Technika sensorowa. Czujniki mikromechaniczne cz. 2

Transkrypt

1 Technika sensorowa Czujniki mikromechaniczne cz. 2 dr inż. Wojciech Maziarz, prof. dr hab. T. Pisarkiewicz Katedra Elektroniki C-1, p.301, tel Kontakt: Wojciech.Maziarz@agh.edu.pl 1

2 Czujniki wytwarzane w procesach zintegrowanych Piezorezystancyjny czujnik ciśnienia 2

3 W. Maziarz, Zintegrowany sensor gazów wytworzony w technologii mikromechanicznej, Rozprawa doktorska, Kraków 2006 Czujniki wytwarzane w procesach zintegrowanych Półprzewodnikowy czujnik gazu wersja I 3

4 W. Maziarz, Zintegrowany sensor gazów wytworzony w technologii mikromechanicznej, Rozprawa doktorska, Kraków 2006 Czujniki wytwarzane w procesach zintegrowanych Podłoża czujników gazu płytka Si przed wycięciem struktur Sensor gazu w obudowie TO-5 4

5 Czujniki wytwarzane w procesach zintegrowanych Wytworzenie półprzewodnikowego czujnika gazu wersja III W. Maziarz, Zintegrowany sensor gazów wytworzony w technologii mikromechanicznej, Rozprawa doktorska, Kraków

6 Czujniki wytwarzane w procesach zintegrowanych Połączenie krzem - szkło Mostek z piezorezystorami (przekrój) 6

7 Proces technologiczny wytwarzania piezorezystancyjnego czujnika ciśnienia 7

8 Czujniki wytwarzane w procesach zintegrowanych Czujnik ciśnienia z piezoelektryczną warstwą ZnO T ox tlenek termiczny (izolacja od podłoża) ZnO technologia rozpylenia 8

9 Czujniki wytwarzane w procesach zintegrowanych Czujniki ciśnienia firmy Motorola X - ducer 9

10 Czujniki wytwarzane w procesach Zintegrowane układy kompensacji zintegrowanych w czujniku tradycyjnym w czujniku X - ducer 10

11 Czujniki wytwarzane w procesach zintegrowanych Czujnik ciśnienia firmy Motorola - budowa Pomiar ciśnienia bezwzględnego Pomiar ciśnienia różnicowego 11

12 Czujnik przyśpieszenia Struktura pionowa Struktura boczna 12

13 Czujnik przyśpieszenia Pojemnościowy czujnik przyśpieszenia Piezorezystywny czujnik przyśpieszenia Szczegóły belki 13

14 Zastosowania mikrodźwigni Bardzo czułe wskaźniki zmian substancji biochemicznych (gazów, cieczy, oparów). Reakcja biochemiczna na mikrobelce może skutkować ugięciem belki, zmianą temperatury lub naprężeń powierzchniowych Detekcja: zmiana częstotliwości rezonansowej lub kąta odbicia. Belka pokryta substancją aktywną. 14

15 Zastosowania mikrodźwigni wzrost nanostruktur Wzrost CNT na końcu mikrobelki Zmiana częst. rezonansowej umożliwia wyznaczenie masy osadzonych CNT z dokł. ~4 pg (4x g). Możliwy wzrost i pomiar wagi CNT w tym samym czasie Growing Nanostructures on Micro Cantilever Provides New Platform for Materials Discovery, 15

16 Czujnik wilgotności wykorzystujący mikrobelki Mikrobelki SiO 2 Czułość większa niż dla Si nieczuły na pary etanolu Wytworzone w kombinowanym procesie suchego trawienia izotropowego i anizotropowego 16 Microfabrication and Characterization of SiO 2 Microcantilever for High Sensitive Moisture Sensor, Qi Chen i inni,

17 Czujnik gazów szkodliwych wykorzystujący mikrobelki Tanie, miniaturowe, bardzo czułe. Możliwa detekcja wielu związków jednocześnie. Warstwy gazoczułe: polimery, enzymy Detekcja na poziomie ppb Safer and More Secure through Science: Aiding Homeland Security with Chemical Sensors, 17

18 Bioczujnik wykorzystujący mikrobelki wykrywanie wirusowego zapalenia wątroby mikrobelka 150um x 50um pokryta związkiem (receptor molekuł) wyłapującym helikazę HCV zmiana częst. rezonansowej mikrobelki Nanomechanical microcantilever operated in vibration modes with use of RNA aptamer as receptor molecules for label-free detection of HCV helicase, Biosensors and Bioelectronics, Volume 23, Issue 4, 30 November 2007, Pages

19 Zastosowanie mikrobelek w AFM wykorzystuje siły oddz. międzyatomowych Igła przemiata (skanuje) powierzchnię Rozdzielczość rzędu pojedynczych atomów Schemat mikroskopu sił atomowych (AFM) z optyczną detekcją ugięcia mikrobelki 19

20 Mikrosonda Mikroskopu AFM (Atomic Force Microscope) L 1 = 175 m L 2 = 75 m w = 20 m b = 90 m l = 2 m 20

21 Aktuatory Problem smarowania rozwiązany? (argon +opary 1-pentanolu tworzą cienką warstwę poślizgową) Mikrosilnik elektrostatyczny średnica rotora 0.1 mm Helping a micromachine to work, news html 21

22 Aktuatory mikrozawiasy 22

23 Aktuatory soczewka Fresnela M. Wu, University of California, Los Angeles Mikrosoczewka Fresnela zawieszona na sterowanej platformie, 4 zawiasy 23

24 Aktuatory - mikrolustra Mikrolustro unoszone i opuszczane za pomocą mikrosilnika Pionowe lustro wytworzone na obrotowym elemencie umożliwiającym precyzyjny obrót. Utrzymywane w miejscu przez zatrzaski zawiasów i sprężyn. 24

25 Aktuatory przełącznik optyczny bazujący na mikrolustrach We wszystkich przełącznikach optycznych, mikrolustra odbijają sygnał niezależnie od tego, z jaką prędkością zachodzi transmisja i jaki jest protokół. Technologia uważana za dominującą w przyszłości do budowy przełączników fotonicznych. 25

26 Aktuatory przełącznik optyczny bazujący na mikrolustrach Silicon Light Machines of Sunnyvale, California Pojedynczy piksel Grating Light Valve Elektrostatyczne odchylenie naprzemiennych wstążek powoduje zmianę własności optycznych powierzchni piksela z odbijających na rozpraszające. 26

27 Aktuatory przełącznik optyczny bazujący na mikrolustrach Optical Micromachines, Inc. Optyczny przełącznik dwustanowy Przełącznik optyczny Technologia SOI, trawienie DRIE 27

28 United States Patent , Yokeless hidden hinge digital micromirror device, System telewizji projekcyjnej (Texas Instruments) Mikrozwierciadło Al ze sterowaniem cyfrowym Układ DMD +DLP -Digital Light Processing -Digital Micro-mirror Devices Mikrozwierciadło Al ze sterowaniem cyfrowym Układ DMD +DLP -Digital Light Processing -Digital Micro-mirror Devices Struktura adresująca CMOS SRAM Matryca mikrozwierciadeł Typowe parametry: 768 X 576 pixeli, tj zwierciadeł Zasada działania: Lustra pochylane elektrostatycznie Światło wiązki lasera pada na DLP Odbija się w konkretne miejsce na ekranie lub poza nim (obszar czarny) 28

29 Obrazowanie wielowidmowe (hiperspectral imaging) Technika rejestracji obrazu będąca uogólnieniem fotografii barwnej na pełną przestrzeń barw w zakresie światła widzialnego, a także mikrofal, dalekiej i bliskiej podczerwieni oraz ultrafioletu. Układ HIP używany w medycynie jako narzędzie diagnostyczne podgląd uszkodzeń tkanek i gojenia się ran. Schemat układu DMD używanego w systemie Hyperspectral Image Projector. Skąłd się on z matrycy 1024x768 luster, każde z nich ma szerokość 14 um (1/7 grubości włosa). 29

30 Głowice drukarek atramentowych miniaturowe dysze Budowa dyszy Zasada działania 30

31 Mikrozawory Redwood Microssytems of Menlo Park, California Zawór normalnie otwarty: podgrzanie cieczy kontrolnej zamkniętej wewnątrz komory powoduje ugięcie membrany Si i zablokowanie przepływu cieczy. 31

32 Mikrozawory TiNi Alloy Company of San Leandro, California Zawór normalnie zamknięty: sprężyny TiNi są normalnie ugięte i przepływ cieczy jest zamknięty, podgrzanie powoduje odkształcenie membrany do pozycji płaskiej i odblokowanie przepływu cieczy. Szafirowa kulka + sprężyna zapewniają docisk. 32

33 Mikropompa Instytut Fraunhofera, Monachium, Niemcy Wymiary: mm 3 Pobudzenie elektrostatyczne membrany moduluje objętość cieczy w komorze. Membrana sekwencyjnie zasysa i wyrzuca płyn z mikropompy. 33

34 Akcelerometr dwuosiowy MEMS Firma MEMSIC, Inc. Zasada działania wykorzystuje bąbelek gazu (!). Obszar w środku to rezystor podgrzewający ów bąbelek. Naokoło niego mieszczą się termopary wykrywające położenie bąbla, gdy urządzenie jest przechylane lub działa na nie przyśpieszenie. 34

35 Aktuatory mikrosilnik magnetyczny 35

36 Mikrosystemy 36

37 Mikrosystemy Wibracyjny żyroskop MEMS wykonany w Sandia umożliwiający integrację MEMS i elektroniki w tym samym podłożu krzemowym 37

38 Mikrosystemy Model pierwszej Toyoty w skali 1:1000 (dł. 4.8mm). Pojazd w pełni funkcjonalny. Mikrosamochód (Nippondenso Co., Ltd, Japan) Silnik elektromagnetyczny, szybkość 2 cm/s 38

39 Mikromaszyny w zastosowaniach medycznych Minimalnie inwazyjna terapia (MIT) Minimalnie inwazyjna chirurgia (MIS) Miniaturowa łódź podwodna (4 x 0.8 mm) w naczyniu krwionośnym (Micro TECH Duisburg) 39

40 Mikromaszyny w zastosowaniach medycznych Manipulator endoskopowy do chirurgii guza KEITH J. REBELLO, Applications of MEMS in Surgery, 40

41 Co dalej? NEMS Nano-Electro-Mechanical Systems Urządzenia integrujące funkcjonalność elektryczną i mechaniczną w nanoskali. Krytyczne podczas tworzenia medycznych urz. diagnostycznych, wyświetlaczy, urz. przechowywania danych. Mogą służyć do testowania i przenoszenia pojedynczych biomolekuł, co nie jest możliwe w makroskali. Mogą pracować tam, gdzie większe struktury nie pasują (np. wewnątrz ciała ludzkiego). Nanomateriały (nanowarstwy, nanodruty, nanostruktury itd.) Nanotechnologie Materiały funkcjonalizowane Nanorurki węglowe: tranzystory i struktury logiczne Elektronika molekularna: tranzystory, przełączniki, połączenia, pamięci Elektronika oparta o plastik: giętkie obwody, połączenia drukowane itp.. 41

42 Materiały dodatkowe, źródła W. Maziarz, Wspołczesne czujniki ciśnienia, Elektronik 1 (2002) N. Maluf, An Introduction to Microelectromechanical Systems Engineering, Artech House, Inc., Boston, M. Gad-el-Hak, (red.), The MEMS handbook, The Mechanical Engineering Handbook Series. CRC Press, Boca Raton, S. Beeby, G. Ensell, M. Kraft i N. White, MEMS Mechanical Sensors, Microelectromechanical Systems (MEMS) Series. Artech House, Inc., Boston, J. Dziuban, Technologia i zastosowanie mikromechanicznych struktur krzemowych i krzemowoszklanych w technice mikrosystemow, Oficyna Wydawnicza Politechniki Wrocławskiej, Wrocław, J. M. Łysko, Anizotropia trawienia i piezorezystancji w kryształach połprzewodnikow. Przykłady wykorzystania w przyrządach MEMS, Instytut Technologii Elektronowej, Warszawa, Michael A. Cullinan i inni, Scaling electromechanical sensors down to the nanoscale, Sensors and Actuators A 187 (2012) FILM: metoda LIGA