Miernictwo przemysłowe 5. Sensory inteligentne, komunikacja i technologia.

Prezentacja na temat: "Miernictwo przemysłowe 5. Sensory inteligentne, komunikacja i technologia."— Zapis prezentacji:

1 Miernictwo przemysłowe 5. Sensory inteligentne, komunikacja i technologia

2 1.Struktura sensorów inteligentnych i komunikacja 2.Materiały stosowane w konstrukcji sensorów, 3.Procesy technologiczne grubowarstwowe i mieszane 4.Obudowy układów 1.Struktura sensorów inteligentnych i komunikacja 2.Materiały stosowane w konstrukcji sensorów, 3.Procesy technologiczne grubowarstwowe i mieszane 4.Obudowy układów Tematyka zajęć.

3 1.Golonka L. Zastosowanie ceramiki LTCC w mikroelektronice, Oficyna Politechniki Wrocławskiej 2001 2.Nowosielska M., Nowe materiały i technologie. Projekt pilotażowy UE Leonardo da Vinci -SENSOR MM11, 2003 3.Bolikowski J., Podstawy projektowania inteligentnych przetworników pomiarowych wielkości elektrycznych, Wydawnictwo Wyższej Szkoły Inżynierskiej w Zielonej Górze 1993 4.Middelhoek S., Handbook of Sensors and Actuators, Inteligent sensors, ELSEVIER, 1996 LITERATURA

4 Struktura sensorów inteligentnych i komunikacja Rys. 1 Główne elementy czujnika inteligentnego ASIC (struktura). PROCESOR STERUJĄCY ELEMENT CZUJNIKA WZM PRZETW. ANALOGOWE KONWERSJA DANYCH PRZETW. CYFROWE KOMUNIKACJA SZYNA DANYCH ZMIENNE WEJŚCIOWE MINITOROWANIE MAT RYC A CZUJ NIK ÓW WZ MA CNI AC ZE MU LTI PL EK SE R ELEMENTY WYKONAWCZE USTAWIENIE WZMOCNIEŃ A/C AUTO - TEST AUTO - KALIBRACJA MIKROPROCESORMIKROPROCESOR MAGISTRALAMAGISTRALA PAMIĘĆINTELIGENTNY PRZETWORNIK POMIAROWY ……… Rys.2 Schemat blokowy przetwornika pomiarowego i sposób podłączenia do obiektu

5 Struktura sensorów inteligentnych i komunikacja Rys.3 Podział czujników (hierarchia i struktury).

6 Materiały stosowane w konstrukcji sensorów MEMS jest skrótem od: Micro – Electro – Mechanical Systems, co oznacza „systemy mikro – elektro – mechaniczne". Technologie układów 1.CMOS, 2.BiPolar 3.lub BiCMOS), Podzespoły MEMS to: mikrotechnologia 1.mikroobróbki 2.mikrowytwarzania 3.mikromechaniki 4.mikroelektroniki 1.Mikroczujniki 2.Mikrourządzenia sterujące 3.Mikroelektronika 4.Mikrostruktury Podstawowe procesy MEMS to: IC procesy, do których zalicza się: Utlenianie Dyfuzja LPCVD - niskociśnieniowe osadzanie z fazy gazowej fotolitografia epitaksja napylanie katodowe Procesy mikroobróbki, 1.mikroobróbka przestrzenna 2.mikroobróbka powierzchni 3.łączenie płytek 4.głęboka obróbka krzemu R1E (reaktywne trawienie jonowe) 5.LIGA (litografia, galwanoplastyka, formowanie) 6.mikroformowanie Urządzenia MEMS są niezmiernie małe (np. elektryczne silniki są mniejsze niż średnica włosa ludzkiego), Mikrosensory, rozwijają się od 1980 roku i nazywano je czujnikami inteligentnymi. Mikroczujniki, czyli czujniki z częściami ruchomymi zostały po raz pierwszy zastosowane na skalę przemysłową w 1985 roku.

7 Materiały stosowane w konstrukcji sensorów Elementy bierne Pełnią funkcję: podtrzymującą w konstrukcji mechanicznej lub połączenia elektrycznego. Si GaAs SiO 2 Si 3 N 4 Gęstość [kg/m 3 ]2,335,3161,5443,44 Temperatura topnienia[°C]1,411,511,881,9 Przewodność cieplna [w/m/K]168476,5-1119 Stała dielektryczna11,7124,5 - 4,37,5 Moduł Younga [GPa]190-380 Tabl. 11.1 Właściwości fizyczne niemetalicznych materiałów biernych AlAu Cr Ti Gęstość [kg/m 3 ]2,69919,3207,1944,508 Temperatura topnienia [°C]660106418751660 Przewodność cieplna [W/m/K]2363199722 Praca wyjścia [eV]4,35,14,54,3 Moduł Younga [GPa]707827940 Tabl. 11.2 Właściwości fizyczne metalicznych materiałów biernych. Elementy czynne mikroczujniki fotoczułe, piezoelektryczne, magnetorezystancyjne czy chemoczułe Gęstość [kg/m 3 ]Temperatura topnienia [°C] Przewodność elektryczna [10 3 S/cm] Przewodność cieplna [W /m/K] termiczne Pt21,4717699x10 4 72 promieniowanie Ge5,3239373X10" 4 67 mechaniczne Kwarc - cięcie AT1,54418805,12,8 magnetyczne Fe - czyste7,874153510 5 449 chemiczne SnO 2 6,950136niska- Tabl. l1.3 Niektóre właściwości materiałów czynnych.

8 Technologia planarna krzemowych układów scalonych (IC) Planarne wytwarzanie krzemowych układów scalonych (ICs) obejmuje następujące procesy: 1.narost kryształu i epitaksja 2.utlenianie i osadzanie cienkich warstw 3.dyfuzja lub implantacja domieszek półprzewodników 4.litografia i trawienie 5.metalizacja i wykonywanie połączeń 6.testowanie i hermetyzacja. Rys. 11.3. Monolityczne technologie krzemowych ICs - wg [3]

9 Technologia planarna krzemowych układów scalonych (IC) Dyfuzja i implantacja jonów Utlenianie Litografia i wytrawianie Osadzanie Metalizacja i wykonywanie połączeń Pasywacja i hermetyzacja. LPCVD (Low Pressure Chemical Vapor Deposition, nisko ciśnieniowe chemiczne osadzanie z fazy lotnej) lub CVD (Chemical Vapour Deposition, chemiczne osadzanie z fazy lotnej)

10

11

12

13

14

15 Technologia planarna krzemowych układów scalonych (IC) Rys. 11.4. Proces wytwarzania n-kanałowego MOSFET-u przy zastosowaniu krzemowej technologii planarnej - wg[3].

16 Materiały stosowane w konstrukcji sensorów Procesy osadzania warstw można podzielić na dwie zasadnicze grupy: Reakcje fizyczne: osadzanie fizyczne z fazy gazowej naparowywanie napylanie wylewanie ablacja laserowa Reakcje chemiczne: osadzanie fizyczne z fazy gazowej (CVD) nakładanie elektrolityczne epitaksja – ciekła, gazowa, molekularna utlenianie chemiczne Osadzanie chemiczne z fazy gazowej (CVD) Rys. 11.7. Uproszczona struktura komory reaktora - wg[2]

17 Materiały stosowane w konstrukcji sensorów Niskociśnieniowe CVD (LPCVD) Rys. 11.8 Typowy reaktor LPCVD z podgrzewaną ścianą - wg [1]

18 Materiały stosowane w konstrukcji sensorów Rys. 11.12. Parowanie materiału przy zastosowaniu wiązki elektronów - wg[1w] Rys. 11.13. Parowanie - osadzanie cienkich warstw metalu w komorze próżniowej - wg[2] Rys. 11.14. Proces napylania katodowego w komorze próżniowej - wg[2]

19 Materiały stosowane w konstrukcji sensorów Rys. 11.9. Typowy układ dla nakładania elektrolitycznego - wg[l1] Rys. 11.10. Typowy reaktor o zimnej ścianie do epitaksji z fazy gazowej -wg [1w]

20 Materiały stosowane w konstrukcji sensorów Rys. 11.10. Typowy reaktor o zimnej ścianie do epitaksji z fazy gazowej -wg [1w]

21 Materiały stosowane w konstrukcji sensorów Rys.11.15. Napylanie z zastosowaniem częstotliwości radiowych do uzyskiwania plazmy – wg [1w] Rys.11.16 Proces wylewania wirowego –wg [1w]

22 Materiały stosowane w konstrukcji sensorów Rys.11.17. Anizotropowe i izotropowe wytrawianie na mokro – wg [1w] Rys.11.18 Typowy schemat systemu jednoczesnego reaktywnego wytrawiania wielu płytek w procesie wytrawiania jonami reaktywnymi – wg [1w] Głębokie RIE (DRIE)

23 Materiały stosowane w konstrukcji sensorów Rys.11.21. a – Przenoszenie wzoru przez maskę fotolitograficzną do warstwy leżącej poniżej poprzez wytrawianie, b – Przenoszenie wzoru przez maskę fotolitograficzną do warstwy leżącej na podłożu (i usunięcie maski). – wg [1w]

24 Materiały stosowane w konstrukcji sensorów Rys.11.22. Znaczniki – wg [1w]