MEMS, szenzorok

Tóth Tünde

Anyagtudomány MSc

2016. 05. 04.

1

Előadás vázlat

• MEMS

• Története

• Előállítása

• Szenzorok

• Nyomásmérők

• Gyorsulásmérők

• Szögsebességmérők

• Áramlásmérők

• Hőmérsékletmérők

2

Mi is az a MEMS?

• MEMS = mikro-elektromechanikai rendszerek

• Olyan apró eszközök, melyek mechanikai és elektronikai

alkatrészeket is tartalmaznak.

• Karakterisztikus méretük jellemzően 20-1000 mikrométer

• Az alkatrészek mérete 1-100 mikrométer

3

4

Története

5

Előállítás

• Alapanyagok:

• Szilícium

• Legelterjedtebb

• Jól megmunkálható, stabil

• Polimerek

• Olcsó, könnyen előállítható és megmunkálható

• Szubsztrát és fotoreziszt is lehet

• Fémek ( Au, Ni, Cu, Al, Ti, Ag, Pt)

• Si tulajdonságai jobbak

• Megfelelő korlátok között megbízható Mems eszközök készíthetőek

• Kerámiák (Si, Al, Ti nitridjei)

6

Előállítás

• Főbb lépései

• Rétegleválasztás

• Mintázat kialakítása

• Maratás

• Rétegleválasztási technikák

• Fizikai gőzfázisú leválasztás (PVD)

• Hordozó és felvitt anyag közt nincs kémiai reakció

• A kialakult réteget csak kohéziós erők kötik a hordozóhoz

• Kémiai gőzfázisú leválasztás (CVD)

• A réteg kémiai kötéssel kapcsolódik a hordozóhoz

• Leggyakrabban: LPCVD

7

PVD

8

CVD

9

Mintázat kialakítása

• Litográfiai eljárások

• Litográfia = lenyomat

• Mikrotechnikában:

• Áramkörök, mikromechanikai struktrúrák rajza

• Fotoreziszt = fizikai tulajdonságai megváltoznak, ha megfelelő

besugárzást kap

• Maszk = az átvivendő struktúrát tartalmazza

• Optikai, röntgen-, és elektronsugaras

10

Fotolitográfia

11

Maratási eljárások

• Nedves maratás

• Marószer oldatába merítve történik a folyamat

• Anizotróp marás

• Marási sebesség erősen függ a kristálytani irányoktól

• Izotróp marás

• Marási sebesség független a kristálytani irányoktól

• Szelektivitás fogalma

12

Anizotróp marás

13

Egykristály szilícium

Izotróp marás

14

Maratási eljárások

• Száraz maratás

• A folyamat gáz vagy gőzfázisban történik

• Fizikai és kémiai folyamatok is

• Az egyik legelterjedtebb módszer: DRIE

15

Deep Reactive Ion Etching

• Erősen anizotróp

• Felváltva: izotróp maratás és passziválás

16

Mikrotechnikai kötések

• Mikrotechnikai kötések biztosítása

• Típusai

• Forrasztott: a kötés fémes adalékanyag segítségével jön létre

• Ultrahangos:

17

Mikrotechnikai kötések II

• Típusai:

• Termokompressziós: Au és Si

18

Mikrotechnikai kötések III

• Típusai

• Termoszonikus kötés:

• Termokompressziós és ultrahangos technika ötvözése

• Módszerek előnyeinek kombinálása

• Alacsonyabb hőmérséklet, kötés időtartama rövidebb, felületi

szennyeződések, oxidrétegek eltávolítása

• Anódos kötés:

• Sík szilícium-, és üvegfelületek kötésére

19

Szenzorok

• Olyan eszközök, melyek egy nem elektromos jelet (fizikai vagy

kémiai) elektromos jellé alakítanak át.

• Jellemzőik:

• Szelektivitás

• Reprodukálhatóság

• Gyors működés

• Folyamatos működés

20

Nyomásmérők

• Iparban és egészségügyben is számos területen használják

21

Orvosi nyomásmérő

• Kardiovaszkuláris katéter: a szív koszorúereiben fellépő nyomás mérésére

• Mikromechanikai membrán, alsó részén referencianyomás, felső részén vérnyomás

22

Orvosi nyomásmérő II

• A membránt kondenzátorként alakítják ki

•∆𝐶

𝐶= −

𝑤(𝑥)

𝑥𝑝

23

Légnyomás mérése

• A=1x1 mm, d= 10μm Si membrán

• Atmoszférikus nyomás deformálja a membránt

• Membrán anyagából kialakított piezorezisztorok

24

Gyorsulásmérők • Járműiparban széleskörű felhasználás:

• Benzinmotorok kopogásszabályzása

• Járműgyorsulások meghatározása a blokkolásgátló (ABS) vagy a

stabilitási (ESP) rendszerek számára

• Légzsák és övfeszítő biztonsági rendszerek működtetésére

ütközéskor

• Karosszériagyorsulások kiértékelésére a felfüggesztési rendszerek

szabályozásához

25

Gyorsulásmérők

• Az erőmérést útmérésre vagy mechanikai feszültség mérésére vezetik vissza

• Állandó gyorsulás: 𝐹 = 𝑚 ∗ 𝑎 = 𝑐 ∗ 𝑥

• Változó gyorsulás: 𝐹 = 𝑚 ∗ 𝑎 = 𝑐 ∗ 𝑥 + 𝑏 ∗ 𝑥 + 𝑚 ∗ 𝑥

26

Kapacitív gyorsulásmérők

• Fontos alkalmazás: légzsákok vezérlésére szolgáló szenzorok

27

Kapacitív gyorsulásmérők

• Légzsák vezérléséhez kifejlesztett gyorsulásmérő szenzor

28

Piezoelektromos gyorsulásmérők

• Működésük a töltésszétválasztás elvén alapul

29

Piezorezisztív gyorsulásmérők

• Gyorsulásmérés nyúlásmérő bélyegek alkalmazásával

30

Termodinamikai elven működő gyorsulásmérők • Felmelegített gázbuborék helytől függő hőmérséklet eloszlása

31

Szögsebesség érzékelők

• Járművekben az 1990-es évektől kezdve

• Érzékelik a jármű kanyarodását, kisodródását is

• Műhorizont, ESP, rakétatechnika 32

Klasszikus giroszkópok

• Gyorsuló koordináta-rendszerben:

𝑚𝒂 = 𝑭 −𝑚𝒂0 −m𝝎× 𝝎 × 𝒓 − 2𝑚 𝝎 × 𝒓 −𝑚 𝜷 × 𝒓

Működés alapja: Coriolis-erő= −2𝑚 𝝎 × 𝒓

33

MEMS giroszkópok

• Próbatest rezonanciában rezeg

• Forgómozgás esetén Coriolis-erő

• Mérése rugók segítségével

• Elmozdulások mérése kapacitív elven

34

MEMS giroszkópok

• Kis kapacitásváltozások, így két ellenfázisban működő mikromechanikai rendszert építenek egymás mellé

35

MEMS giroszkópok

36

Áramlásmérők

• Belsőégésű motoroknál nagyon fontos a helyes levegő-tüzelőanyag arány betartása

• Hőfilmes áramlásmérők

• Gyors

• Levegő abszolút hőmérséklete

befolyásolja

• Mérőcellát védeni kell a

szennyeződésektől 37

Hőmérők

• Ellenállás változáson alapuló szenzorok

• Kerámia hordozóra felvitt strukturált vékonyréteg

ellenállás (Ni, Pt)

38

Szenzortechnika jelentősége a gépjárműiparban

39

40

Források

• en.wikipedia.org/wiki/Microelectromechanical_systems

• www.memsindustrygroup.org

• http://www.mogi.bme.hu/TAMOP/mikromechanika

• https://www.mems-exchange.org/MEMS

41

Köszönöm a figyelmet!

42