογία poSi)

2100 Νέα τεχνολογία θερµικής µόνωσης Υπάρχουσα τεχνολογία θερµικής µόνωσηςΤεχνολογία poSi/∆ιάκενο αέραΣυµπαγής µεµβράνη poSi



του θερµαντήρασυναρτήσει τηςπαρεχόµενης ισχύος σεαυτόν:

2.69 Ω / mW(συµπαγής µεµβράνη poSi)

Αντίσ

ταση

θερ

µαντήρα

(Ω)

1700

1800

1900

2000

ντίσταση

Θερ

µαντήρα

(Ω)

ντίσταση

θερ

µαντήρα

(Ω)


Θερµοκρασία θερµαντήρα (oC)

Α

0 5 10 15 20 25 30 35 40 451500

1600Αν

Παρεχόµενη Ισχύς (mW)Παρεχόµενη Ισχύς (mW)

Αν 3.69 Ω / mW(τεχνολογία poSi/∆ιάκενο αέρα)

250

300

α (Κ

) Τεχνολογία Πορώδους πυριτίου άνωθεν ∆ιάκενου Αέρα Υπάρχουσα τεχνολογία Πορώδους πυριτίουΤεχνολογία poSi/∆ιάκενο αέραΣυµπαγής µεµβράνη poSi

ρα (Κ

)

Ρυθµός αύξησης τηςθερµοκρασίας τουθερµαντήρα στην µονωµένη

ή ή



100

150

200

250

η θερµοκρασίας

θερ

µαντήρα

θερµοκρασίας

θερ

µαντήρ περιοχή συναρτήσει της

παρεχόµενης ισχύος σεαυτόν:

1.64 K / mW(συµπαγής µεµβράνη poSi)

2.25 K / mW


0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 1300

50

Παρεχόµενη Ισχύς (mW)

Αύξησ

η

Παρεχόµενη Ισχύς (mW)

Αύξησ

η (τεχνολογία poSi/∆ιάκενο αέρα)

Θερµ. προσοµοιώσεις :• 1.67 K/mW• 2.4 K/mW αντίστοιχα

17

Συσκευασία (packaging) του ολοκληρωµένου αισθητήρα ροής αερίων

Κοπή της ψηφίδας µικρο-αισθητήρα (διαδικασία dicing saw)

Συγκόλληση σε φορέα από PCB

∆ιασύνδεση της διάταξης (διαδικασία


∆ιασύνδεση της διάταξης (διαδικασίαwire bonding) – επικοινωνία µε τονµακρόκοσµο


Τυπικό δισκίο πυριτίου 3 ιντσών στο τέλοςτης διαδικασίας ανάπτυξης των µικρο-αισθητήρων

Συσκευασία (packaging) του ολοκληρωµένου αισθητήρα ροής αερίων

Κοπή της ψηφίδας µικρο-αισθητήρα (διαδικασία dicing saw)

Συγκόλληση σε φορέα από PCB

∆ιασύνδεση της διάταξης (διαδικασία


Σύρµα αλουµινίουΈξοδος αερίου

Προσαρµογή PCB σε κατάλληλοηµικυλινδρικό κανάλι

∆ιασύνδεση της διάταξης (διαδικασίαwire bonding) – επικοινωνία µε τονµακρόκοσµο Ηµικυλινδρικό κανάλι


Επαφές Cu

Είσοδος αερίου

18

Απόκριση (responsivity) των θερµοστοιχείων του αισθητήρα

7

8

9 Τεχνολογία Πορώδους πυριτίου άνωθεν ∆ιάκενου Αέρα Υπάρχουσα τεχνολογία Πορώδους πυριτίουΤεχνολογία poSi/∆ιάκενο αέραΣυµπαγής µεµβράνη poSi

Αναπτυσσόµενη τάση σταάκρα κάθε θερµοζεύγουςσυναρτήσει της

ό ύ


2

3

4

5

6

7

VΘερ

µοζεύγος

(mV

)Vθερµοζεύγος(m

V)

παρεχόµενης ισχύος:

0.081 V / W(συµπαγής µεµβράνη poSi)

0.110 V / W(τεχνολογία poSi/∆ιάκενο αέρα)


0 10 20 30 40 50 60 70 800

1

Ισχύς(mW)Παρεχόµενη Ισχύς (mW)

~36% αύξηση για τηνίδια παρεχόµενη ισχύ

∆υναµικός χαρακτηρισµός του αισθητήρα σε συνθήκες ροής αερίου αζώτου

• Αέριο : Άζωτο (Ν50)

• Στρωτή ροή στο κανάλι : 0 - 2000 sccm (0 - 9.4313 m/sec ταχύτητα αερίου)


Συσκευή ελέγχου

Αέριο Ν2

Ελεγκτής ροής

∆ιάταξη διαµόρφωσης ροής / Αισθητήρας

Βαλβίδες


Η/Υ Ηλεκτρόµετρο Πολύµετρο Πηγή Ρεύµατος

19

Ε θ ί ά ύ

Αναπτυσσόµενη διαφορά δυναµικού ανάµεσα στα δύο θερµοστοιχεία συναρτήσει της διερχόµενης ροής



0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

φορά

θερ

µοστοιχέιων

(mV)

Tεχνολογία poSi/∆ιάκενο αέρα Συµπαγής µεµβράνη poSi

Ευαισθησία ανά ισχύθέρµανσης (sensitivity perheating power):

Sp = 6.86

S ’ = 14

PU

VS ά

p⋅

= ςδιαφορ σε WmmV

⋅sec)/(

WmmV

⋅sec)/(

mV0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

φορά

θερ

µοστοιχέιων

(mV

) Τεχνολογία poSi/∆ιάκενο αέρα Συµπαγής µεµβράνη poSi

Ευαισθησία (sensitivity):

U

VS άςδιαφορ= sec)/(m

mVσε

S = 0.24

S’= 0.49

sec)/(mmV

sec)/(mmV


1,5 2,0 2,5 3,0 3,50,0

∆ιαφ

Ροή αερίου ⎟⎠⎞⎜

⎝⎛

secm

Sp = 14 WmmV

⋅sec)/(

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 100,0

∆ιαφ

Ροή αερίου (m/sec)

Ισχύς στον θερµαντήρα : 35 mW

1,0

Αναπτυσσόµενη διαφορά δυναµικού ανάµεσα στα δύο θερµοστοιχεία συναρτήσει της διερχόµενης ροής Ισχύς στον θερµαντήρα :



0 4

0,6

0,8

,

ερµοστοιχέιων

(mV

)

Tεχνολογία poSi/∆ιάκενο αέρα, 35 mWΣυµπαγής µεµβράνη poSi, 48 mWΣυµπαγής µεµβράνη, 40 mWΣυµπαγής µεµβράνη, 35 mW

• 35 mW (τεχνολογίαpoSi/∆ιάκενο αέρα)

• 40-60 mW (συµπαγής µεµβράνη poSi)

Μείωση της παρεχόµενηςισχύος περίπου κατά :


2 3 4 5 6 7 8 9 10

0,2

0,4

∆ιαφο

ρά θε

Ροή αερίου (m/sec)

37 %

σε σύγκριση µε χρήσησυµπαγούς µεµβράνηςpoSi

20

Αρχή λειτουργίας αισθητήρα

Υπόστρωµα SiSι

Ανάπτυξη ολοκληρωµένων θερµικών αισθητήρων µικρο-ροής

(Α)

Έξοδος ρευστού Μικρο-κανάλι ΑντιστάσειςΠορώδες επίπεδο Επαφές

Είσοδος ρευστού

(1)


(Β) Υπόστρωµα Si(2) Si

Κάτοψη (1) και τοµή (2) του αισθητήρα

Χρήση τεχνολογίας poSi/∆ιάκενου αέρα για τη δηµιουργία µικροκαναλιών στο υπόστρωµα Si


Κ λό

Μεµβράνη poSi


Προσαρµογή της τεχνολογίας ως προς :

∆ιαστάσεις αιωρούµενων µεµβρανών (πλάτος < 30 µm)

Βάθος της κοιλότητας (>20 µm)

Μορφολογία του πυθµένα της


Φωτογραφία ηλεκτρονικού µικροσκοπίου σάρωσης (SEM)τοµής αιωρούµενης µεµβράνης poSi στο κρυσταλλικόυπόστρωµα

Κοιλότητα ρφ γ µ ηςκοιλότητας

21

Βάθος κοιλότητας αέρα>20 µm

Χρήση τεχνολογίας poSi/∆ιάκενου αέρα για τη δηµιουργία µικρο-καναλιών στο υπόστρωµα Si


Οµοιόµορφος πυθµένας

Επίπεδη οροφή τουµικρο-καναλιού (πάχοςπορώδους επιπέδου ίσο µε0.8 µm)

Μεµβράνη poSi

Κοιλότητα

Πλευρική δοκός στήριξης

Si


Φωτογραφία ηλεκτρονικού µικροσκοπίου σάρωσης (SEM)τοµής σχηµατισµένου µικρο-καναλιού στο κρυσταλλικόυπόστρωµα

poSi

Κοιλότητα

Κατασκευή ολοκληρωµένου θερµικού αισθητήρα µικρο-ροής ρευστών (microfluidic sensor)

Σχηµατισµένο


Οπές εισόδου/εξόδου του ρευστού

Σχηµατισµένο µικρο-κανάλι


Φωτογραφίες ηλεκτρονικούµικροσκοπίου σάρωσης (SEM)σχηµατισµένων µικρο-καναλιών –οπών εισόδου/εξόδου ρευστού

22

Κατασκευή ολοκληρωµένου θερµικού αισθητήρα µικρο-ροής ρευστών (microfluidic sensor)


Οπές εισόδου/εξόδου του ρευστού

poSi

Κανάλι Αντιστάσεις


p

Οπτική φωτογραφία ολοκληρωµένου θερµικού αισθητήρα µικρο-ροής

440

460 0 µl/min 3 µl/min 8 µl/minφά

νεια

(Κ)

Οριακές συνθήκες:• Θερµοκρασία

Προσοµοίωση θερµοκρασιακής κατανοµής στην επιφάνεια του ολοκληρωµένου αισθητήρα µικρο-ροής


300

320

340

360

380

400

420

Tem

pera

ture

o Kµοκρασ

ία στην

µονω

µένη

επιφυποστρώµατος ίση µε

300 K

• Ακτίνα ηµικυλινδρικούκαναλιού: 20 µm

• Θερµαντήρας πλάτους10 µm σε σταθερήθερµοκρασία 450 Κ,είναι τοποθετηµένοςκάθετα πάνω από το


-100 -75 -50 -25 0 25 50 75 100280

Distance from heater (µm)

Θερ

µ

Απόσταση από το θερµαντήρα (µm)

κάθετα πάνω από τοµικρο-κανάλι

Ακόµα και σε ροή 3 µl/min παρατηρείται σηµαντική ασυµµετρία στηθερµοκρασιακή κατανοµή άνωθεν του µικρο-καναλιού

23

Πλεονεκτήµατα της τεχνολογίας

Ολοκληρωµένοι θερµικοί αισθητήρες σε πλακέτα τυπωµένου κυκλώµατος (PCB)

Τυπική διαδικασία ολοκληρωµένωνµικρο-αισθητήρων στο Si

• Κατασκευή του µικρο-αισθητήρα σευπόστρωµα πυριτίου

Ολοκλήρωση των αισθητήριων στοιχείων καιτων αντίστοιχων ηλεκτρονικών στο ίδιουπόστρωµα (PCB)Απαλοιφή του σταδίου διασύνδεσης

• Κοπή ψηφίδας µικρο-αισθητήρα(διαδικασία die cutting)

• Συγκόλληση ψηφίδας σε ηλεκτρονικήπλακέτα τυπωµένου κυκλώµατος(PCB)

• ∆ιασύνδεση της διάταξης µέσωσυρµάτων αλουµινίου µε τονµακρόκοσµο (διαδικασία wire

Μικρο-αισθητήρας Σύρµα Al

Επίπεδη τελική δοµήΧαµηλότερο κόστοςΜικρότερος χρόνος κατασκευήςΜη αναγκαία η χρήση καθαρού χώρουΥψηλός βαθµός θερµικής µόνωσης


bonding)

Επαφές Cu

Επαφές χαλκού

Αισθητήρια στοιχεία

PCB

Κυριότερη δυσκολία κατασκευήςΟι ζητούµενες αντιστάσειςυλοποιούνται µέσω πολύ λεπτών( hi fil ) ά άλλ

Cu Cu

Pt

30 µm

300 nmΑπευθείας εναπόθεση Pt σε PCB

30 µm

300 nmρήξη στρώµατος Pt


∆ιαδικασία κατασκευής των µικρο-αισθητήρων

(thin film) στρωµάτων µετάλλουπλατίνας τα οποία εναποτίθενταιστις γραµµές χαλκού τηςπλακέτας

30 µm

Ε ή C

Θερµαντήρας Pt Η µεγάλη διαφορά πάχους τωνδύο µετάλλων καθιστάαπαραίτητο ένα βήµα

Pt

30 µmCu Cu


PCB

Επαφή Cu

Αναλογία πάχους Cu και PtΦωτογραφία ηλεκτρονικού µικροσκοπίουσάρωσης (SEM)

εξοµάλυνσης πριν την εναπόθεση,προκειµένου να υπάρχεισυνέχεια στη διαδροµή τηςπλατίνας

CuPCB

Aπευθείας εναπόθεσης Pt σε (PCB)Φωτογραφία οπτικού µικροσκοπίου

24

∆ιαδικασία κατασκευής των µικρο-αισθητήρων

Επιλεκτική εγχάραξη του χαλκού στην πλακέτα - διαµόρφωση των επαφών Cu


Εναπόθεση και επιλεκτική εγχάραξη στρώµατος εξοµάλυνσης (ρητίνη SU-8)

Εναπόθεση και επιλεκτική εγχάραξη στρώµατος πλατίνας –διαµόρφωση

θερµαντήρων πλατίνας


Αρχικά αποτελέσµατα µέτρησης ροής αερίου

Ohm

)

Αναπτυσσόµενη διαφορά αντίστασης µεταξύ συµµετρικών R1 και R2συναρτήσει της διερχόµενης ροής


ντίσταση

ς µεταξύ

R1

&R

2(O

Ρεύµα θερµαντήρα

R1 R2


∆ιαφορ

ά αν

Ροή αερίου (SLPM)

Ροή

Θερµαντήρας

25

Τάση αυτοµατοποίησης του ελέγχου διατάξεων ασφαλείας στα πλοία

Το εύρος των εφαρµογών των µικρο-αισθητήρων είναι εκτεταµένο

Ο ρόλος των µικρο-συστηµάτων / µικρο-αισθητήρων αναµένεται να είναι καθοριστικός

∆υνητικές εφαρµογές ολοκληρωµένων αισθητήρων σε πλοία – Συζήτηση (1/2)

∆υνητικές εφαρµογές µικρο-αισθητήρων της παρουσίασης

Eφαρµογή στον αυτόµατο έλεγχο ασφάλειας ή καλής λειτουργίας συστηµάτωνµέσω µεµονωµένων µικρο-αισθητήρων ή δικτύου αυτών κατάλληλακατανεµηµένο στο πλοίο

Πίεσης : ∆ιατάξεις υπό πίεση (π.χ. αεροφιάλες εκκίνησης


ης ξ ς η ( χ ρ φ ς η ηςκύριων µηχανών)

Ανίχνευση αερίων : Μέτρηση NOΧ (σύµβαση MARPOL), ανίχνευση υψηλής συγκέντρωσης επικίνδυνων αερίων (π.χ. gas freeing σε ∆/Ξ πλοία)

Ροής αερίων : Συστήµατα αερισµού / κλιµατισµού πλοίων

Ροής ρευστών : Ανίχνευση σφάλµατος σε δίκτυα έρµατος, σεντινών (ballast/bilge), SLUDGE, παροχής λιπαντικού ελαίου /καυσίµου κύριων µηχανών λόγω διαρροής

∆υνητικές εφαρµογές ολοκληρωµένων αισθητήρων σε πλοία – Συζήτηση (2/2)

/καυσίµου κύριων µηχανών λόγω διαρροής ή µηχανικής κόπωσης αντλιών / διαχωριστήρων

Επιτάχυνσης : Έλεγχος κραδασµών (π.χ. αξονικού συστήµατος)


26

∆ηµοσιεύσεις στο έργο της παρουσίασης

∆ιεθνή περιοδικά[J-01] D. Pagonis, G. Kaltsas and A.G. Nassiopoulou, “Implantation masking technology for selective porous

silicon formation”, Phys. Stat. Sol. (a) 197 / 1 241-245 (2003)[J-02] G. Kaltsas, D.N. Pagonis, A.G. Nassiopoulou, “Planar CMOS compatible process for the fabrication of

buried microchannels in silicon, using porous-silicon technology”, IEEE J. of MEMS 12 6, 863 – 872(2003)

[J-03] D.N. Pagonis, A.G. Nassiopoulou and G. Kaltsas, ”Porous silicon membranes over cavity for efficient[ ] g , p , ylocal thermal isolation in Si thermal sensors”, J. of the Electrochemical Society, 151, (8), H174 – H179(2004)

[J-04] D.N. Pagonis, A.G. Nassiopoulou and G. Kaltsas, ” Fabrication and testing of an integrated thermal flowsensor employing thermal isolation by a porous silicon membrane over an air cavity”, J. of Micromech.Microeng. 14,1-5, 793-797 (2004)

[J-05] D.N. Pagonis, A.G. Nassiopoulou, “Free-Standing Macroporous Silicon Membranes Over a large Cavityfor filtering and lab-on-chip applications”, Microelectronic Engineering 83, 1421–1425 (2006)

[J-06] D.N. Pagonis and A.G. Nassiopoulou, “Formation of confined macroporous silicon membraneson pre-defined areas on the Si substrate”, phys. stat. sol. (a) 204, 5, 1335–1339 (2007)

[J 07] D N P i A Petropo los G Kaltsas A G Nassiopo lo and A Tserepi “No el microfl idic flo


[J-07] D.N. Pagonis, A. Petropoulos, G. Kaltsas, A. G. Nassiopoulou and A. Tserepi, “Novel microfluidic flowsensor based on a microchannel capped by porous silicon”, phys. stat. sol. (a) 204, 5, 1474–1479 (2007)

[J-08] G. Kaltsas, A. Petropoulos, K. Tsougeni, D. N. Pagonis, T. Speliotis, E. Gogolides and A. G.Nassiopoulou, “A novel microfabrication technology on organic substrates - Application to a thermal flowsensor” , J. of Physics : Conference Series : 92 , 012046 (2007)

∆ίπλωµα ευρεσιτεχνίας“Low Power Silicon Thermal Flow Sensors and Microfluidic Devices Using Porous Silicon Sealed Air Cavity onMicrochannels”, A.Nassiopoulou,G.Kaltsas and D.Pagonis, WO03062134, (2003) - United States Patent Νο 20050072926

µ 2009 µ - na. · PDF fileSeries 52 Pressure Sensor , ......

Documents

Transcript of µ 2009 µ - na. · PDF fileSeries 52 Pressure Sensor , ......