WYKŁAD 9 Dr hab. inż. Karol Malecha, prof. Uczelni

Transkrypt

1 Mikrosystemy ceramiczne WYKŁAD 9 Dr hab. inż. Karol Malecha, prof. Uczelni

2 WYKŁAD 9 LTCC - czujniki, mikrosystemy Układy grzejne Układy chłodzące Ogniwa paliwowe

3 WYKŁAD 9 LTCC - czujniki, mikrosystemy Układy grzejne Układy chłodzące Ogniwa paliwowe

4 LTCC czujniki wielkości fizycznych - temperatura - przepływ gazu i cieczy - ciśnienie - siła - odległość - przepływ ciepła - promieniowanie - poziom cieczy - przyspieszenie -...

5 LTCC czujniki wielkości chemicznych i biologicznych - wilgotność - ph - koncentracja jonów - koncentracja gazu - glukoza -...

6 LTCC mikrosystemy układy grzejne układy chłodzące źródła energii elementy układu fluidycznego (mikrozawory, mikropompy, miksery) generatory plazmy mikroreaktory układy przepływowe moduł detekcyjny mikrozwierciadła PCR LOC...

7 Zalety LTCC ważne przy wykonywaniu mikrosystemów: - bardzo dobre właściwości elektryczne i mechaniczne - zintegrowana elektronika - struktury trójwymiarowe (3D) kanały, wnęki - integracja czujników, przetworników, układów przepływowych, grzejnych i chłodzących oraz układów elektronicznych w jednej obudowie LTCC - niezawodność - różnorodne zastosowania - krótki czas i tanie opracowanie nowego układu

8 WYKŁAD 9 LTCC - czujniki, mikrosystemy Układy grzejne Układy chłodzące Ogniwa paliwowe

9 Czujnik gazu Grzejnik/Czujnik temperatury o C/mm temperatura [ o C] długość [mm] Poszczególne warstwy LTCC tworzące czujnik gazu J. Kita, H. Teterycz

10 Rezystancja (W) Czujnik gazu Grzejnik/Czujnik temperatury Powietrze Czas (min) Powietrze + CO J. Kita, H. Teterycz

11 Czujnik gazu Grzejnik/Czujnik temperatury Grzejnik Optymalizacja grzejnika J. Kita, 13th European Microelectronics and Packaging Conference, Strasbourg 2001

12 Czujnik gazu Grzejnik (stabilność czasowa) Cykle grzanie/chłodzenie ± 0,5% J. Kita, MR, 2000

13 Mikrorekator enzymatyczny Grzejnik Komora na substraty Próg Komora na produkty 4 3,5 ROC1 3 mg temp. 37,0oC corr 3 ROC1 3 mg temp. 23,0oC 2,5 ΔpH 2 1,5 1 0,5 Grzejnik log Curea Krzywe kalibracji mikroreaktora zmierzone dla temperatury równej 23 o C oraz 37 o C Mikroreaktor enzymatyczny LTCC widok od strony komór (z lewej) i od strony wyprowadzeń grzejnika (z prawej)

14 Mikrorekator enzymatyczny Grzejnik q 2 i R A l R w t

15 Mikrosystem przepływowy LTCC 1 2 L. Golonka, SNB, 2005

16 Mikrosystem przepływowy LTCC Wpływ temperatury Odpowiedź dynamiczna (a) oraz krzywe kalibracyjne (b) mikrosystemu przepływowego LTCC zmierzone w dwóch różnych temperaturach. L. Golonka, SNB, 2005

17 Mikrosystem przepływowy LTCC Meander grzejny Grzejnik Rozkład temperatury na powierzchni grzejnika zmierzony skanerem IR Tomasz Zawada

18 Mikroreaktor PCR Układ grzejny Schemat przepływowego mikroreaktora PCR Mikroreaktor przepływowy PCR wykonany techniką LTCC D. Sadler, IEEE, 2003 Rozkład temperatury dla mikroreaktora przepływowego PCR

19 Czujnik gazu Grzejnik/Czujnik temperatury Grzejnik Belka Pole kontaktowe Ramka J. Kita et al., CICMT Conference, Baltimore 2005

20 Kalorymetr DSC (skaningowa kalorymetria różnicowa) - analiza przemian fazowych (punkt topnienia/wrzenia, temperatura zeszklenia), - określenia ciepła przemian fazowych i reakcji chemicznych, - wyznaczenie ciepła właściwego analizowanej substancji. Piec Tygiel z próbką Tygiel z materiałem referencyjnym Stolik ze zintegrowanymi czujnikami temperatury Czujnik temperatury pieca Grzałka W. Missal et al., SNA, 2011 Przewody czujników temperatury X rozkład temperatury X uszkodzenie/zanieczyszczenie czujników temperatury

21 Kalorymetr DSC (skaningowa kalorymetria różnicowa) Tygiel Czujnik temperatury Tygiel Próbka Grzejnik Czujnik temperatury Czujnik temperatury (referencyjny) Czujnik temperatury (referencyjny) Grzejnik J. Kita et al., EuroS., 2014

22 Kalorymetr DSC (skaningowa kalorymetria różnicowa) Tygiel Czujnik temperatury Tygiel Czujnik temperatury (referencyjny) Próbka Grzejnik Czujnik temperatury Czujnik temperatury (referencyjny) Grzejnik W. Missal et al., SNA, 2011 A. Brandenburg et al., SNA, 2016

23 Strumień ciepła Temperatura Kalorymetr DSC (skaningowa kalorymetria różnicowa) Uchwyt Kalorymetr Próbka Czas Linia bazowa Porównanie wyników analizy DSC wykonanej za pomocą klasycznej aparatury oraz miniaturowego kalorymetru LTCC W. Missal et al., SNA, 2011 A. Brandenburg et al., SNA, 2016

24 Termoelektryczny czujnik węglowodorów DOC (Diesel oxidation catalyst): C x H y Vehicle-tech.com AutoMate Training 600 o C

25 Termoelektryczny czujnik węglowodorów Materiał B Warstwa nieaktywna Warstwa aktywna N termopar Podłoże Al 2 O 3 lub LTCC Materiał A Materiał A: Złoto Materiał B: Platyna U th siła termoelektryczna (V) T cat,hot temperatura gorącego złącza (warstwa aktywna) (K), T inactive temperatura zimnego złącza (warstwa nieaktywna) (K) α AB współczynnik Seebecka obwodu (V/K) S. Wiegartner et al., SNB, 2015

26 Termoelektryczny czujnik węglowodorów N = 1 N = 3 N = 9 Rozkład temperatury na powierzchni czujnika Grzejniki grubowarstwowe naniesione na spód czujnika Al 2 O 3 i LTCC S. Wiegartner et al., SNB, 2015

27 S. Wiegartner et al., SNB, 2015 Termoelektryczny czujnik węglowodorów Podłoże Al 2 O 3 Podłoże LTCC

28 WYKŁAD 9 LTCC - czujniki, mikrosystemy Układy grzejne Układy chłodzące Ogniwa paliwowe

29 Thermal vias (otwory termiczne) T max = 282,5 o C T max = 113,1 o C

30 Układy chłodzące cieczą Przekrój przez strukturę testową Układ LTCC chłodzony cieczą P/P J. Kita et al.. European Microelectronics Packaging and Interconnection Symposium, IMAPS CRACOW 2002, June 0 natural convection forced convection active cooling active cooling ~3 l/sec ~29 l/sec Wydajność chłodzenia

31 Temperatura ( o C) Układy chłodzące cieczą Obciążenie cieplne (W) Temperatura w pobliżu diody laserowej zmierzona za pomocą termistora K. Kautio et al., IMAPS Cer. Interconnect Technology Conf., Denver 2004 Keränen et al., IEEE Tr Adv. Pack,, 2006

32 Układy chłodzące cieczą L.-Y. Zhang et al. / International Journal of Heat and Mass Transfer 84 (2015)

33 Przepływ (ml/min) Temperatura ( o C) Układy chłodzące cieczą Ciśnienie (Pa) Przepływ (ml/min) L.-Y. Zhang et al. / International Journal of Heat and Mass Transfer 84 (2015)

34 Układy chłodzące cieczą Rozkład temperatury na powierzchni diody LED zamontowanej na radiatorze i układzie LTCC chłodzonym cieczą L.-Y. Zhang et al. / International Journal of Heat and Mass Transfer 84 (2015)

35 Układy chłodzące cieczą T. Walker et al., JCerSciTech, 2015 Fluidic cooling Opór cieplny (K/W) Thermal vias + Fluidic cooling

36 Układy chłodzące cieczą T. Walker et al., EMPC, 2017

37 Układy chłodzące cieczą Zmiany oporu cieplnego w funkcji przepływu cieczy chłodzącej T. Walker et al., EMPC, 2017

38 Układy chłodzące cieczą Zmiany oporu cieplnego w funkcji przepływu cieczy chłodzącej T. Walker et al., IEEE, 2016

39 Układy chłodzące cieczą R th (W/K) Ciśnienie (bar) Przepływ (ml/min)

40 Układ chłodzący Heat Pipe (rurka ciepła, ciepłowód) Źródło ciepła Przepływ cieczy Odbiornik ciepła Przepływ pary Gładka powierzchnia Strefa odparowania Strefa adiabatyczna Strefa kondensacji Spiek Mikrorowk Schemat ciepłowodu Struktura kapilarna Gładka Spiek Mikrorowki Kompozytowa Siły kapilarne Małe Duże Średnie Duże Przepuszczalność Duża Mała Duża Duża Opór cieplny Duży Średni Mały Mały Odporność na grawitację Mała Duża Średnia Duża T-S Leu, 2016

41 Układ chłodzący Heat Pipe (rurka ciepła, ciepłowód) Ciepłowód LTCC Otwory termiczne Ag 250 [W/m.K] Porowata struktura (ziarna Ag) - siły kapilarne W. Kinzy Jones, IEEE TRANSACTIONS ON COMPONENTS AND PACKAGING TECHNOLOGIES, VOL. 26, NO. 1, MARCH 2003

42 Układ chłodzący Heat Pipe (rurka ciepła, ciepłowód) Porowata struktura wypełniona ziarnami Ag - siły kapilarne W. Kinzy Jones, IEEE TRANSACTIONS ON COMPONENTS AND PACKAGING TECHNOLOGIES, VOL. 26, NO. 1, MARCH 2003

43 WYKŁAD 9 LTCC - czujniki, mikrosystemy Układy grzejne Układy chłodzące Ogniwa paliwowe

44 Ogniowa paliwowe 2 H 2 + O 2 2 H 2 O Membrana półprzepuszczalna (elektrolit) Katalizator (Pt) H 2 H2 H + e - H + e - H 2 O 2 O2 H 2 O H 2 O 2 H 2 O 2 Przewodnik

45 - Ogniwa paliwowe

46 Ogniwa paliwowe Metanol

47 Ogniwo paliwowe PEM -Proton Exchange Membrane (PEM) MEA - Membrane Electrode assembly GDL Gas Diffusion Layer Goldberg, Partsch, Stelter, CICMT Conference, Denver 2007

48 Ogniwo paliwowe Michaelis, CICMT Conference, Denver 2007

49 Ogniwo paliwowe Goldberg, Partsch, Stelter, CICMT Conference, Denver 2007

50 WYKŁAD 9 LTCC - czujniki, mikrosystemy Układy grzejne Układy chłodzące Ogniwa paliwowe