Miernictwo przemysłowe 5. Sensory inteligentne, komunikacja i technologia

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.

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

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

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

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.

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, Stała dielektryczna11,7124,5 - 4,37,5 Moduł Younga [GPa] Tabl Właściwości fizyczne niemetalicznych materiałów biernych AlAu Cr Ti Gęstość [kg/m 3 ]2,69919,3207,1944,508 Temperatura topnienia [°C] Przewodność cieplna [W/m/K] Praca wyjścia [eV]4,35,14,54,3 Moduł Younga [GPa] Tabl 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, x promieniowanie Ge5, X10" 4 67 mechaniczne Kwarc - cięcie AT1, ,12,8 magnetyczne Fe - czyste7, chemiczne SnO 2 6,950136niska- Tabl. l1.3 Niektóre właściwości materiałów czynnych.

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 Monolityczne technologie krzemowych ICs - wg [3]

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)

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

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 Uproszczona struktura komory reaktora - wg[2]

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

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

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

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

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

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

Materiały stosowane w konstrukcji sensorów Rys 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]

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