Mikrosensory półprzewodnikowe

1. Mikrosensory półprzewodnikowe Podstawowe pojęcia i definicje Wykład 2, 2010/11

2. Plan • Sensor, processor, actuator - definicje • Charakterystyki sensorowe – podstawowe parametry • Przykłady urządzeń MEMS Wykład 2, 2010/11

3. Schemat przetwarzania informacji Fizyczna granica systemu Sygnał wyjściowy Sygnał wejściowy Sensory wymagające zasilania nazywamy biernymi lub parametrycznymi, np. pojemnościowe, rezystancyjne Sensory czynne lub generacyjne generują sygnał elektryczny (napięcie) pod wpływem zmian wielkości mierzonej, np. termopary, sensory piezoelektryczne, fotowoltaiczne Wykład 2, 2010/11

4. Przesunięcie w czasie jest miarą kąta skręcenia Wał Koła zębate Sensory analogowe czy cyfrowe? Analogowe • Jako sygnał wyjściowy otrzymujemy ciągły zbiór wartości zarówno w czasie jak i w zmiennych przestrzennych • Większość wielkości mierzonych jest z natury analogowa Przykłady: temperatura, przesunięcie, natężenie światła • Cyfrowe • Sygnał wyjściowy przybiera dyskretne wartości (występuje w postaci krokowej lub w postaci stanów) • Sygnały cyfrowe są bardziej powtarzalne, niezawodne i łatwiejsze do przesyłania • Przykłady: czytnik pozycji, detektor kąta skręcenia lub momentu siły Wykład 2, 2010/11

5. Wielkości: C - (bio)chemiczna M - magnetyczna Me - mechaniczna R - radiacyjna T - termiczna E - elektryczna Funkcje elementów systemu Wykład 2, 2010/11

6. Sensor (czujnik, detektor) • Sensor powinien mierzyć wielkości fizyczne lub chemiczne nie modyfikując własności ośrodka, w którym jest umieszczony (idealna sonda). • Mikrosensory mają przewagę nad tradycyjnymi sensorami gdyż ze względu na mały rozmiar są mniej inwazyjne i pracować mogą w bardzo małej przestrzeni (np. w naczyniach krwionośnych, w cylindrach silników samochodowych). • Do tej pory dominującą techniką wytwarzania mikrosensorów jest mikroinżynieria (microengineering). Technika ta prowadzi do miniaturyzacji, poprawy parametrów pracy urządzenia oraz zmniejszenia kosztów produkcji (przykładem może być rynek czujników ciśnienia czy akcelerometrów) Co rozumiemy pod terminem microengineering dowiemy się w dalszej części wykładu. Wykład 2, 2010/11

7. Actuator (aktor, siłownik) • Termin angielski actuationodnosi się do czynności powodowania lub przekazywania mechanicznego ruchu, siły lub pracy przez urządzenie do jego otoczenia w odpowiedzi na zmianę napięcia polaryzacji lub prądu płynącegoprzez to urządzenie. Mikroaktory oddziaływują z otoczeniem. Przykładami mikroaktorów są: • mikropompy • wtryskarki atramentu • elementy komunikacji optycznej • lustra skanujące Wykład 2, 2010/11

8. Jakie korzyści płyną z miniaturyzacji? Oczekiwania związane ze zmniejszaniem rozmiarów sensorów są takie same jak w mikroelektronice: • zmniejszenie ceny • zwiększenie niezawodności • poprawa parametrów pracy (np. szybkości) • nowe funkcje i zastosowania Wykład 2, 2010/11

9. Przykład zmniejszania ceny produktu Miniaturyzacja tranzystorów i opanowanie technik wykonywania połączeń elektrycznych pozwoliły zwiększyć szybkość działania mikroprocesorów (z 100 MHz w 1995 r. do 2.4 GHz w 2003) przy zachowaniu praktycznie stałej ceny sprzedaży. Cena produkcji 1 mln tranzystorów na płytce zmalała w sposób spektakularny. Wykład 2, 2010/11

10. JAK MAŁE JEST MIKRO , NANO? Wykład 2, 2010/11

11. „There is plenty of room at the bottom” Richard Feynman, 1959 W 1959 Jack Kilby (TI) zademonstrował pierwszy monolityczny układ scalony Konstrukcja została później ulepszona (Robert Noyce z Fairchild Semiconductor) Wykład 2, 2010/11

12. Reguły skalowania Skalowanie czyli zmniejszanie lub zwiększanie wymiaru. Nas interesuje tzw. scaling down. Przy zmniejszaniu rozmiaru urządzeń i systemów niektóre efekty są korzystne a niektóre niekorzystne. Korzyści: Problemy: niezawodność i połączenie zmakroświatem szybkość i dokładność W naturze występuje adaptacja rozmiaru, np. mniejsze organizmy mają cienkie kończyny i muszą sobie radzić z utratą ciepła Wykład 2, 2010/11

13. A A L L Stosunek powierzchni do objętości • Powierzchnia A jest proporcjonalna do kwadratu wymiaru liniowego L: A~L2 • Objętość V jest proporcjonalna do sześcianu wymiaru liniowego L: V~L3 A/V~1/L Wykład 2, 2010/11

14. Mikrostruktury mają znacznie większy stosunek powierzchni do objętości niż struktury milimetrowe. Wniosek: Przy zmniejszeniu rozmiaru liniowego 1000 razy stosunek powierzchni do objętości rośnie 1000 razy Wykład 2, 2010/11

15. b l Skalowanie Rozważmy kość, której długość wynosil. Długość ta charakteryzuje wysokość albo rozmiar liniowy zwierzęcia. Szerokość kości wynosi b. Wytrzymałość kości jest proporcjonalna do b2. Galileo: Dialogue Concerning Two New Sciences, 1638 Wytrzymałość kości jest również proporcjonalna do masy m. Wykład 2, 2010/11

16. b l Skalowanie Masa (przy stałej gęstości) skaluje się jak: Galileo: Dialogue Concerning Two New Sciences, 1638 gdzie: Stała c charakteryzuje wewnętrzną strukturę zwierzęcia a nie jego rozmiar. Wykład 2, 2010/11

17. Skalowanie Co się stanie gdy chcemy zmienić rozmiar liniowy l o czynnik f czyli f-razy? Skoro stała c ma pozostać bez zmian szerokość b musi się zmienić f’ razy tak aby: więc: To pokazuje, że olbrzymie zwierze nie może mieć takich samych proporcji jak małe. Wykład 2, 2010/11

18. Przykład: Problem King Konga Gigant taki jak popularny filmowy King Kong miałby problemy gdyby proporcje jego ciała były takie same jak człowieka. Załóżmy, że King Kong ma 60 ft wzrostu i stoi na palcach. Czy ścięgno Achillesa wytrzyma takie naprężenie? Naprężenie ścięgna Achillesa człowieka mającego 6 ft wzrostu, ważącego w=180 lb wynosi T=310 lb. Ścięgno pęka przy 1500 lb. Wykład 2, 2010/11

19. siła naprężenia ścięgna Achillesa Rozwiązanie: dla człowieka Wykład 2, 2010/11

20. dla King Konga λ=10 bo King Kong jest 10 razy większy niż człowiek ścięgno King Konga wytrzymuje λ2(1500 lb)=150,000lb Wniosek: Gigant taki jak King Kong przy proporcjach człowieka nie mógłby stać, chodzić ani biegać. Wykład 2, 2010/11

21. Jakie to ma znaczenie? • Oddziaływanie gazu z powierzchnią ciała stałego – większa czułość sensorów chemicznych • Szybkie odprowadzanie ciepła, trudno utrzymać gradient temperatury w mikroskali • Przepływ masy nasyca się szybko w małej objętości, równowaga ustala się szybko, trudno utrzymać gradient koncentracji • Zanieczyszczenie powierzchni odgrywa dużą rolę w mikroskali Wykład 2, 2010/11

22. Reguły skalowania wielkości mechanicznych * przy założeniu stałej gęstości ρ Wykład 2, 2010/11

23. Reguły skalowania innych wielkości fizycznych Wykład 2, 2010/11

24. Jak widzi świat mikrosensor? Wykład 2, 2010/11

25. Siły dominujące w mikroskali Wykład 2, 2010/11

26. Oddziaływania, które w makroświecie nie odgrywają dużej roli ze względu na ich charakter krótkozasięgowy, mają olbrzymie znaczenie w mikro i nanoskali. Są to np, oddziaływania Van der Waalsa, a także oddziaływanie dipolowe, wiązania wodorowe, efekty lokalnego elektrostatycznego naładowania powierzchni Wykład 2, 2010/11

27. Napięcie powierzchniowe Napięcie powierzchniowe to siła na jednostkę długości, która utrzymuje powierzchnię płynu Duże napięcie powierzchniowe dominuje w mikro i nanoświecie Wykład 2, 2010/11

28. Przedmiot: Fizyka LICZBA REYNOLDSA gęstośćpłynu prędkość charakterystycznyrozmiar ciała współczynnik lepkości płynu przepływ turbulentny przepływ laminarny: Re<<1 Wykład 2, 2010/11

29. Przepływ laminarny Liczba Reynoldsa zmniejsza się proporcjonalnie do rozmiaru obiektu. Dla obiektu o rozmiarach 100 μm Re≈0.1 podczas gdy przepływ turbulentny wymaga Re ≈2000 Przepływy charakterystyczne dla mikrokanałów są laminarne bez mieszania cieczy Wykład 2, 2010/11

30. Zjawiska obserwowane w mikroskali Przy rozmiarach ok. 50 μm nieciągłość materii staje się istotna. Prawa fizyki, które mają zastosowanie do makroświata przestają dobrze opisywać takie obiekty Polikryształy zbudowane są z ziaren krystalicznych o rozmiarach ok.10 μm. To wpływa na własności cieplne, elektryczne i mechaniczne materiałów Wykład 2, 2010/11

31. Studnie, druty i kropki kwantowe 3D bulk 2D QWell 1D QWire 0D QDot Gęstość stanów g(E) jako funkcja energii elektronu E Wykład 2, 2010/11

32. Charakterystyka sensora – przykład charakterystyki liniowej Warunki w jakich może pracować sensor: zakres temperatur, przyspieszeń, częstotliwość drgań, wytrzymałość na wstrząsy, ciśnienie zewnętrzne (np. wysokość na jakiej może pracować), wilgotność, podatność na korozję, wpływ pola elektromagnetycznego Wykład 2, 2010/11

33. Ważne parametry charakterystyk sensorowych • Full scale output FSOczyli pełny zakres sygnału wyjściowego = algebraiczna różnica pomiędzy skrajnymi wartościami sygnału wyjściowego (odpowiedzi) • Measurand rangeczyli zakres wielkości mierzonej = przedział wartości mierzonej, dla której przewidziano możliwość pomiarów przy pomocy sensora; podaje się górną i dolną granicę wielkości mierzonej • Offset czyli przesunięcie zera = wartość sygnału wyjściowego sensora, w temperaturze pokojowej zazwyczaj, dla zerowej wartości wielkości mierzonej Wykład 2, 2010/11

34. Histereza a powtarzalność Wykład 2, 2010/11

35. Linearity czyli liniowość charakterystyki =miara odległości pomiędzy krzywą kalibracyjną a wybraną linią prostą. Liniowość jest mierzona jako maksymalne odchylenie dowolnego punktu krzywej kalibracyjnej od linii prostej ustalonej podczas jednego cyklu procedury kalibracyjnej. Jest wyrażana w % FSO. Jeżeli ustalona linia prosta łączy dwa punkty skrajne (0 i 100%) to wynik tej procedury nazywamy: end-point or terminal-based linearity • Hysteresis czyli histereza =maksymalna różnica w sygnale wyjściowym dla dowolnej wartości mierzonej w zakresie, kiedy wielkość ta jest osiągana najpierw przy wzroście a następnie przy zmniejszaniu sygnału wejściowego. Jest wyrażana w % FSO. Wykład 2, 2010/11

36. Repeatability czyli powtarzalność = zdolność sensora do odtwarzania wartości wyjściowych w temperaturze pokojowej, dla tej samej wielkości mierzonej w warunkach kolejnych powtórzeń eksperymentu w tym samym kierunku. Jest wyrażana jako maksymalna różnica wartości wyjściowych w kolejnych cyklach kalibracyjnych. Podawana jako „w zakresie x%” FSO • Resolution czyli rozdzielczość= najmniejszy przyrost wielkości mierzonej konieczny do uzyskania zauważalnej zmiany wielkości wyjściowej. Kiedy przyrost wielkości mierzonej jest odniesiony do zera, ten parametr nosi nazwę progu (threshold) Wykład 2, 2010/11

37. Selectivityczyli selektywność = zdolność do pomiaru jednej wielkościw obecności innych wielkości (np. wodoru w obecności CO) • Sensitivity czyli czułość = stosunek zmiany wielkości wyjściowej do zmiany wielkości mierzonej (wejściowej). Jej miarą jest nachylenie krzywej kalibracji. Dla sensora, którego sygnał wyjściowy jest związany z wielkością mierzoną x równaniem y=f(x), czułość S(xa), w punkcie xa, wyraża się jako: Wskazanym jest dążenie do dużej i możliwie stałej czułości (ściśle stałą wartość otrzymuje się dla y=ax+b) Wykład 2, 2010/11

38. Speed of response (response time) czyli czas odpowiedzi=czas ,dla którego sygnał wyjściowy osiąga 63% (tj. 1/e) swojej wartości końcowej w odpowiedzi na zmianę skokową wielkości mierzonej • Stability czyli stabilność =zdolność sensora do utrzymania swojej charakterystyki pomiarowej przez określony czas. Często stabilność określa się jako zdolność sensora do odtwarzania wartości wyjściowych otrzymanych podczas kalibracji początkowej, w temperaturze pokojowej, w określonym przedziale czasu. Zazwyczaj wyrażana w % FSO Wykład 2, 2010/11

39. Output formatczyli format sygnału wyjściowego = zazwyczaj wielkości elektrycznej, sygnał analogowy (amplituda napięcia, stosunek napięć, zmiany pojemności) lub sygnał cyfrowy (binary code) • Overload characteristicsczyli charakterystyka przeciążenia. Przeciążenie (lub przekroczenie zakresu pomiarowego) jest to maksymalna wartość sygnału wejściowego, którą można podać na sensor nie powodując zmiany jego działania określonej tolerancją • Recovery timeczyli czas powrotu =czas potrzebny na to, aby po usunięciu przeciążenia sensor pracował znowu w granicach określonych tolerancją Wykład 2, 2010/11

40. Metody wytwarzania mikrosensorów - mikroinżynieria Wykład 2, 2010/11

41. Co oznacza termin„microengineering”? • Microengineeringczyli mikroinżynieria odnosi się do technologii i metod wytwarzania struktur i urządzeń trójwymiarowych o rozmiarach rzędu mikrometrów. • Są dwie technologie określane mianem mikroinżynierii: mikroelektroniczna (microelectronics) i mikromechaniczna(micromachining). • Technologia mikroelektroniczna, wytwarzająca układy elektroniczne na krzemie czyli technologia układów scalonych jest bardzo dobrze rozwinięta. Technologia mikromechaniczna obejmuje wszystkie techniki używane do wytwarzania struktur i części ruchomych w mikrosystemach. • Jednym z głównych celów mikroinżynierii jest integracja układów mikroelektroniki ze strukturami mikromechanicznymi tak aby wytwarzać całkowicie zintegrowane systemy tzw. mikrosystemy.Takie mikrosystemy powinny zapewniać te same korzyści jak układy scalone na krzemie czyli niski koszt, niezawodność działania i mały rozmiar. Wykład 2, 2010/11

42. Układy mikro-elektro-mechaniczne (Micro-Electro-Mechanical Systems MEMS) • W USA technologia ta nosi nazwę MEMS; w Europie znana jest jako technologia mikrosystemów(Microsystems Technology MST). • MEMS stanowi portfolio technik iprocesówdo projektowania i tworzenia systemów w skali mikro. • Technologia ta wytwarza produkty wysoce wyspecjalizowane pod kątem konkretnych zastosowań. Trudno jest kupić produkt MEMS danego rodzaju w sklepie elektronicznym. • „MEMS is a way of making things”. Łączy sensorowe funkcje z aktorami, obliczeniami i komunikacją aby kontrolować lokalnie parametry fizyczne w mikroskali. Wykład 2, 2010/11

43. Struktura mikrosystemu Wykład 2, 2010/11

44. http://www.sandia.gov/ Krzemowy mikrołańcuch pracuje w przekładni Zawiasy Wykład 2, 2010/11

45. Dlaczego MEMS są użyteczne? • Nie tylko małe rozmiary MEMS są istotne. • Mały rozmiar MEMS w odniesieniu do sensorów oznacza jego mniejszą interferencję z otoczeniem niż w przypadku klasycznych urządzeń. • Sieć sensorów może wykorzystywać redundancję czyli nadmiar. • MEMS w odniesieniu do aktorów ma tę zaletę, że ich ruch jest bardzo precyzyjny. • MEMSy mogą być umieszczane w małych przestrzeniach jak w silnikach samochodowych, małych urządzeniach i żywych organizmach. • . Wykład 2, 2010/11

46. Obszary zastosowań MEMS • Inwazyjne i nieinwazyjne sensory biomedyczne • Miniaturowe biochemiczne urządzenia analityczne • Systemy wspomagania pracy serca np. rozruszniki, cewniki • Systemy podawania leków • Zaburzenia neurologiczne • Kontrola pracy silnika i napędu • Bezpieczeństwo użytkowników samochodów, w systemach hamowania i zawieszenia • Obróbka sygnałów elektromechanicznych • Układy rozłożone sensorów do monitorowania stanu zdrowia pacjentów • Układy sensorów do kontroli systemów aerodynamicznych i hydrodynamicznych Wykład 2, 2010/11

47. Wykład 2, 2010/11 From: http://mems.colorado.edu/c1.res.ppt/ppt/g.tutorial/ppt.htm

48. From: http://mems.colorado.edu/c1.res.ppt/ppt/g.tutorial/ppt.htm Wykład 2, 2010/11

49. Podsumowanie • Urządzenia miniaturowe, rozmiar około 1 mm są wytwarzane konwencjonalnymi metodami mechaniki precyzyjnej. Materiały jakie są używane to metale, szkło. • Urządzenia MEMS, rozmiary 10-100 μm, sensory i inne mechaniczne elementy głównie w Si • Nano-electro-mechanical systems NEMS, rozmiar • 100 nm – 1 μm, urządzenia elektroniczne, głównie w Si • Nanotechnologia, rozmiar <100 nm, na razie materiały Wykład 2, 2010/11

50. Z punktu widzenia badań naukowych • Poszukiwania nowych metod budowania struktur zintegrowanych, metod tworzenia struktur 3D i wykorzystania innych niż Si materiałów jak SiC • Odkrywanie nowych materiałów o interesujących właściwościach • Demonstracja takich struktur, które wykorzystują pełny potencjał mikro i nanotechnologii • Rozwój technik bio/nano wykorzystujących osiągnięcia biotechnologii i nanotechnologii • Trzeba wykazać jakie korzyści będą miały społeczeństwa aby uzasadnić wydatki na rozwój badań Wykład 2, 2010/11