This document is posted to help you gain knowledge. Please leave a comment to let me know what you think about it! Share it to your friends and learn new things together.
Transcript
1
“Ολοκληρωµένοι θερµικοί αισθητήρες – Αρχές λειτουργίας, πρωτότυπες ανεπτυγµένες διατάξεις”
• Τεχνολογία θερµικής µόνωσης πορώδους πυριτίου - διάκενου αέρα• Κατασκευή του αισθητήρα• Στατικός και δυναµικός χαρακτηρισµός του αισθητήρα
Ανάπτυξη ολοκληρωµένων θερµικών αισθητήρων µικρο-ροής• Χρήση της τεχνολογίας πορώδους πυριτίου – διάκενου αέρα για την ανάπτυξη µικρο-καναλιών• Κ ή λ λ έ θ ή ή
ΤΕΙ Αθηνών – Τµήµα Ναυπηγικής, Κύκλος σεµιναριακών διαλέξεων 2009
• Κατασκευή ολοκληρωµένου αισθητήρα µικρο-ροής
Ολοκληρωµένοι αισθητήρες ροής σε υπόστρωµα τυπωµένων κυκλωµάτων (PCB)• Πλεονεκτήµατα, διαδικασία κατασκευής-αρχικά αποτελέσµατα
∆υνητικές εφαρµογές ολοκληρωµένων αισθητήρων σε πλοία – Συζήτηση
2
Η «έννοια» του αισθητήρα :
Οι συσκευές εκείνες που µετρούνµια φυσική ποσότητα και τη
έ έ έ θ
Κύρια χαρακτηριστικά λειτουργίας αισθητήρων –τύποι αισθητήρων
µετατρέπουν σε ένα µέγεθος(σήµα) που µπορεί να το διαβάσειένας παρατηρητής.[Handbook of Modern sensors, Physics, Design and Applications, J. Fraden]
Series 52 Pressure Sensor, Red Valve Co. Inc.
ΤΕΙ Αθηνών – Τµήµα Ναυπηγικής, Κύκλος σεµιναριακών διαλέξεων 2009
Τυπικά οι σύγχρονοι αισθητήρες νοούνται ως οι συσκευές πουδέχονται ένα ερέθισµα και αποκρίνονται σε αυτό µε ένα ηλεκτρικό σήµα.(µετατροπή ενός φυσικού µεγέθους εισόδου σε ένα σήµα συµβατό µε ταηλεκτρονικά κυκλώµατα).
,
Χαρακτηριστικά λειτουργίας αισθητήρων:
Συνάρτηση µετάθεσης (transfer function)
συνδέει την έξοδο του αισθητήρα µε το µετρούµενο µέγεθος
Μαθηµατική σχέση που εκφράζει την εξάρτηση του ηλεκτρικού σήµατος
Κύρια χαρακτηριστικά λειτουργίας αισθητήρων –τύποι αισθητήρων
Μαθηµατική σχέση που εκφράζει την εξάρτηση του ηλεκτρικού σήµατοςεξόδου (Τ) από το ερέθισµα (s): T = f (s)
Ευαισθησία (sensitivity)
Το µέτρο της µεταβολής εξόδου για µια δεδοµένη µεταβολή του µεγέθουςυπό µέτρηση
dT
ΤΕΙ Αθηνών – Τµήµα Ναυπηγικής, Κύκλος σεµιναριακών διαλέξεων 2009
ελάχιστη ποσότητα µετρούµενου µεγέθους που δύναται ναµετρηθεί, R
Κύρια χαρακτηριστικά λειτουργίας αισθητήρων –τύποι αισθητήρων
Μετρητικό πεδίο (measurement range)
ορίζεται από την ελάχιστη έως την µέγιστη τιµή του µετρούµενου
SnR L=
nL : το επίπεδο θορύβου - ελάχιστη δυνατήανιχνεύσιµη µεταβολή στοµετρούµενο µέγεθος
S : η ευαισθησία
ΤΕΙ Αθηνών – Τµήµα Ναυπηγικής, Κύκλος σεµιναριακών διαλέξεων 2009
µεγέθους που είναι σε θέση να καταγραφεί µε αποδεκτή ακρίβεια
Επαναληψιµότητα (repeatability)
αναφέρεται στο κατά πόσο ένας αισθητήρας είναι σε θέση να παράγει τοίδιο σήµα εξόδου για δεδοµένη τιµή του µετρούµενου µεγέθους και υπόταυτόσηµες συνθήκες
Χαρακτηριστικά λειτουργίας αισθητήρων:
Θόρυβος (noise)
ανεπιθύµητο χαρακτηριστικό όλων των ηλεκτρονικών κυκλωµάτων
η βασική κατηγοριοποίηση των ειδών θορύβου γίνεται µε βάση την
Κύρια χαρακτηριστικά λειτουργίας αισθητήρων –τύποι αισθητήρων
AMD Phenom II X4, quad-core processor No τρανζίστορ : ~758,000,000 [http://www.anandtech.com/printarticle.aspx?i=3512]
6
Στην δεκαετία του ’80, η ραγδαία ανάπτυξη της τεχνολογίαςολοκληρωµένων κυκλωµάτων ώθησε στην ανάπτυξη συσκευώνµειωµένων διαστάσεων µε βάση το πυρίτιο – µικροσυστηµάτων
Μικροαισθητήρας : αισθητήρας που έχει µια τουλάχιστον φυσική
Μικροσυστήµατα (MEMs) / Ολοκληρωµένοι θερµικοί αισθητήρες-βασικές αρχές λειτουργίας
Η µείωση των διαστάσεων στουςαισθητήρες επέφερε αντίστοιχη µείωσηστις τιµές του µετρούµενου µεγέθους, σεβελτίωση όσον αφορά στην ακρίβεια και
άλ ή
Μικροαισθητήρας : αισθητήρας που έχει µια τουλάχιστον φυσικήδιάσταση σε επίπεδο µικρότερο του 1mm[Microsensors, MEMS and Smart Devices, J. W. Gardner, V. K. Varadan, O.O. Awadelkarim, Wiley (2001)]
ΤΕΙ Αθηνών – Τµήµα Ναυπηγικής, Κύκλος σεµιναριακών διαλέξεων 2009
στην ανάλυση της συσκευής
Αριθµός τρανζίστορ/µP (Intel) παράλληλα µε τηνεξέλιξη των µικροσυστηµάτων (MEMs)[Trends and Frontiers of MEMs, W.H. Ko, Sensors andActuators A 136 (2007)]
Η δυνατότητα µαζικής επεξεργασίας(butch processing) οδηγεί σε µείωσηκόστους παραγωγής
Στην δεκαετία του ’80, η ραγδαία ανάπτυξη της τεχνολογίαςολοκληρωµένων κυκλωµάτων ώθησε στην ανάπτυξη συσκευώνµειωµένων διαστάσεων µε βάση το πυρίτιο – µικροσυστηµάτων
Μικροαισθητήρας : αισθητήρας που έχει µια τουλάχιστον φυσική
Μικροσυστήµατα (MEMs) / Ολοκληρωµένοι θερµικοί αισθητήρες-βασικές αρχές λειτουργίας
Η µείωση των διαστάσεων στουςαισθητήρες επέφερε αντίστοιχη µείωσηστις τιµές του µετρούµενου µεγέθους, σεβελτίωση όσον αφορά στην ακρίβεια και
άλ ή
Μικροαισθητήρας : αισθητήρας που έχει µια τουλάχιστον φυσικήδιάσταση σε επίπεδο µικρότερο του 1mm[Microsensors, MEMS and Smart Devices, J. W. Gardner, V. K. Varadan, O.O. Awadelkarim, Wiley (2001)]
ΤΕΙ Αθηνών – Τµήµα Ναυπηγικής, Κύκλος σεµιναριακών διαλέξεων 2009
Μικροσυστήµατα (MEMs) / Ολοκληρωµένοι θερµικοί αισθητήρες-βασικές αρχές λειτουργίας
Εµπλέκεται ο προσδιορισµός της θερµοκρασίας σε συγκεκριµένα σηµείαή περιοχές και η µετέπειτα εξαγωγή της τιµής του µετρούµενου µεγέθους ωςσυνάρτηση αυτής.
Μέθοδοι ανίχνευσης «θερµικής ροής» (thermal flow sensing) :[Silicon flow sensors, B.W. van Oudheusden, Sensors and Actuators A 30 (1992)]
Οι ανιχνευόµενες µεταβολές στη θερµοκρασία προκύπτουν ωςαποτέλεσµα της επίδρασης των µηχανισµών διάδοσης της θερµότητας,δηλαδή της αγωγής, της διαγωγής και της ακτινοβολίας.
ΤΕΙ Αθηνών – Τµήµα Ναυπηγικής, Κύκλος σεµιναριακών διαλέξεων 2009
Μικροσυστήµατα (MEMs) / Ολοκληρωµένοι θερµικοί αισθητήρες-βασικές αρχές λειτουργίας
Ολοκληρωµένοι θερµικοί αισθητήρες
Εµπλέκεται ο προσδιορισµός της θερµοκρασίας σε συγκεκριµένα σηµείαή περιοχές και η µετέπειτα εξαγωγή της τιµής του µετρούµενου µεγέθους ωςσυνάρτηση αυτής.
Οι ανιχνευόµενες µεταβολές στη θερµοκρασία προκύπτουν ωςαποτέλεσµα της επίδρασης των µηχανισµών διάδοσης της θερµότητας,δηλαδή της αγωγής, της διαγωγής και της ακτινοβολίας.
Μέθοδοι ανίχνευσης «θερµικής ροής» (thermal flow sensing) :[Silicon flow sensors, B.W. van Oudheusden, Sensors and Actuators A 30 (1992)]
ΤΕΙ Αθηνών – Τµήµα Ναυπηγικής, Κύκλος σεµιναριακών διαλέξεων 2009
Μικροσυστήµατα (MEMs) / Ολοκληρωµένοι θερµικοί αισθητήρες-βασικές αρχές λειτουργίας
Ολοκληρωµένοι θερµικοί αισθητήρες
Εµπλέκεται ο προσδιορισµός της θερµοκρασίας σε συγκεκριµένα σηµείαή περιοχές και η µετέπειτα εξαγωγή της τιµής του µετρούµενου µεγέθους ωςσυνάρτηση αυτής.
Μέθοδοι ανίχνευσης «θερµικής ροής» (thermal flow sensing) :[Silicon flow sensors, B.W. van Oudheusden, Sensors and Actuators A 30 (1992)]
Οι ανιχνευόµενες µεταβολές στη θερµοκρασία προκύπτουν ωςαποτέλεσµα της επίδρασης των µηχανισµών διάδοσης της θερµότητας,δηλαδή της αγωγής, της διαγωγής και της ακτινοβολίας.
ΤΕΙ Αθηνών – Τµήµα Ναυπηγικής, Κύκλος σεµιναριακών διαλέξεων 2009
ΤΕΙ Αθηνών – Τµήµα Ναυπηγικής, Κύκλος σεµιναριακών διαλέξεων 2009
Ολοκληρωµένος θερµικός αισθητήρας ροής αερίων(1) - υπόστρωµα(2) - θερµικά µονωµένη περιοχή (poSi-∆ιάκενο αέρα)(3) - θερµαντική αντίσταση και πρώτο µέρος των θερµοστοιχείων(4) - δεύτερο µέρος των θερµοστοιχείων και ωµικές επαφές
Προσοµοίωση θερµοκρασιακής κατανοµής στην επιφάνεια του ολοκληρωµένου αισθητήρα µικρο-ροής
Ανάπτυξη ολοκληρωµένων θερµικών αισθητήρων µικρο-ροής
300
320
340
360
380
400
420
Tem
pera
ture
o Kµοκρασ
ία στην
µονω
µένη
επιφυποστρώµατος ίση µε
300 K
• Ακτίνα ηµικυλινδρικούκαναλιού: 20 µm
• Θερµαντήρας πλάτους10 µm σε σταθερήθερµοκρασία 450 Κ,είναι τοποθετηµένοςκάθετα πάνω από το
ΤΕΙ Αθηνών – Τµήµα Ναυπηγικής, Κύκλος σεµιναριακών διαλέξεων 2009
-100 -75 -50 -25 0 25 50 75 100280
Distance from heater (µm)
Θερ
µ
Απόσταση από το θερµαντήρα (µm)
κάθετα πάνω από τοµικρο-κανάλι
Ακόµα και σε ροή 3 µl/min παρατηρείται σηµαντική ασυµµετρία στηθερµοκρασιακή κατανοµή άνωθεν του µικρο-καναλιού
23
Πλεονεκτήµατα της τεχνολογίας
Ολοκληρωµένοι θερµικοί αισθητήρες σε πλακέτα τυπωµένου κυκλώµατος (PCB)
Τυπική διαδικασία ολοκληρωµένωνµικρο-αισθητήρων στο Si
• Κατασκευή του µικρο-αισθητήρα σευπόστρωµα πυριτίου
Ολοκλήρωση των αισθητήριων στοιχείων καιτων αντίστοιχων ηλεκτρονικών στο ίδιουπόστρωµα (PCB)Απαλοιφή του σταδίου διασύνδεσης
• Κοπή ψηφίδας µικρο-αισθητήρα(διαδικασία die cutting)
• Συγκόλληση ψηφίδας σε ηλεκτρονικήπλακέτα τυπωµένου κυκλώµατος(PCB)
• ∆ιασύνδεση της διάταξης µέσωσυρµάτων αλουµινίου µε τονµακρόκοσµο (διαδικασία wire
Μικρο-αισθητήρας Σύρµα Al
Επίπεδη τελική δοµήΧαµηλότερο κόστοςΜικρότερος χρόνος κατασκευήςΜη αναγκαία η χρήση καθαρού χώρουΥψηλός βαθµός θερµικής µόνωσης
ΤΕΙ Αθηνών – Τµήµα Ναυπηγικής, Κύκλος σεµιναριακών διαλέξεων 2009
bonding)
Επαφές Cu
Επαφές χαλκού
Αισθητήρια στοιχεία
PCB
Κυριότερη δυσκολία κατασκευήςΟι ζητούµενες αντιστάσειςυλοποιούνται µέσω πολύ λεπτών( hi fil ) ά άλλ
Cu Cu
Pt
30 µm
300 nmΑπευθείας εναπόθεση Pt σε PCB
30 µm
300 nmρήξη στρώµατος Pt
Ολοκληρωµένοι θερµικοί αισθητήρες σε πλακέτα τυπωµένου κυκλώµατος (PCB)
∆ιαδικασία κατασκευής των µικρο-αισθητήρων
(thin film) στρωµάτων µετάλλουπλατίνας τα οποία εναποτίθενταιστις γραµµές χαλκού τηςπλακέτας
30 µm
Ε ή C
Θερµαντήρας Pt Η µεγάλη διαφορά πάχους τωνδύο µετάλλων καθιστάαπαραίτητο ένα βήµα
Pt
30 µmCu Cu
ΤΕΙ Αθηνών – Τµήµα Ναυπηγικής, Κύκλος σεµιναριακών διαλέξεων 2009
PCB
Επαφή Cu
Αναλογία πάχους Cu και PtΦωτογραφία ηλεκτρονικού µικροσκοπίουσάρωσης (SEM)
εξοµάλυνσης πριν την εναπόθεση,προκειµένου να υπάρχεισυνέχεια στη διαδροµή τηςπλατίνας
CuPCB
Aπευθείας εναπόθεσης Pt σε (PCB)Φωτογραφία οπτικού µικροσκοπίου
24
∆ιαδικασία κατασκευής των µικρο-αισθητήρων
Επιλεκτική εγχάραξη του χαλκού στην πλακέτα - διαµόρφωση των επαφών Cu
Ολοκληρωµένοι θερµικοί αισθητήρες σε πλακέτα τυπωµένου κυκλώµατος (PCB)
Εναπόθεση και επιλεκτική εγχάραξη στρώµατος εξοµάλυνσης (ρητίνη SU-8)
Εναπόθεση και επιλεκτική εγχάραξη στρώµατος πλατίνας –διαµόρφωση
θερµαντήρων πλατίνας
ΤΕΙ Αθηνών – Τµήµα Ναυπηγικής, Κύκλος σεµιναριακών διαλέξεων 2009
Αρχικά αποτελέσµατα µέτρησης ροής αερίου
Ohm
)
Αναπτυσσόµενη διαφορά αντίστασης µεταξύ συµµετρικών R1 και R2συναρτήσει της διερχόµενης ροής
Ολοκληρωµένοι θερµικοί αισθητήρες σε πλακέτα τυπωµένου κυκλώµατος (PCB)
ντίσταση
ς µεταξύ
R1
&R
2(O
Ρεύµα θερµαντήρα
R1 R2
ΤΕΙ Αθηνών – Τµήµα Ναυπηγικής, Κύκλος σεµιναριακών διαλέξεων 2009
∆ιαφορ
ά αν
Ροή αερίου (SLPM)
Ροή
Θερµαντήρας
25
Τάση αυτοµατοποίησης του ελέγχου διατάξεων ασφαλείας στα πλοία
Το εύρος των εφαρµογών των µικρο-αισθητήρων είναι εκτεταµένο
Ο ρόλος των µικρο-συστηµάτων / µικρο-αισθητήρων αναµένεται να είναι καθοριστικός
∆υνητικές εφαρµογές ολοκληρωµένων αισθητήρων σε πλοία – Συζήτηση (1/2)
∆υνητικές εφαρµογές µικρο-αισθητήρων της παρουσίασης
Eφαρµογή στον αυτόµατο έλεγχο ασφάλειας ή καλής λειτουργίας συστηµάτωνµέσω µεµονωµένων µικρο-αισθητήρων ή δικτύου αυτών κατάλληλακατανεµηµένο στο πλοίο
Πίεσης : ∆ιατάξεις υπό πίεση (π.χ. αεροφιάλες εκκίνησης
ΤΕΙ Αθηνών – Τµήµα Ναυπηγικής, Κύκλος σεµιναριακών διαλέξεων 2009
ης ξ ς η ( χ ρ φ ς η ηςκύριων µηχανών)
Ανίχνευση αερίων : Μέτρηση NOΧ (σύµβαση MARPOL), ανίχνευση υψηλής συγκέντρωσης επικίνδυνων αερίων (π.χ. gas freeing σε ∆/Ξ πλοία)
ΤΕΙ Αθηνών – Τµήµα Ναυπηγικής, Κύκλος σεµιναριακών διαλέξεων 2009
26
∆ηµοσιεύσεις στο έργο της παρουσίασης
∆ιεθνή περιοδικά[J-01] D. Pagonis, G. Kaltsas and A.G. Nassiopoulou, “Implantation masking technology for selective porous
silicon formation”, Phys. Stat. Sol. (a) 197 / 1 241-245 (2003)[J-02] G. Kaltsas, D.N. Pagonis, A.G. Nassiopoulou, “Planar CMOS compatible process for the fabrication of
buried microchannels in silicon, using porous-silicon technology”, IEEE J. of MEMS 12 6, 863 – 872(2003)
[J-03] D.N. Pagonis, A.G. Nassiopoulou and G. Kaltsas, ”Porous silicon membranes over cavity for efficient[ ] g , p , ylocal thermal isolation in Si thermal sensors”, J. of the Electrochemical Society, 151, (8), H174 – H179(2004)
[J-04] D.N. Pagonis, A.G. Nassiopoulou and G. Kaltsas, ” Fabrication and testing of an integrated thermal flowsensor employing thermal isolation by a porous silicon membrane over an air cavity”, J. of Micromech.Microeng. 14,1-5, 793-797 (2004)
[J-05] D.N. Pagonis, A.G. Nassiopoulou, “Free-Standing Macroporous Silicon Membranes Over a large Cavityfor filtering and lab-on-chip applications”, Microelectronic Engineering 83, 1421–1425 (2006)
[J-06] D.N. Pagonis and A.G. Nassiopoulou, “Formation of confined macroporous silicon membraneson pre-defined areas on the Si substrate”, phys. stat. sol. (a) 204, 5, 1335–1339 (2007)
[J 07] D N P i A Petropo los G Kaltsas A G Nassiopo lo and A Tserepi “No el microfl idic flo
ΤΕΙ Αθηνών – Τµήµα Ναυπηγικής, Κύκλος σεµιναριακών διαλέξεων 2009
[J-07] D.N. Pagonis, A. Petropoulos, G. Kaltsas, A. G. Nassiopoulou and A. Tserepi, “Novel microfluidic flowsensor based on a microchannel capped by porous silicon”, phys. stat. sol. (a) 204, 5, 1474–1479 (2007)
[J-08] G. Kaltsas, A. Petropoulos, K. Tsougeni, D. N. Pagonis, T. Speliotis, E. Gogolides and A. G.Nassiopoulou, “A novel microfabrication technology on organic substrates - Application to a thermal flowsensor” , J. of Physics : Conference Series : 92 , 012046 (2007)
∆ίπλωµα ευρεσιτεχνίας“Low Power Silicon Thermal Flow Sensors and Microfluidic Devices Using Porous Silicon Sealed Air Cavity onMicrochannels”, A.Nassiopoulou,G.Kaltsas and D.Pagonis, WO03062134, (2003) - United States Patent Νο 20050072926