ET-DI-2 / L02 Rzeszów, 28.11.2014

Krzysztof Madej
Wojciech Kliś
Witold Malikowski

Sprawozdanie z laboratorium Mikronapędów i MEMS nr 4.

Temat: Badanie piezorezystora

Wstęp

Czujniki piezorezystancyjne wykorzystują efekt zmiany rezystancji materiału pod wpływem działającego ciśnienia. Cechują się 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.). Badany czujnik piezorezystancyjny jest wykonywany z materiału półprzewodnikowego typu p w kształcie dwóch prostokątów nałożonych na siebie pod kątem prostym umieszczonych na podłożu wykonanym z materiału półprzewodnikowego typu n.

Długość czujnika L mierzymy wzdłuż osi X ukierunkowanej poprzez strukturę krystaliczna krzemu. Sam piezorezystor ma kształt prostokąta o długości L i szerokości W z dwoma elektrodami umieszczonymi na jego końcach. Dla uzyskania maksymalnej czułości zmiany naprężeń, piezorezystor jest obrócony o kąt 45°względem osi X. Napięcie zasilające U_in jest przyłożone pomiędzy elektrodami w osi X. Na wskutek przyłożonego napięcia pomiędzy elektrodami płynie prąd o określonej wartości. Naprężenie w materiale rezystora spowodowane zmianą ciśnienia p wytwarza w osi Y pole elektryczne. Napięcie wyjściowe U_out powstałe na skutek pojawianie się pola elektrycznego jest mierzone na dwóch dodatkowych elektrodach o wymiarach a i b.

Do wyznaczenia wartości napięcia U_out możemy zastosować metody analityczne lub numeryczne oparte o metodę elementów skończonych. W badanym przypadku zostanie zastosowana metoda numeryczna.

Właściwości materiałowe

Z uwagi na niewielkie rozmiary czujnika wszystkie właściwości materiałowe jak również wymiary geometryczne będą podawane w systemie jednostek µMKSV. Jest to system metryczny, w którym jednostką podstawową jest 1µm

Właściwości materiałowe krzemu:

• Współczynniki macierzy sztywności, MN/m²

• c11=165.7e3

• c12=63.9e3

• c44=79.6e3

• rezystywność półprzewodnika typu p – 7.8e-8 Ωµm

• współczynniki piezoelektryczne półprzewodnika typu p, (MPa)^-1

• π11=6.5e-5

• π12=-1.1e-5

• π44=138.1e-5

Wymiary geometryczne piezorezystora:

• szerokość piezorezystora W= 57 µm

• długość piezorezystora L= 1.5 W

• szerokość elektrody pomocniczej b= 23µm

• długość elektrody pomocniczej a= 2b

• długość boku kwadratowego podłoża, na którym jest umieszczony centralnie piezorezystor S= 2L

Wymuszenia:

• napięcie zasilające Uin= 5V,

• ciśnienie pw osi X (ale podłoża – nie czujnika rys.1b) do wytworzenia naprężenia (Sx) = -10 MPa.

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

Deformacja piezorezystora

Rozkład pola elektrycznego piezorezystora

Wnioski

W wykonaniu ćwiczenia skorzystaliśmy z programu FEM, za pomocą którego obliczyliśmy wpływ ciśnienia p na wartość napięcia wyjściowego Uout, który okazało się być linową zależnością. W następnym kroku dokonaliśmy obliczenia wpływu współczynnika k na wartość napięcia wyjściowego Uout, gdzie okazało się że podczas zwiększania k napięcie na wyjściu maleje.

Pomiary wykonane:

Dla:

! Dane geometryczne modelu

k=1.5 ! przelicznik do obliczania dlugosci piezorezystora
W=57 ! Szerokosc piezorezystora, um
L=k*W ! Dlugosc piezorezystora, um
b=23 ! Szerokosc elektrody pomocniczej um
a=2*b ! Dlugodsc elektrody pomocniczej, um
S=2*L ! Dlugosc boku podloza, um

! Przylozone cisnienie, MPa

P_in=1 ! Wartosc poczatkowa cisnienia, MPa
P_end=30 ! Wartosc koncowa cisnienia, MPa
P_inc=0.25 ! Wartosc o ktora program zwieksza wartosc cisnienia, MPa

! Napiecie zasilajace, V

Uin=5

Dla:

!Ustawienia do obliczeń w funcji zmiany wymiarow

k_in=1.1 ! wartosc poczatkowa przelicznika
k_end=5 ! wartosc koncowa przelicznika
k_inc=0.025 ! wartosc o jaka program zwieksza przelicznik

*do,k,k_in,k_end,k_inc

W=57 ! Szerokosc piezorezystora, um
*set,L,k*W ! ustawienie nowej wartosci dlugosci
L=k*W ! Dlugosc piezorezystora, um -
b=23 ! Szerokosc elektrody pomocniczej um
a=2*b ! Dlugodsc elektrody pomocniczej, um
S=2*L ! Dlugosc boku podloza, um

! Przylozone cisnienie, MPa

p=30

! Napiecie zasilajace, V

Uin=5