Krzemowe czujniki ciśnienia 1



Podobne dokumenty
Piezorezystancyjny czujnik ciśnienia: pomiar i wyznaczenie parametrów metrologicznych czujnika i przetwornika ciśnienia

Odporny na korozję czujnik ciśnienia dla mikroreaktorów chemicznych

Odporny na korozję czujnik ciśnienia dla mikroreaktorów chemicznych

Modelowanie mikrosystemów - laboratorium. Ćwiczenie 1. Modelowanie ugięcia membrany krzemowej modelowanie pracy mikromechanicznego czujnika ciśnienia

Piezorezystancyjny czujnik ciśnienia: modelowanie membrany krzemowej podstawowego elementu piezorezystancyjnego czujnika ciśnienia

Modelowanie mikrosystemów - laboratorium. Ćwiczenie 1. Modelowanie ugięcia membrany krzemowej modelowanie pracy mikromechanicznego czujnika ciśnienia

RZECZPOSPOLITA POLSKA (12) OPIS PATENTOWY (19) PL (11) (13) B1

Modelowanie mikrosystemów - laboratorium. Ćwiczenie 2. Modelowanie pracy mikromechanicznego pojemnościowego czujnika ciśnienia z membraną typu bossed

VIGOTOR VPT-13. Elektroniczny przetwornik ciśnienia 1. ZASTOSOWANIA. J+J AUTOMATYCY Janusz Mazan

PRZETWORNIKI CIŚNIENIA. ( )

Technika sensorowa. Czujniki piezorezystancyjne. dr inż. Wojciech Maziarz Katedra Elektroniki C-1, p.301, tel

WAT - WYDZIAŁ ELEKTRONIKI INSTYTUT SYSTEMÓW ELEKTRONICZNYCH. Przedmiot: CZUJNIKI I PRZETWORNIKI Ćwiczenie nr 1 PROTOKÓŁ / SPRAWOZDANIE

PL B1. POLITECHNIKA WROCŁAWSKA, Wrocław, PL BUP 06/14

LABORATORIUM PODSTAW METROLOGII M-T Ćwiczenie nr 5 BADANIE CZUJNIKÓW CIŚNIENIA.

PL B1. Politechnika Warszawska,Warszawa,PL BUP 25/03. Mateusz Turkowski,Warszawa,PL Tadeusz Strzałkowski,Warszawa,PL

Czujniki. Czujniki służą do przetwarzania interesującej nas wielkości fizycznej na wielkość elektryczną łatwą do pomiaru. Najczęściej spotykane są

Karta katalogowa Strona 1 / 5

JUMO MAERA S25. Sonda do pomiaru poziomu. Zastosowanie. Opis skrócony. Korzyści dla Klienta. Właściwości. Karta katalogowa 40.

Mechatronika i inteligentne systemy produkcyjne. Sensory (czujniki)

LOKALIZATOR PRZENOŚNY KDZ-3C.

Przetworniki ciśnienia do zastosowań przemysłowych typu MBS 4510

Sprzęganie światłowodu z półprzewodnikowymi źródłami światła (stanowisko nr 5)

MIKROSYSTEMY. Ćwiczenie nr 2a Utlenianie

PRZETWORNIKI POMIAROWE

DTR.AS-dP.01 APLISENS PRODUKCJA PRZETWORNIKÓW CIŚNIENIA I APARATURY POMIAROWEJ DOKUMENTACJA TECHNICZNO-RUCHOWA

POLITECHNIKA WROCŁAWSKA INSTYTUT INŻYNIERII BIOMEDYCZNEJ I POMIAROWEJ LABORATORIUM CZUJNIKÓW I POMIARÓW WIELKOŚCI NIEELEKTRYCZNYCH I-21

POLITECHNIKA BIAŁOSTOCKA WYDZIAŁ ELEKTRYCZNY KATEDRA ELEKTROTECHNIKI TEORETYCZNEJ I METROLOGII. Kod przedmiotu: ES2B POMIAR CIŚNIENIA

(zwane również sensorami)

Elementy technologii mikroelementów i mikrosystemów. USF_3 Technologia_A M.Kujawińska, T.Kozacki, M.Jóżwik 3-1

APLISENS DOKUMENTACJA TECHNICZNO-RUCHOWA PRZETWORNIK CIŚNIENIA TYP AS DTR.AS.01 PRODUKCJA PRZETWORNIKÓW CIŚNIENIA I APARATURY POMIAROWEJ

VIGOTOR VPT-12. Elektroniczne przetworniki ciśnienia VPT 12 stosuje się w 1. ZASTOSOWANIA. J+J AUTOMATYCY Janusz Mazan

Czujniki różnicy ciśnienia

LDPY-11 LISTWOWY DWUPRZEWODOWY PRZETWORNIK POŁOŻENIA DOKUMENTACJA TECHNICZNO-RUCHOWA. Wrocław, czerwiec 1997 r.

IO.AS-dP.01 APLISENS PRODUKCJA PRZEMYSŁOWEJ APARATURY POMIAROWEJ I ELEMENTÓW AUTOMATYKI INSTRUKCJA OBSŁUGI (DOKUMENTACJA TECHNICZNO-RUCHOWA)

ZASILACZ SEPARATOR ZS-30 DTR.ZS-30 APLISENS PRODUKCJA PRZETWORNIKÓW CIŚNIENIA I APARATURY POMIAROWEJ DOKUMENTACJA TECHNICZNO-RUCHOWA

Przetworniki ciśnienia do zastosowań przemysłowych MBS 4500

SZSA-21 NAŚCIENNY ZADAJNIK PRĄDU DOKUMENTACJA TECHNICZNO-RUCHOWA. Wrocław, wrzesień 2002 r.

POLE ELEKTRYCZNE PRAWO COULOMBA

Ćwiczenie 4. Parametry statyczne tranzystorów polowych JFET i MOSFET

Przetworniki ciśnienia do zastosowań przemysłowych Typu MBS 4500

Różnicowy przetwornik ciśnienia EL-PSa-xxx

CZUJNIKI I UKŁADY POMIAROWE

Przetworniki ciśnienia z tytanu do mediów agresywnych DST P40I

WYDZIAŁ PPT / KATEDRA INŻYNIERII BIOMEDYCZNEJ D-1 LABORATORIUM Z MIERNICTWA I AUTOMATYKI Ćwiczenie nr 13. Czujniki ciśnienia

Kondensatory. Konstrukcja i właściwości

JUMO MAERA S26. Sonda do pomiaru poziomu. Zastosowanie. Opis skrócony. Właściwości. Korzyści dla Klienta. Karta katalogowa 40.

LDPS-11ME LISTWOWY DWUPRZEWODOWY PRZETWORNIK SYGNAŁOWY DOKUMENTACJA TECHNICZNO-RUCHOWA. Wrocław, kwiecień 2003 r.

Wybrane elementy elektroniczne. Rezystory NTC. Rezystory NTC

Pomiary w oparciu o pomiary drogi i różniczkowanie - (elektryczne lub numeryczne)

SDD287 - wysokoprądowy, podwójny driver silnika DC

Technologia elementów optycznych

Fotoelementy. Symbole graficzne półprzewodnikowych elementów optoelektronicznych: a) fotoogniwo b) fotorezystor

DTR.AS-dP.01 APLISENS PRODUKCJA PRZEMYSŁOWEJ APARATURY POMIAROWEJ I ELEMENTÓW AUTOMATYKI DOKUMENTACJA TECHNICZNO-RUCHOWA (INSTRUKCJA OBSŁUGI)

Politechnika Wrocławska Wydział Podstawowych Problemów Techniki

METODYKA PROJEKTOWANIA I TECHNIKA REALIZACJI. Wykład piąty Materiały elektroniczne płyty z obwodami drukowanymi PCB (Printed Circuit Board)

WYDZIAŁ PPT / KATEDRA INŻYNIERII BIOMEDYCZNE D-1 LABORATORIUM Z MIERNICTWA I AUTOMATYKI Ćwiczenie nr 13. Czujniki ciśnienia

Ćwiczenie nr 34. Badanie elementów optoelektronicznych

DTR.AS.01 APLISENS PRODUKCJA PRZEMYSŁOWEJI APARATURY POMIAROWEJ I ELEMENTÓW AUTOMATYKI INSTRUKCJA OBSŁUGI (DOKUMENTACJA TECHNICZNO-RUCHOWA) Edycja H

Przetwornik ciśnienia JUMO dtrans p30 Typ

POLITECHNIKA WROCŁAWSKA KATEDRA INŻYNIERII BIOMEDYCZNEJ LABORATORIUM CZUJNIKÓW I POMIARÓW WIELKOŚCI NIEELEKTRYCZNYCH K-7/W11

Parametry częstotliwościowe przetworników prądowych wykonanych w technologii PCB 1 HDI 2

Przetwornik ciśnienia JUMO MIDAS Typ

PRZETWORNIK TEMPERATURY I WILGOTNOŚCI TYPU P18L

Mikrosystemy Wprowadzenie. Prezentacja jest współfinansowana przez Unię Europejską w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego w projekcie pt.

Statyka Cieczy i Gazów. Temat : Podstawy teorii kinetyczno-molekularnej budowy ciał

LUPS-11MEU LISTWOWY UNIWERSALNY PRZETWORNIK SYGNAŁOWY DOKUMENTACJA TECHNICZNO-RUCHOWA. Wrocław, kwiecień 2003 r.

!!!DEL są źródłami światła niespójnego.

PL B1. Sposób badania przyczepności materiałów do podłoża i układ do badania przyczepności materiałów do podłoża

Ładunki elektryczne i siły ich wzajemnego oddziaływania. Pole elektryczne. Copyright by pleciuga@ o2.pl

Badanie charakterystyk elementów półprzewodnikowych

LUPS-11ME LISTWOWY UNIWERSALNY PRZETWORNIK SYGNAŁOWY DOKUMENTACJA TECHNICZNO-RUCHOWA. Wrocław, kwiecień 2003 r.

Karta katalogowa DS34. Przełącznik ciśnieniowy różnicowy DB_PL_DS34 ST4-A 12/15 * *

DTR.ATL.GI-22.LI-23 APLISENS PRODUKCJA PRZEMYSŁOWEJ APARATURY POMIAROWEJ I ELEMENTÓW AUTOMATYKI DOKUMENTACJA TECHNICZNO-RUCHOWA

do neutralnych i lekko agresywnych czynników ciekłych i gazowych

ZJAWISKO PIEZOELEKTRYCZNE.

PRZETWORNIK PRĄDOWY PP 2000-pH

Ćwiczenie 2a. Pomiar napięcia z izolacją galwaniczną Doświadczalne badania charakterystyk układów pomiarowych CZUJNIKI POMIAROWE I ELEMENTY WYKONAWCZE

POLITECHNIKA WROCŁAWSKA, INSTYTUT INŻYNIERII BIOMEDYCZNEJ I POMIAROWEJ LABORATORIUM CZUJNIKÓW I POMIARÓW WIELKOŚCI NIEELEKTRYCZNYCH I-21

LDPS-12ME LISTWOWY DWUPRZEWODOWY PRZETWORNIK SYGNAŁOWY DOKUMENTACJA TECHNICZNO-RUCHOWA. Wrocław, marzec 2003 r.

WYKŁAD 7 Dr hab. inż. Karol Malecha, prof. Uczelni

Technika świetlna. Przegląd rozwiązań i wymagań dla tablic rejestracyjnych. Dokumentacja zdjęciowa

BADANIE PROSTEGO ZJAWISKA PIEZOELEKTRYCZNEGO POMIAR NAPRĘŻEŃ

Przemysłowy przetwornik ciśnienia

Podstawy mechatroniki 5. Sensory II

ZASADA DZIAŁANIA miernika V-640

SDD287 - wysokoprądowy, podwójny driver silnika DC

Czujniki i urządzenia pomiarowe

Przetworniki ciśnienia do zastosowań ogólnych typu MBS 1700 i MBS 1750

PL B1. AKADEMIA GÓRNICZO-HUTNICZA IM. STANISŁAWA STASZICA W KRAKOWIE, Kraków, PL BUP 15/15

PL B1. POLITECHNIKA GDAŃSKA, Gdańsk, PL BUP 19/09. MACIEJ KOKOT, Gdynia, PL WUP 03/14. rzecz. pat.

BADANIE PROSTEGO I ODWROTNEGO ZJAWISKA PIEZOELEKTRYCZNEGO I JEGO ZASTOSOWANIA

Przetwornik niskociśnieniowy

Kondensator. Kondensator jest to układ dwóch przewodników przedzielonych

JUMO MAERA F27. Sonda do pomiaru poziomu. Zastosowanie. Opis skrócony. Korzyści dla Klienta. Właściwości. Karta katalogowa 40.

I0.ZSP APLISENS PRODUKCJA PRZETWORNIKÓW CIŚNIENIA I APARATURY POMIAROWEJ INSTRUKCJA OBSŁUGI (DOKUMENTACJA TECHNICZNO-RUCHOWA)

Aleksandra Banaś Dagmara Zemła WPPT/OPTOMETRIA

Akustyczne wzmacniacze mocy

Transkrypt:

Krzemowe czujniki ciśnienia 1 Mikrosystemy są to nowoczesne urządzenia składające się z czujników, układów elektronicznych i siłowników (aktuatorów). Elementy te są wytwarzane metodami mikroinżynieryjnymi, głównie mikroelektronicznymi i mikromechanicznymi. Na obecnym etapie rozwoju techniki mikrosystemów, są one najczęściej wykonywane z krzemu lub z krzemu połączonego ze szkłem, w postaci jedno lub wielowarstwowego chipu, zawierającego różne trójwymiarowe mikrokonstrukcje mechaniczne (mikromechaniczne). Mikrokonstrukcje te membrany, rowki, belki, wgłębienia, otwory etc. tworzą mikromechaniczną część mikrosystemów. 1. Piezorezystancyjne czujniki ciśnienia Najważniejszym rynkowym wyrobem mikromechanicznym, w którym zastosowano membrany krzemowe są krzemowe, piezorezystancyjne czujniki ciśnienia, które są wytwarzane i sprzedawane w setkach milionów egzemplarzy. W czujnikach tych (rys. 1) cienka membrana krzemowa, wytrawiona anizotropowo w podłożu o orientacji krystalograficznej (100), ugina się pod wpływem oddziaływania ciśnienia cieczy lub gazów. W ugiętej membranie zostają wytworzone silne powierzchniowe naprężenia rozciągająco ściskające. W polu tych naprężeń są umieszczone monolityczne piezorezystory, połączone w układ mostka Wheatstone a tak, aby otrzymać w nich dodatnie i ujemne zmiany rezystancji wywołane efektem piezorezystancyjnym. Z przyczyn technologicznych piezorezystory w mostku Wheatstone a w czujnikach mikromechanicznych cechuje rozrzut ich rezystancji, zwykle około ±0.05 % ich wartości znamionowej. Rozrzut ten powoduje powstanie napięcia niezrównoważenia mostka tensometrycznego U 0. W typowych czujnikach zasilanych stałym napięciem 5 V sygnał pełnego zakresu U FSO (FSO - Full Scale Output) wynosi około 100 mv, a U 0 od kilku do kilkudziesięciu miliwoltów. Rozkład naprężeń i ułożenie piezorezystorów są uzależnione od kształtu membrany i wzmocnień na niej uformowanych. Najczęściej stosuje się dwa piezorezystory równoległe i dwa piezorezystory prostopadłe do krawędzi płaskiej membrany. Takie ułożenie piezorezystorów wykorzystuje 1 Materiał opracowano na podstawie książki: Jan A. Dziuban, Technologia i zastosowanie mikromechanicznych struktur krzemowych i krzemowo-szklanych w technice mikrosystemów, Oficyna Wydawnicza Politechniki Wrocławskiej, Wrocław 2002 1

silne naprężenie rozciągające, powstające przy krawędzi membrany. Aby uzyskać dużą zmianę rezystancji, piezorezystory powinny być krótkie i umieszczone jak najbliżej krawędzi membrany. Rezystory prostopadłe do krawędzi membrany dzieli się najczęściej na dwa krótsze odcinki. Możliwe jest stosowanie dwóch par piezorezystorów równoległych do wybranej krawędzi membrany ułożonych przy jej krawędzi i w centralnej części. Takie ułożenie piezorezystorów wykorzystuje rozciągające naprężenia przykrawędziowe i ściskające naprężenia centralne występujące w płaskiej membranie. W membranach profilowanych ułożenie piezorezystorów wynika z ilości i rodzaju wzmocnień. a) b) c) Rys. 1. Piezorezystancyjny czujnik ciśnienia: a) schemat wytwarzania, b) budowa schematyczna, c) ułożenie piezorezystorów na membranach, po środku układ cut,po lewej układ na membranie płaskiej, po prawej układ na membranie wzmocnionej. W WEMiF PWr opracowano kilka typów struktur krzemowych piezorezystancyjnych czujników z membranami płaskimi i profilowanymi. Membrany formuje się w procesie 2

trawienia anizotropowego krzemu, aktywowanego termicznie, najczęściej w wodnym roztworze wodorotlenku potasu (np. 10 M KOH, 80 o C). W procesie tym stosuje się maski z tlenku termicznego o grubości d ox = 1.4 µm otrzymanego metodą utleniania wysokotemperaturowego w 1150 o C (rys.2). a) b) Rys. 2. Krzemowe membrany: a) piezorezystancyjnych czujników ciśnienia, b) pojemnościowych czujników ciśnienia. Membrany wykonuje się przed lub po procesach technologicznych formujących mikroelektroniczne podzespoły mikrosystemów (rys.3). a) b) Rys. 3. Formowanie membrany krzemowej: a) przed, b) po procedurach mikroelektronicznych. Na pojedynczym podłożu wykonuje się wiele dziesiątek lub setek membran, trawiąc w jednym procesie wiele podłoży jednocześnie. Wymiary planarne membran są zawarte najczęściej w przedziale od części milimetra do kilku milimetrów, a ich grubość od kilku do 3

kilkudziesięciu mikrometrów. W konstrukcji czujników ciśnienia oprócz membran płaskich stosuje się membrany krzemowe ze wzmocnieniami (rys.4) oraz membrany profilowane (rys.5). a) b) Rys. 4. Membrany ze wzmocnieniami - geometria: a) wzmocnienie pojedyncze, b) wzmocnienie podwójne. 4

a) d) b) c) Rys.5. Membrany pofalowane: a) fala okrągła, b) fala kwadratowa, c) zawieszenie masy drgającej w przyspieszeniomierzu, d) etapy procesu. Po wytrawieniu membran wytwarza się na nich piezorezystory, obszary p +, tworzące doprowadzenie elektryczne do piezorezystorów i kontakty poszerzone, wreszcie nakłada się i formuje metalizację aluminiową. W czujniku Z-02 zastosowano układ dwóch półmostków złożonych z pary piezorezystorów równoległych i prostopadłych do krawędzi membrany. Piezorezystor prostopadły podzielono na dwie mniejsze równoległe do siebie części, połączone zworą z wysokodomieszkowanego krzemu p +. Szczegóły struktury czujnika Z-02 przedstawiono na rys. 6. 5

Rys. 6. Czujnik Z-02: lay-out i struktura z lotu ptaka, widoczne piezorezystory wraz ze zworami typu p + i polami doprowadzającymi, kontakty poszerzone, zwracają uwagę znaki umożliwiające zgranie wzorów membrany i piezorezystorów. W czujniku ciśnienia krwi BIO (rys. 7) pola kontaktowe są ułożone wzdłuż wybranej krawędzi struktury, co umożliwia jego montaż w cewniku lekarskim. Czujnikiem tym można mierzyć temperaturę krwi, za pomocą termorezystorów w układzie półmostka, ulokowanych poza membraną, na litym krzemie ramki otaczającej membranę. Konstrukcja przetwornika piezorezystancyjnego czujnika BIO nie odbiega od konstrukcji czujnika Z-02. W czujniku zastosowano cienkie membrany krzemowe o grubości 10 µm. Czujnik ten wykazuje bardzo dobrą, ponad dziesięciokrotną odporność przeciążeniową. W czujnikach z autokompensacją wytworzono dwa przetworniki tensometryczne w układzie mostkowym, ulokowane odpowiednio na membranie czujnika ciśnienia i na litym krzemie, w ramce otaczającej membranę (rys. 8a). Mostek wewnętrzny ułożony na membranie podlega wpływom pneumatycznym i niekorzystnym oddziaływaniom technologicznym, wpływającym na wartość i dryft temperaturowy napięcia niezrównoważenia. Mostek zewnętrzny nie podlega wpływom pneumatycznym. Sygnały wyjściowe obydwu mostków zawierają te same składowe niekorzystne, wywołane czynnikami konstrukcyjno-technologicznymi oraz właściwy sygnał. Łącząc mostki Wheatstone a ze sobą w sposób przedstawiony na rysunku kompensuje się napięcie niezrównoważenia czujnika i jego dryft temperaturowy. 6

Rys. 7. Czujnik ciśnienia krwi zakres ciśnienia do 300 mmhg: lay-out struktury, awers czujnika, sposób montażu. W czujnikach z autokompensacją zastosowano unikalną konstrukcję piezorezystorów cut. Piezorezystory te, zbudowane z wielu aktywnych kwadratów p i nieaktywnych piezorezystancyjnie połączeń p +, są ułożone wzdłuż krawędzi membrany. Piezorezystor rozciągany poprzecznie w stosunku do ścieżki prądowej, o dodatnim przyroście rezystancji, oraz piezorezystor rozciągany wzdłuż ścieżki prądowej, o ujemnym przyroście rezystancji, powstaje poprzez odpowiednie skonfigurowanie połączeń p + (rys. 8c). Para piezorezystorów może być wykonana dokładnie na krawędzi membrany, co zapewnia bardzo wysoką czułość tensometryczną. Taki układ piezorezystorów można stosować w czujnikach z membraną typu bossed, bez utraty czułości i jakości przetwarzania tensometrycznego. 7

a) b) c) Rys. 8. Czujniki z autokompensacją : a) layouty i układ połączeń elektrycznych, b) struktury czujników, od lewej: awers i rewers czujnika z membraną płaską, rewers czujnika z membraną wzmocnioną c) piezorezystor cut R t rozciągany poprzecznie do ścieżki prądowej i piezorezystor cut R l rozciągany podłużnie do ścieżki prądowej. Piezorezystory cut ułatwiają technologię czujników, zapewniając przy tym ich wysoką czułość i znalazły zastosowanie m.in. w wysokoczułych czujnikach wibracji do kontroli inteligentnych noży skrawających opracowanych w Niemczech, w ramach jednego z priorytetowych programów rozwoju mikrosystemów. 8

W mikromechanicznych strukturach czujników zawierających cienką membranę krzemową niezgodność współczynników rozszerzalności termicznej krzemu i materiału obudowy powodować może niekontrolowane wyginanie membrany (rys.9). Jeśli temperatura pracy czujnika wzrośnie membrana może wygiąć się w dół, jeśli temperatura obniży się membrana się uwypukli. W ugiętej membranie powstają naprężenia mechaniczne, które są przyczyną dużych błędów wskazań czujników. Błędne sygnały mogą być porównywalne co do wartości, z sygnałami metrologicznymi przewidzianymi dla danego typu czujnika. Rys.9. Niedopasowanie krzemu i obudowy wygina cienką membranę czujników ciśnienia, powodując powstanie fałszywych sygnałów metrologicznych. a) b) Rys. 10. Sposoby montażu struktur czujników ciśnienia: a) z wykorzystaniem elastycznych klei żelowych metoda klejenia pływającego, b) montaż krawędziowy metoda klejenia twardego. Szczególnie drastycznego obniżenia dokładności wskazań należy się spodziewać w piezorezystancyjnych czujnikach ciśnienia eksploatowanych w bardzo szerokim zakresie temperatur na przykład w technice motoryzacyjnej. I tak, czujniki ciśnienia typu MAP (Manifold Absolute Pressure Sensors), które pracują w temperaturach od 40 C do +120 C, a sporadycznie temperatura ich może przekraczać +150 C, muszą być niezawodne przez co najmniej 10 lat (wg wymagań amerykańskich). W mało dokładnych czujnikach nadciśnienia opisywane tu niekorzystne efekty temperaturowe można częściowo zniwelować, poprzez montaż struktur czujników metodą klejenia pływającego lub twardego klejenia jednej z 9

krawędzi struktur czujnika (rys.10) co umożliwia wzajemne przemieszczanie się struktury i obudowy. W przypadku struktur czujników metrologicznych (klasa powyżej 0.5) stosuje się bez wyjątku osadzanie ich na wysokich słupkach szkła Pyrex przed montażem w obudowie (rys. 11). Struktury czujników łączy się ze szkłem metodą bondingu anodowego (rys.12). Układ krzem-szkło jest rozgrzewany do temperatury kilkuset stopni Celsjusza (300 500 C), a następnie, krzem położony na stoliku jest polaryzowany dodatnio, zaś położone na krzemie szkło jest polaryzowane ujemnie dość wysokim napięciem (500-2000 V). Następuje zbliżenie powierzchni krzemu i szkła, i wytworzenie silnego, chemicznego połączenia między krzemem i szkłem. Następnie, krzemowo-szklana struktura czujnika jest przyklejana do obudowy. Słupek szklany o odpowiedniej wysokości izoluje mechanicznie strukturę krzemową czujnika od obudowy, tak że naprężenia powstające na granicy obudowa-szkło są tłumione w szkle i nie oddziaływają na membranę czujnika. Modelowanie SENSYM oraz ANSYS przeprowadzone dla szkieł SD-2 i Corning 7740 wykazało, że zanik naprężeń następuje dla słupków szklanych o wysokości powyżej 1 mm (rys.13). Stwierdzono również, że wpływ klejenia na naprężenia termiczne w membranach jest w tym przypadku nieistotny. a) b) Rys. 11. Montaż piezorezystancyjnych czujników ciśnienia: a) struktura na szkle półprzekrój, od lewej czujnik bezwzględny i czujnik względny, b) struktura na szkle w obudowie TO5. 10

W Instytucie Technologii Elektronowej w Warszawie opracowano czujniki mkromechaniczne ciśnienia nowej generacji, wykorzystując bonding anodowy płyt krzemowych i szklanych ze szkła Corning 7740 o grubości 2 mm z otworami dla czujników względnych lub ze szkła Corning 7740 o grubości 1mm bez otworów, w próżni, dla czujników bezwzględnych (rys. 14-15). Rys. 12. Schemat stanowiska do bondingu anodowego. a) b) Rys. 13. Naprężenia von Missesa wynik modelowania: a) w funkcji odległości od powierzchni membrany dla podłoża krzemowego umocowanego bezpośrednio do obudowy metalowej, b) w funkcji odległości od powierzchni styku krzem szkło dla płyty szklanej umocowanej bezpośrednio do obudowy, widoczny zanik naprężeń w dużej odległości od lica. Bonding płyt przeprowadzano na końcowym etapie wytwarzania czujników po procedurach mikromechanicznych, w których uformowano membrany czujników i po usunięciu wszelkich warstw obcych z tylnej strony podłoża krzemowego. Opracowano czujniki ciśnienia PS- 010M w obudowach metalowych i tworzywowych. Struktury czujników na szkle mogą być również montowane do podłoży (chip-carrier ów) ceramicznych i laminatowych. Parametry 11

czujników przedstawiono w tabeli 1. Rys. 14. Czujnik ciśnienia na zakres do 100 kpa: a) lay-out, b) wygląd struktury z lotu ptaka w świetle odbitym i przechodzącym. a) b) Rys. 15. Struktury prototypowych krzemowych piezorezystancyjnych czujników ciśnienia na szkle: a) struktura czujnika względnego - widoczny kanał referencyjny, b) struktura czujnika bezwzględnego (absolutnego). Tabela1. Parametry czujnika PS-010 M obudowa metalowa (według karty katalogowej ITE Warszawa). PARAMETRY GRANICZNE minimalna temperatura pracy 0 C maksymalna temperatura pracy 50 C minimalna temperatura przechowywania -10 C maksymalna temperatura przechowywania 150 C ciśnienie znamionowe 100 kpa maksymalny prąd zasilania 1.5 ma maksymalne napięcie zasilania 7.5 V 12

PARAMETRY METROLOGICZNE Parametr Minimalnie Typowo Maksymalnie Jednostka Uwagi Zakres napięcia wyjściowego (FSO) 80 160 mv 1 Napięcie niezrównoważenia -30 30 mv 1 Rezystancja mostka 4 5 6 kω 1 Nieliniowość sygnału wyjściowego 0.5 % 1 Histereza ciśnieniowa 0.2 % 1 Temperaturowy współczynnik rezystancji 0.23 %/ C 2 Temperaturowy współczynnik napięcia wyjściowego -0.22 %/ C 2 Temperaturowy współczynnik napięcia niezrównoważenia 0.04 % / C 2 Histereza temperaturowa -0.3 0.3 % Stabilność długoterminowa 0.5 % Wszystkie parametry określone przy zasilaniu 1 ma 1. dla temperatury 25 C; 2. średnia w zakresie temp. 0 C do 50 C Selektywny bonding anodowy krzemu do szkła zastosowano do montażu struktur piezorezystancyjnych czujników małych ciśnień, na zakres 20 kpa, z membraną wzmocnioną opracowanych w ITE w Warszawie. Struktury czujników z membraną 2 x 2 mm 2, ze wzmocnieniem cofniętym o 5µm od czoła tylnej strony podłoża (rys.16) montowano do słupków szklanych φ = 5 mm, o wysokości 3 i 6 mm (szkło Borofloat 3.3). Widok czujnika na szkle w obudowie TO8 przedstawiono na rys.17. Rys. 16. Przekrój przez strukturę czujnika ciśnienia na szkle. 13

Rys. 17. Czujnik ciśnienia na zakres 20kPa na słupku szklanym. Bonding fuzyjny SFB (Silicon Fusion Bonding) jest często stosowany w mikrosystemach, między innymi, do wytwarzania podłoży prefabrykowanych z membranami laminowanymi Si-Si (rys.18) oraz Si/SiO 2 -Si (SOI-like), do wytwarzania podłoży SOI, na których wykonuje się różne przyrządy mikromechaniczne (rys.19). Technika SFB wykorzystywana jest do łączenia różnych konstrukcji przestrzennych czujników i aktuatorów. Polega na łączeniu ze sobą podłoży krzemowych w wysokiej temperaturze, bez udziału zewnętrznego pola elektrycznego. a) b) Rys. 18. Dwa sposoby wytworzenia struktury czujnika ciśnienia z membraną krzemową laminowaną o odwróconej geometrii: a) technika pocieniania, b) technika smart cut. 14

Po zetknięciu czystych powierzchni krzemowych wytwarza się słabe połączenie (tzw. połączenie spontaniczne). Siłę połączenia zwiększa się przez wygrzewanie podłoży w wysokiej temperaturze. Proces ten przeprowadza się zarówno w początkowych, jak i w końcowych etapach wytwarzania mikrourządzeń. Bonding fuzyjny jest stosowany w technologii membranowych czujników ciśnienia, zarówno piezorezystancyjnych, jak i pojemnościowych. a) b) c) Rys. 19. Struktury czujników ciśnienia o odwróconej geometrii : a) możliwe konstrukcje, b) zagadnienia geometryczne, c) membrana SOI. 2. Pojemnościowy czujnik ciśnienia W czujniku tym cienka membrana krzemowa typu bossed tworzy wraz z cienkowarstwową elektrodą metalową kondensator powietrzny (rys.20). Ciśnienie płynów (lub nacisk siły) ugina membranę co zmienia jej odległość od elektrody, a tym samym zmienia pojemność kondensatora. W czujniku zastosowano strukturę krzemową 10 x 8 x 0.38 mm 3 z cienką membraną typu bossed ze wzmocnieniem 5x5mm 2. W podłożu szklanym, odpowiednio przyciętym z większej płyty szklanej, wywiercono otwory referencyjne φ = 0.8 mm. Na podłoże naniesiono warstwę Cr-Ni-Au i uformowano fotolitograficznie elektrodę okładkę kondensatora. Na tylną stronę struktury krzemowej naniesiono kontakt Ti-W-Au, zaś czoło wzmocnienia cofnięto względem lica ramki otaczającej membrany o 15µm metodą krótkotrwałego trawienia w HF:HNO 3. Na tak uformowaną powierzchnię naniesiono cienką 15

warstwę SiO 2 metodą reaktywnego rozpylania w próżni. Następnie połączono strukturę krzemową ze szkłem stosując bonding anodowy (selektywny) z ramką pośrednią. Otrzymano czujnik ciśnienia, którego wygląd i charakterystykę przedstawiono na rys. 21. a) b) Rys. 20. Pojemnościowy czujnik ciśnienia: a) budowa w przekroju, b) sposób wytwarzania. 16

a) c) b) c) Rys. 21. Pojemnościowy czujnik ciśnienia: a) podłoże krzemowe z uformowanymi membranami, b) podłoże szklane z elektrodami, c) charakterystyka czujnika. 3. Rezonansowy, pojemnościowy czujnik ciśnienia W tej nowszej konstrukcji, wsparty na membranie krzemowej rezonator krzemowy zmienia częstotliwość drgań rezonansowych proporcjonalnie do ciśnienia gazu naciskającego na membranę. W pierwszym kroku technologicznym wytrawia się anizotropowo w KOH membranę wraz ze wspornikami, a następnie, po utlenieniu, do strukturyzowanego podłoża bonduje fuzyjnie (1100 C, 4 h) płytę rezonatora, pocienioną do żądanej grubości metodą trawienia w KOH z dodatkiem IPA w 60 o C z przedmuchem tlenowym (co zapewniało bardzo gładką powierzchnię). W końcu, w reaktywnym trawieniu jonowym formuje się strukturę wibratora (rys.22). a) b) Rys. 22. Rezonansowy czujnik ciśnienia: a) budowa, b) wygląd od strony rezonatora. 17

4. Optoelektroniczny czujnik ciśnienia z membraną krzemową Optyczne czujniki ciśnienia, należące do podgrupy urządzeń optycznomikromechanoelektrycznych MEOMS, stanowią nową grupę czujników mikromechanicznych z membranami krzemowymi. Membrana ta może być w tych czujnikach wykorzystywana na wiele sposobów (rys. 23). Rys. 23. Uginana membrana krzemowa modeluje światło w mikromechanicznych czujnikach ciśnienia lub siły: możliwe konstrukcje. W krzemowym czujniku ciśnienia (siły) z włóknem światłowodowym ze złączem p-n (rys. 24) opracowanym w WEMiF cienka membrana krzemowa typu bossed, poruszana ciśnieniem płynów lub gazów, przesuwa końcówkę światłowodu przed światłoczułą diodą półprzewodnikową. Światłowód prowadzi światło z zewnętrznego źródła oświetlenia (lampa halogenowa, laser, słońce itp.). Ruch światłowodu wywołuje zmianę poziomu oświetlenia diody. W diodzie światłoczułej powstaje sygnał elektryczny proporcjonalny do zmian oświetlenia. Sygnał ten jest miarą ciśnienia oddziałującego na membranę. Czujnik ciśnienia składa się z dwóch sklejonych chipów krzemowych. W chipie górnym wykonano membranę 6 x 6 mm 2 o grubości 20 µm, ze wzmocnieniem wypełniającym 1/4 jej powierzchni. W ramce otaczającej membranę i we wzmocnieniu membrany uformowano V-rowek, którego wymiary dostosowano do typowego światłowodu φ = 150 µm, tak aby środek światłowodu był zjustowany z górną powierzchnią chipu. Przy krawędzi ramki otaczającej membranę, po przeciwległej stronie V-rowka, wytworzono światłoczułą diodę p-n. Cenną zaletą tej konstrukcji jest całkowite iskrobezpieczeństwo czujnika. Moc wydzielona w diodzie światłoczułej nie przekracza 10 µw dla maksymalnego sygnału 18

wyjściowego. Źródło światła może być oddalone od punktu pomiaru ciśnienia. Niektóre parametry tego czujnika przedstawiono w tabeli 2 zaś charakterystykę ciśnieniową na rys. 25. a) b) Rys. 24. Czujnik ciśnienia z włóknem światłowodowym: a) schemat budowy, b) schemat wytwarzania. Tabela 2. Wybrane parametry czujnika z włóknem światłowodowym. Parametr Wartość Wymiary struktury [mm] 10 x 8.5 x 0.5 Maksymalny sygnał wyjściowy [V] 0.7 Czułość [mv/ 100 kpa] Przeciążalność Maksymalne ciśnienie pracy [kpa] (dla membrany 20 µm) Zasilanie elektryczne +240 dla <40 kpa -80 dla p>60 kpa 3 x 150 (200) brak (światło) 19

a) b) Rys. 25. Czujnik ciśnienia z włóknem światłowodowym.: a) ugięta membrana, p ~ 60 kpa, b) charakterystyka czujnika. 5. Optoelektroniczny czujnik ciśnienia z membraną metalową W czujniku tym (rys. 26-27) uginana pod ciśnieniem płynów bardzo cienka membrana metalowa wykonana z dwuwarstwy Ti-Au moduluje odbicie światła doprowadzonego do niej przez szklany światłowód włóknisty. Źródłem światła w układzie pomiarowym przedstawionym na rys. 28 jest dioda LED o mocy 100 µw, emitująca światło o długości λ = 860 nm. a) Rys. 26. Optoelektroniczny czujnik ciśnienia: a) schemat budowy, b) schemat wytwarzania. 20

Rys. 27. Optoelektroniczny czujnik ciśnienia: detale i zmontowany czujnik. Rys. 28. Układ pomiarowy i charakterystyka czujnika. Czujniki tego typu cechuje duża nieliniowość wskazań, co wymaga kompensacji przez zewnętrzne układy mikroprocesorowe. Cenną zaletą takiego czujnika jest jego całkowite iskrobezpieczeństwo. 21