Pobieranie prezentacji. Proszę czekać

Pobieranie prezentacji. Proszę czekać

Mikrosensory półprzewodnikoweWykład 2, 2010/111 Podstawowe pojęcia i definicje Mikrosensory półprzewodnikowe.

Podobne prezentacje


Prezentacja na temat: "Mikrosensory półprzewodnikoweWykład 2, 2010/111 Podstawowe pojęcia i definicje Mikrosensory półprzewodnikowe."— Zapis prezentacji:

1 Mikrosensory półprzewodnikoweWykład 2, 2010/111 Podstawowe pojęcia i definicje Mikrosensory półprzewodnikowe

2 Wykład 2, 2010/112 Plan Sensor, processor, actuator - definicje Charakterystyki sensorowe – podstawowe parametry Przykłady urządzeń MEMS

3 Mikrosensory półprzewodnikoweWykład 2, 2010/113 Schemat przetwarzania informacji Fizyczna granica systemu Sygnał wejściowy Sygnał wyjściowy Sensory wymagające zasilania nazywamy biernymi lub parametrycznymi, np. pojemnościowe, rezystancyjne Sensory czynne lub generacyjne generują sygnał elektryczny (napięcie) pod wpływem zmian wielkości mierzonej, np. termopary, sensory piezoelektryczne, fotowoltaiczne

4 Mikrosensory półprzewodnikoweWykład 2, 2010/114 Sensory analogowe czy cyfrowe? Analogowe Jako sygnał wyjściowy otrzymujemy ciągły zbiór wartości zarówno w czasie jak i w zmiennych przestrzennych Większość wielkości mierzonych jest z natury analogowa Przykłady: temperatura, przesunięcie, natężenie światła Cyfrowe Sygnał wyjściowy przybiera dyskretne wartości (występuje w postaci krokowej lub w postaci stanów) Sygnały cyfrowe są bardziej powtarzalne, niezawodne i łatwiejsze do przesyłania Przykłady: czytnik pozycji, detektor kąta skręcenia lub momentu siły WałKoła zębate Przesunięcie w czasie jest miarą kąta skręcenia

5 Mikrosensory półprzewodnikoweWykład 2, 2010/115 Wielkości: C - (bio)chemiczna M - magnetyczna Me - mechaniczna R - radiacyjna T - termiczna E - elektryczna Funkcje elementów systemu

6 Mikrosensory półprzewodnikoweWykład 2, 2010/116 Sensor (czujnik, detektor) Sensor powinien mierzyć wielkości fizyczne lub chemiczne nie modyfikując własności ośrodka, w którym jest umieszczony (idealna sonda). Mikrosensory mają przewagę nad tradycyjnymi sensorami gdyż ze względu na mały rozmiar są mniej inwazyjne i pracować mogą w bardzo małej przestrzeni (np. w naczyniach krwionośnych, w cylindrach silników samochodowych). Do tej pory dominującą techniką wytwarzania mikrosensorów jest mikroinżynieria (microengineering). Technika ta prowadzi do miniaturyzacji, poprawy parametrów pracy urządzenia oraz zmniejszenia kosztów produkcji (przykładem może być rynek czujników ciśnienia czy akcelerometrów) Co rozumiemy pod terminem microengineering dowiemy się w dalszej części wykładu.

7 Mikrosensory półprzewodnikoweWykład 2, 2010/117 Actuator (aktor, siłownik) Termin angielski actuation odnosi się do czynności powodowania lub przekazywania mechanicznego ruchu, siły lub pracy przez urządzenie do jego otoczenia w odpowiedzi na zmianę napięcia polaryzacji lub prądu płynącego przez to urządzenie. Mikroaktory oddziaływują z otoczeniem. Przykładami mikroaktorów są:  mikropompy  wtryskarki atramentu  elementy komunikacji optycznej  lustra skanujące

8 Mikrosensory półprzewodnikoweWykład 2, 2010/118 Jakie korzyści płyną z miniaturyzacji? Oczekiwania związane ze zmniejszaniem rozmiarów sensorów są takie same jak w mikroelektronice: zmniejszenie ceny zwiększenie niezawodności poprawa parametrów pracy (np. szybkości) nowe funkcje i zastosowania

9 Mikrosensory półprzewodnikoweWykład 2, 2010/119 Przykład zmniejszania ceny produktu Miniaturyzacja tranzystorów i opanowanie technik wykonywania połączeń elektrycznych pozwoliły zwiększyć szybkość działania mikroprocesorów (z 100 MHz w 1995 r. do 2.4 GHz w 2003) przy zachowaniu praktycznie stałej ceny sprzedaży. Cena produkcji 1 mln tranzystorów na płytce zmalała w sposób spektakularny.

10 Mikrosensory półprzewodnikoweWykład 2, 2010/1110 JAK MAŁE JEST MIKRO, NANO?

11 Mikrosensory półprzewodnikoweWykład 2, 2010/1111 „There is plenty of room at the bottom” Richard Feynman, 1959 W 1959 Jack Kilby (TI) zademonstrował pierwszy monolityczny układ scalony Konstrukcja została później ulepszona (Robert Noyce z Fairchild Semiconductor)

12 Mikrosensory półprzewodnikoweWykład 2, 2010/1112 Reguły skalowania Skalowanie czyli zmniejszanie lub zwiększanie wymiaru. Nas interesuje tzw. scaling down. Przy zmniejszaniu rozmiaru urządzeń i systemów niektóre efekty są korzystne a niektóre niekorzystne. Korzyści:Problemy: szybkość i dokładność niezawodność i połączenie z makroświatem W naturze występuje adaptacja rozmiaru, np. mniejsze organizmy mają cienkie kończyny i muszą sobie radzić z utratą ciepła

13 Mikrosensory półprzewodnikoweWykład 2, 2010/1113 Stosunek powierzchni do objętości Powierzchnia A jest proporcjonalna do kwadratu wymiaru liniowego L: A~L 2 Objętość V jest proporcjonalna do sześcianu wymiaru liniowego L: V~L 3 A L A/V~1/L A L

14 Mikrosensory półprzewodnikoweWykład 2, 2010/1114 Mikrostruktury mają znacznie większy stosunek powierzchni do objętości niż struktury milimetrowe. Przy zmniejszeniu rozmiaru liniowego 1000 razy stosunek powierzchni do objętości rośnie 1000 razy Wniosek: L [m]A/V [1/m] mikro mili

15 Mikrosensory półprzewodnikoweWykład 2, 2010/1115 Skalowanie Galileo: Dialogue Concerning Two New Sciences, 1638 Rozważmy kość, której długość wynosi l. Długość ta charakteryzuje wysokość albo rozmiar liniowy zwierzęcia. Szerokość kości wynosi b. Wytrzymałość kości jest proporcjonalna do b 2. Wytrzymałość kości jest również proporcjonalna do masy m. b l

16 Mikrosensory półprzewodnikoweWykład 2, 2010/1116 Skalowanie Galileo: Dialogue Concerning Two New Sciences, 1638 Masa (przy stałej gęstości) skaluje się jak: gdzie: b l Stała c charakteryzuje wewnętrzną strukturę zwierzęcia a nie jego rozmiar.

17 Mikrosensory półprzewodnikoweWykład 2, 2010/1117 Skalowanie Co się stanie gdy chcemy zmienić rozmiar liniowy l o czynnik f czyli f- razy? więc: To pokazuje, że olbrzymie zwierze nie może mieć takich samych proporcji jak małe. Skoro stała c ma pozostać bez zmian szerokość b musi się zmienić f ’ razy tak aby:

18 Mikrosensory półprzewodnikoweWykład 2, 2010/1118 Przykład: Problem King Konga Gigant taki jak popularny filmowy King Kong miałby problemy gdyby proporcje jego ciała były takie same jak człowieka. Załóżmy, że King Kong ma 60 ft wzrostu i stoi na palcach. Czy ścięgno Achillesa wytrzyma takie naprężenie? Naprężenie ścięgna Achillesa człowieka mającego 6 ft wzrostu, ważącego w=180 lb wynosi T=310 lb. Ścięgno pęka przy 1500 lb.

19 Mikrosensory półprzewodnikoweWykład 2, 2010/1119 Rozwiązanie: dla człowieka siła naprężenia ścięgna Achillesa

20 Mikrosensory półprzewodnikoweWykład 2, 2010/1120 dla King Konga λ=10 bo King Kong jest 10 razy większy niż człowiek ścięgno King Konga wytrzymuje λ 2 (1500 lb)=150,000lb Wniosek: Gigant taki jak King Kong przy proporcjach człowieka nie mógłby stać, chodzić ani biegać.

21 Mikrosensory półprzewodnikoweWykład 2, 2010/1121 Jakie to ma znaczenie? Oddziaływanie gazu z powierzchnią ciała stałego – większa czułość sensorów chemicznych Szybkie odprowadzanie ciepła, trudno utrzymać gradient temperatury w mikroskali Przepływ masy nasyca się szybko w małej objętości, równowaga ustala się szybko, trudno utrzymać gradient koncentracji Zanieczyszczenie powierzchni odgrywa dużą rolę w mikroskali

22 Mikrosensory półprzewodnikoweWykład 2, 2010/1122 Reguły skalowania wielkości mechanicznych ObjętośćV~L 3 PowierzchniaA~L 2 Masa *, m= ρVm~L 3 Siła F=mΔv/ΔtF~L 2 Przyspieszenie a=F/ma~1/L Częstotliwość ff~1/L Moc P= ΔW/ ΔtP~L 2 Gęstość mocyP/V~1/L * przy założeniu stałej gęstości ρ

23 Mikrosensory półprzewodnikoweWykład 2, 2010/1123 Reguły skalowania innych wielkości fizycznych Napięcie, UU=const Pole elektryczne E=grad VE~1/L Rezystancja, R=l/(σA)R~1/L Pojemność, C=ε o A/dC~L Natężenie prądu I=U/RI~L Indukcja pola magnetycznego, BB=const Pojemność cieplna C v (jak masa)C v ~L 3 Liczba Reynoldsa ReRe~L

24 Mikrosensory półprzewodnikoweWykład 2, 2010/1124 Jak widzi świat mikrosensor? Typowa wielkość L=100 μmL=10 μm Objętość1 nanolitr1 pikolitr Masa1 μg1 ng Siła nN0.1-1 nN Pole E dla 1V V/m V/m Częstotliwość kHz0.1-1 MHz Stała czasowa μs1-10 μs

25 Mikrosensory półprzewodnikoweWykład 2, 2010/1125 Siły dominujące w mikroskali

26 Mikrosensory półprzewodnikoweWykład 2, 2010/1126 Oddziaływania, które w makroświecie nie odgrywają dużej roli ze względu na ich charakter krótkozasięgowy, mają olbrzymie znaczenie w mikro i nanoskali. Są to np, oddziaływania Van der Waalsa, a także oddziaływanie dipolowe, wiązania wodorowe, efekty lokalnego elektrostatycznego naładowania powierzchni

27 Mikrosensory półprzewodnikoweWykład 2, 2010/1127 Napięcie powierzchniowe Napięcie powierzchniowe to siła na jednostkę długości, która utrzymuje powierzchnię płynu Duże napięcie powierzchniowe dominuje w mikro i nanoświecie

28 Mikrosensory półprzewodnikoweWykład 2, 2010/1128 Przedmiot: Fizyka LICZBA REYNOLDSA współczynnik lepkości płynu charakterystyczny rozmiar ciała przepływ laminarny: Re<<1 gęstość płynu prędkość przepływ turbulentny

29 Mikrosensory półprzewodnikoweWykład 2, 2010/1129 Przepływ laminarny Liczba Reynoldsa zmniejsza się proporcjonalnie do rozmiaru obiektu. Dla obiektu o rozmiarach 100 μm Re≈0.1 podczas gdy przepływ turbulentny wymaga Re ≈2000 Przepływy charakterystyczne dla mikrokanałów są laminarne bez mieszania cieczy

30 Mikrosensory półprzewodnikoweWykład 2, 2010/1130 Zjawiska obserwowane w mikroskali Przy rozmiarach ok. 50 μm nieciągłość materii staje się istotna. Prawa fizyki, które mają zastosowanie do makroświata przestają dobrze opisywać takie obiekty Polikryształy zbudowane są z ziaren krystalicznych o rozmiarach ok.10 μm. To wpływa na własności cieplne, elektryczne i mechaniczne materiałów

31 Mikrosensory półprzewodnikoweWykład 2, 2010/1131 Studnie, druty i kropki kwantowe 3D bulk 2D QWell 1D QWire 0D QDot Gęstość stanów g(E) jako funkcja energii elektronu E

32 Mikrosensory półprzewodnikoweWykład 2, 2010/1132 Charakterystyka sensora – przykład charakterystyki liniowej Warunki w jakich może pracować sensor: zakres temperatur, przyspieszeń, częstotliwość drgań, wytrzymałość na wstrząsy, ciśnienie zewnętrzne (np. wysokość na jakiej może pracować), wilgotność, podatność na korozję, wpływ pola elektromagnetycznego

33 Mikrosensory półprzewodnikoweWykład 2, 2010/1133 Ważne parametry charakterystyk sensorowych Full scale output FSO czyli pełny zakres sygnału wyjściowego = algebraiczna różnica pomiędzy skrajnymi wartościami sygnału wyjściowego (odpowiedzi) Measurand range czyli zakres wielkości mierzonej = przedział wartości mierzonej, dla której przewidziano możliwość pomiarów przy pomocy sensora; podaje się górną i dolną granicę wielkości mierzonej Offset czyli przesunięcie zera = wartość sygnału wyjściowego sensora, w temperaturze pokojowej zazwyczaj, dla zerowej wartości wielkości mierzonej

34 Mikrosensory półprzewodnikoweWykład 2, 2010/1134 Histereza a powtarzalność

35 Mikrosensory półprzewodnikoweWykład 2, 2010/1135 Linearity czyli liniowość charakterystyki = miara odległości pomiędzy krzywą kalibracyjną a wybraną linią prostą. Liniowość jest mierzona jako maksymalne odchylenie dowolnego punktu krzywej kalibracyjnej od linii prostej ustalonej podczas jednego cyklu procedury kalibracyjnej. Jest wyrażana w % FSO. Jeżeli ustalona linia prosta łączy dwa punkty skrajne (0 i 100%) to wynik tej procedury nazywamy: end-point or terminal- based linearity Hysteresis czyli histereza = maksymalna różnica w sygnale wyjściowym dla dowolnej wartości mierzonej w zakresie, kiedy wielkość ta jest osiągana najpierw przy wzroście a następnie przy zmniejszaniu sygnału wejściowego. Jest wyrażana w % FSO.

36 Mikrosensory półprzewodnikoweWykład 2, 2010/1136 Repeatability czyli powtarzalność = zdolność sensora do odtwarzania wartości wyjściowych w temperaturze pokojowej, dla tej samej wielkości mierzonej w warunkach kolejnych powtórzeń eksperymentu w tym samym kierunku. Jest wyrażana jako maksymalna różnica wartości wyjściowych w kolejnych cyklach kalibracyjnych. Podawana jako „w zakresie x%” FSO Resolution czyli rozdzielczość = najmniejszy przyrost wielkości mierzonej konieczny do uzyskania zauważalnej zmiany wielkości wyjściowej. Kiedy przyrost wielkości mierzonej jest odniesiony do zera, ten parametr nosi nazwę progu (threshold)

37 Mikrosensory półprzewodnikoweWykład 2, 2010/1137 Selectivity czyli selektywność = zdolność do pomiaru jednej wielkości w obecności innych wielkości (np. wodoru w obecności CO) Sensitivity czyli czułość = stosunek zmiany wielkości wyjściowej do zmiany wielkości mierzonej (wejściowej). Jej miarą jest nachylenie krzywej kalibracji. Dla sensora, którego sygnał wyjściowy jest związany z wielkością mierzoną x równaniem y=f(x), czułość S(x a ), w punkcie x a, wyraża się jako: Wskazanym jest dążenie do dużej i możliwie stałej czułości (ściśle stałą wartość otrzymuje się dla y=ax+b)

38 Mikrosensory półprzewodnikoweWykład 2, 2010/1138 Speed of response (response time) czyli czas odpowiedzi = czas,dla którego sygnał wyjściowy osiąga 63% (tj. 1/e) swojej wartości końcowej w odpowiedzi na zmianę skokową wielkości mierzonej Stability czyli stabilność = zdolność sensora do utrzymania swojej charakterystyki pomiarowej przez określony czas. Często stabilność określa się jako zdolność sensora do odtwarzania wartości wyjściowych otrzymanych podczas kalibracji początkowej, w temperaturze pokojowej, w określonym przedziale czasu. Zazwyczaj wyrażana w % FSO

39 Mikrosensory półprzewodnikoweWykład 2, 2010/1139 Output format czyli format sygnału wyjściowego = zazwyczaj wielkości elektrycznej, sygnał analogowy (amplituda napięcia, stosunek napięć, zmiany pojemności) lub sygnał cyfrowy (binary code) Overload characteristics czyli charakterystyka przeciążenia. Przeciążenie (lub przekroczenie zakresu pomiarowego) jest to maksymalna wartość sygnału wejściowego, którą można podać na sensor nie powodując zmiany jego działania określonej tolerancją Recovery time czyli czas powrotu = czas potrzebny na to, aby po usunięciu przeciążenia sensor pracował znowu w granicach określonych tolerancją

40 Mikrosensory półprzewodnikoweWykład 2, 2010/1140 Metody wytwarzania mikrosensorów - mikroinżynieria

41 Mikrosensory półprzewodnikoweWykład 2, 2010/1141 Co oznacza termin „microengineering”? Microengineering czyli mikroinżynieria odnosi się do technologii i metod wytwarzania struktur i urządzeń trójwymiarowych o rozmiarach rzędu mikrometrów. Są dwie technologie określane mianem mikroinżynierii: mikroelektroniczna (microelectronics) i mikromechaniczna (micromachining). Technologia mikroelektroniczna, wytwarzająca układy elektroniczne na krzemie czyli technologia układów scalonych jest bardzo dobrze rozwinięta. Technologia mikromechaniczna obejmuje wszystkie techniki używane do wytwarzania struktur i części ruchomych w mikrosystemach. Jednym z głównych celów mikroinżynierii jest integracja układów mikroelektroniki ze strukturami mikromechanicznymi tak aby wytwarzać całkowicie zintegrowane systemy tzw. mikrosystemy. Takie mikrosystemy powinny zapewniać te same korzyści jak układy scalone na krzemie czyli niski koszt, niezawodność działania i mały rozmiar.

42 Mikrosensory półprzewodnikoweWykład 2, 2010/1142 Układy mikro-elektro-mechaniczne (Micro- Electro-Mechanical Systems MEMS) W USA technologia ta nosi nazwę MEMS; w Europie znana jest jako technologia mikrosystemów (Microsystems Technology MST). MEMS stanowi portfolio technik i procesów do projektowania i tworzenia systemów w skali mikro. Technologia ta wytwarza produkty wysoce wyspecjalizowane pod kątem konkretnych zastosowań. Trudno jest kupić produkt MEMS danego rodzaju w sklepie elektronicznym. „MEMS is a way of making things”. Łączy sensorowe funkcje z aktorami, obliczeniami i komunikacją aby kontrolować lokalnie parametry fizyczne w mikroskali.

43 Mikrosensory półprzewodnikoweWykład 2, 2010/1143 Struktura mikrosystemu

44 Mikrosensory półprzewodnikoweWykład 2, 2010/1144 Krzemowy mikrołańcuch pracuje w przekładni Zawiasy

45 Mikrosensory półprzewodnikoweWykład 2, 2010/1145 Dlaczego MEMS są użyteczne? Nie tylko małe rozmiary MEMS są istotne. Mały rozmiar MEMS w odniesieniu do sensorów oznacza jego mniejszą interferencję z otoczeniem niż w przypadku klasycznych urządzeń. Sieć sensorów może wykorzystywać redundancję czyli nadmiar. MEMS w odniesieniu do aktorów ma tę zaletę, że ich ruch jest bardzo precyzyjny. MEMSy mogą być umieszczane w małych przestrzeniach jak w silnikach samochodowych, małych urządzeniach i żywych organizmach..

46 Mikrosensory półprzewodnikoweWykład 2, 2010/1146 Obszary zastosowań MEMS Inwazyjne i nieinwazyjne sensory biomedyczne Miniaturowe biochemiczne urządzenia analityczne Systemy wspomagania pracy serca np. rozruszniki, cewniki Systemy podawania leków Zaburzenia neurologiczne Kontrola pracy silnika i napędu Bezpieczeństwo użytkowników samochodów, w systemach hamowania i zawieszenia Obróbka sygnałów elektromechanicznych Układy rozłożone sensorów do monitorowania stanu zdrowia pacjentów Układy sensorów do kontroli systemów aerodynamicznych i hydrodynamicznych

47 Mikrosensory półprzewodnikoweWykład 2, 2010/1147 From:

48 Mikrosensory półprzewodnikoweWykład 2, 2010/1148 From:

49 Mikrosensory półprzewodnikoweWykład 2, 2010/1149 Urządzenia miniaturowe, rozmiar około 1 mm są wytwarzane konwencjonalnymi metodami mechaniki precyzyjnej. Materiały jakie są używane to metale, szkło. Urządzenia MEMS, rozmiary μm, sensory i inne mechaniczne elementy głównie w Si Nano-electro-mechanical systems NEMS, rozmiar 100 nm – 1 μm, urządzenia elektroniczne, głównie w Si Nanotechnologia, rozmiar <100 nm, na razie materiały Podsumowanie

50 Mikrosensory półprzewodnikoweWykład 2, 2010/1150 Poszukiwania nowych metod budowania struktur zintegrowanych, metod tworzenia struktur 3D i wykorzystania innych niż Si materiałów jak SiC Odkrywanie nowych materiałów o interesujących właściwościach Demonstracja takich struktur, które wykorzystują pełny potencjał mikro i nanotechnologii Rozwój technik bio/nano wykorzystujących osiągnięcia biotechnologii i nanotechnologii Trzeba wykazać jakie korzyści będą miały społeczeństwa aby uzasadnić wydatki na rozwój badań Z punktu widzenia badań naukowych

51 Mikrosensory półprzewodnikoweWykład 2, 2010/1151 Stworzyć technologię standardową Rozwiązać problem interfejsu i obudowy, dzisiaj 80% kosztu MEMS to obudowa Zwiększyć niezawodność MEMS Rozwinąć narzędzia, software, biblioteki Rachunek ekonomiczny aby uzasadnić inwestycje w rozwój MEMS Z punktu widzenia przemysłu


Pobierz ppt "Mikrosensory półprzewodnikoweWykład 2, 2010/111 Podstawowe pojęcia i definicje Mikrosensory półprzewodnikowe."

Podobne prezentacje


Reklamy Google