Czujniki mikromechaniczne

Prezentacja na temat: "Czujniki mikromechaniczne"— Zapis prezentacji:

1 Czujniki mikromechaniczne
WSTĘP Narzędzia mikroelektroniki zastosowane do struktur mechanicznych pozwalają wytworzyć nie tylko proste czujniki o wymiarach mikronowych ale całe struktury - mikrosystemy. Terminologia: technologia mikromaszyn - Japonia technologia mikrosystemów MST - Europa systemy mikroelektromechaniczne MEMSy - USA Historycznie pierwszym materiałem w technologii mikromechanicznej (i do dziś dominującym) jest Si. Poza tym stosuje się mat. typowe dla technologii CMOS (SiO2, Si3N4, Al) oraz zaczyna się stosować inne półprz. (SiC, GaAs, diament), metale i ich tlenki, polimery organiczne.

2 Szczególne właściwości mechaniczne Si:
moduł Younga - bliski stali granica plastyczności - dwa razy większa niż w stali twardość - wyższa niż stali wsp. rozszerz. term. - pięć razy mniejszy niż dla stali wysokie przewodnictwo cieplne nie wykazuje histerezy mechanicznej, niskie wew. tłumienie silny efekt piezorezystancyjny wada - kruchość. Jako półprzewodnik krzem jest najpowszechniej stosowany stąd łatwość integracji el. mechanicznych z elektroniką. Mechaniczne i elektryczne wł. podłoży krzemowych są powtarzalne i łatwo można je zmieniać, komercyjnie wytw. c-Si jest wysokiej czystości i jakości.

3 Własności krzemu w porównaniu do innych materiałów
Si SiC diament Stal nierdz. Al Punkt topnienia (st. C) Max. temp. pracy (st. C) Wsp. rozsz. term. (10-6/st.C) Wsp. przew. ciepl. (W/cm K) Gęstość (g/cm3) Moduł Younga (1011 N/m2) Granica plastycz -ności (109 N/m2) Twardość w skali Knoopa (kg/m2) Wytrz. dielektr. (MV/m) Przerwa energet. (eV)

4 W ogólności wraz ze zmianą wymiaru obiektu „r” w kierunku miniaturyzacji rośnie rola powierzchni „S” (zmiana wym. liniowego o rząd daje zmianę pow. o dwa rzędy a objętości „V” o trzy rzędy). Własności powierzchni rozciągają się częściowo w głąb. Twardość, odporność na korozję - uwar. są własnościami kilku warstw atomowych. S/ V

5 W obszarze nanotechnologii obserwuje się zależność parametrów sprężystych materiałów od wymiarów.
Odchylenie własności sprężystej D od Dc dla materiału w skali makro wynosi gdzie:  - stała zal. od geometrii h - długość określ. wymiar struktury S - powierzchniowa stała sprężystości E - objętościowy moduł Younga h0 - wymiar, dla którego istnieje wpływ powierzchni (dla c-Si h0  0.1 nm, a więc wpływ powierzch. istnieje dla h < 5 nm)

6 Technologia mikromechaniczna
Podział technologii mikromechanicznych: objętościowa (głębokie trawienie c-Si), mikrostruktury 3-wym. typu belki, membrany, rowki itp; powierzchniowa (trawienie warstw naniesionych na podłoże, najczęściej warstw poli-Si na podł. Si)

7 Trawienie Trawienie głębokie to głównie tzw. trawienie mokre anizotropowe (o szybkości zależnej od orientacji krystalograficznej). Możliwości z tego wynikające odkryto na początku lat 1980. Stosując określone środki trawiące uzyskuje się w krzemie duże szybkości trawienia dla płaszczyzn {100} i {110} a znikomo małe dla {111}. Domieszkowanie Si borem powoduje gwałtowny spadek szybkości trawienia (dla konc. B > 2.5  1019 cm-3 szybkość trawienia spada 3 rzędy). Selektywność trawienia można również uzyskać w procesie elektrochemicznym.

8 Środki trawiące anizotropowo:
KOH + woda środek b.selektywny, stosunek szybkości trawienia płaszczyzn {100} do {111} wynosi 200 : 1 EDP (etylenodiamina + pirokatechol + woda) środek mniej selektywny, b. wolno trawiący SiO2 - zaleta Hydrazyna + woda duża szybkość trawienia {100}, selektywność mała ok. 10:1.

9 Trawienie suche (w plaźmie gazowej)
Jony Ar, O2 CF4, SF6 RIE Trawienie plazmowe jest procesem czystym, bardzo użytecznym w przypadku gdy nie można stosować trawienia mokrego.

10 Izotropowe trawienie cienkich warstw
Przykłady środków trawiących dla wybranych cienkich warstw: Si: HF + HNO3 + H2O SiO2: HF + H2O Si3N4: H3PO4 + H2O Al: trawienie plazmowe lub reaktywne jonowe Warstwy Au, Pt nie są trawione ale kształtowane w tzw. procesie liftoff.

11 Czujnik ciśnienia z piezoelektryczną warstwą ZnO
Tox – tlenek termiczny (izolacja od podłoża) ZnO – technologia rozpylenia

12 Czujnik przyspieszenia
Struktura pionowa Struktura boczna

13 Aktuatory – napęd elektrostatyczny
siła prostopadła do płaszczyzny płytki b) siła równoległa do zębów grzebienia Dla kondensatora płaskiego: F = ½ CV2/x Mikrosilnik elektrostatyczny, średnica rotora 0.1 mm

14 Mikrosilnik magnetyczny
Dominują aktuatory w oparciu o siłę Lorentza Siła Lorentza jest proporcjonalna do płynącego prądu, długości przewodnika i pola magnetycznego. Jest jednocześnie prostopadła do przewodnika i pola mag. Przykład: dla L = 1mm, I = 10 mA, B = 1 T F = 10 μN

15 Mikrosystemy

16 Mikrosonda Mikroskopu AFM (Atomic Force Microscope)
L1 = 175 m L2 = 75 m w = 20m b = 90m l = 2m

17 System telewizji projekcyjnej (Texas Instruments)
Mikrozwierciadło Al ze sterowaniem cyfrowym Struktura adresująca CMOS SRAM Matryca Mikrozwierciadeł Typowe parametry: 768 X 576 pixeli, tj zwierciadeł