Laboratorium MEMS i mikronapędów

Paweł Jurczak

Marcin Koralewicz

Mateusz Kurtyka

Sprawozdanie z ćwiczenia nr 4

Temat: Badanie piezorezystora

Cel ćwiczenia:

Celem ćwiczenia jest przeprowadzenie badań symulacyjnych wpływu wymiarów geometrycznych czujnika piezorezystancyjnego poddanego działaniu ciśnienia p na wartość napięcia wyjściowego U out .

I).Wstęp - część teoretyczna

Czujniki piezorezystancyjne wykorzystują efekt zmiany rezystancji materiału pod wpływem działającego ciśnienia. Cechują się one dużą trwałością, szerokim zakresem ciśnień i małymi rozmiarami. Proces produkcji tych czujników jest prostszy i tańszy niż czujników pojemnościowych (mniej etapów technologicznych, mniej masek itp.)

Rys. 1. Przekrój i budowa piezorezystancyjnego czujnika ciśnienia oraz konstrukcja membrany czujnika wraz  z rozmieszczeniem piezorezystorów .

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 . 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. 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.

Rys. 2. Krzemowe membrany: piezorezystancyjnych czujników ciśnienia

W konstrukcji czujników ciśnienia oprócz membran płaskich stosuje się membrany krzemowe ze wzmocnieniami oraz membrany profilowane (rys.3).

Rys .3. Membrany pofalowane: a) fala okrągła, b) fala kwadratowa, c) zawieszenie masy drgającej w przyspieszeniomierzu

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 + 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.

Rys. 4. Czujniki z autokompensacją : a) layout i układ połączeń elektrycznych, b) struktura

czujnika .

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.

Rys. 5. Piezorezystor „cut” R t rozciągany poprzecznie do ścieżki

prądowej i piezorezystor „cut” R l rozciągany podłużnie do ścieżki prądowej.

Materiał opracowano na podstawie :

Jan A. Dziuban, Technologia i zastosowanie mikromechanicznych struktur krzemowych i

krzemowo-szklanych w technice mikrosystemów, Oficyna Wydawnicza Politechniki

Wrocławskiej

http://www-old.wemif.pwr.wroc.pl/agd/etd7062/etd7062.pdf

http://layer.uci.agh.edu.pl/pl/dydaktyka/lab-sens/cw7.html

II).Wyniki badań symulacyjnych

Wymiary geometryczne piezorezystora:

• szerokość piezorezystora W = 57 µm

• długość piezorezystora L = 1.5 µm

• szerokość elektrody pomocniczej b = 23 µm

• długość elektrody pomocniczej a = 2b

• długość boku kwadratowego podłoża, na którym jest umieszczony centralnie piezorezystor

S = 2L

Wymuszenia:

• napięcie zasilające U in = 5V,

• ciśnienie p w osi X (ale podłoża - nie czujnika rys.1b) do wytworzenia naprężenia (S x ) = -10

MPa.

Rys.6 Deformacja piezorezystora

Rys.7 Rozkład pola elektrycznego piezorezystora

Rys.8 Wpływ ciśnienia p na wartość napięcia wyjściowego Uout . W = 57µm, L=74,1 µm

Rys.9 Wpływ współczynnika k=L/W na wartość napięcia wyjściowego Uout .W = 57µm, p=30Mpa

II).Wnioski

Wpływ wymiarów geometrycznych czujnika piezorezystancyjnego na wartość napięcia wyjściowego nie jest zależnością liniową. W strukturze powstaje napięcie liniowo zależne od wartości przyłożonego do piezorezystora ciśnienia.

---