tłumaczenie proszak1


Rzeszów 15.01.2001

PROJEKT Z FIZYKI

Temat:

Szybki pojemnościowy czujnik wilgoci z zamontowanym na chipie

termicznym kasowaniem.

Wykonał:

Grzegorz Kirc

IV EDP

Szybki pojemnościowy czujnik wilgoci z zamontowanym na chipie termicznym kasowaniem.

Streszczenie - ten dokument informuje o szybkim pojemnościowym czujniku wilgoci zamontowanym w grzejniku polikrzemowym. Czas odpowiedzi wynosi 1.0 s, a czułość 30 fF/% RH (RH - wilgotność względna). Wysoka prędkość otrzymano przez użycie wielokrotnych poliimidowych kolumn o średnicy kilku mikronów i umożliwiono wilgoci na dyfuzję okrężną w nich. Używając struktur, które eliminują pojemnościową szczelinę powietrzną pomiędzy kolumnami, symulowane wyjście czujnika posiada dryf na poziomie jedynie 1 %, gdy relatywna stałą dielektryka w obszarze powietrza zmienia się od 1 do 10. Polikrzemowy grzejnik jest używany do otrzymania względnego poziomu wilgoci > 80 %RH. Czułość ± 3 %RH jest uzyskana przez użycie tej metody, przy błędzie pomiarowym ±0.5 °C i ±2 %RH przy podanej odpowiednio temperaturze i względnej wilgotności. Grzejnik także zmniejsza czas regeneracji po zawilgoceniu, co pozwala czujnikowi na większą możliwość regeneracji zanieczyszczeń i starzenia a także pozwala odczytywanej warstwie na wykasowanie na żądanie podczas protokołu samokontroli.

Indeks terminów - przetworniki pojemnościowe, przetworniki wilgoci, przenikalność elektryczna, warstwy polimidowe, samokontrola.

  1. Wprowadzenie.

Cienko warstwowe czujniki wilgoci są szeroko stosowane w wielu pomiarach i zastosowaniach kontrolnych, włączając w to automatyczne procesy kontrolne, meteorologię, domowe urządzenia, rolnictwo oraz urządzenia medyczne [1], [2]. Mogą one być uszeregowane według pojemnościowych [3], rezystancyjnych [4], mechanicznych [5], [6] i oscylacyjnych typów [7], [8] opartych na zasadzie wykrywania. Pomiędzy nimi urządzenia pojemnościowe są częściej preferowane od czasu, kiedy zapewniają one bardzo niskie zużycie zasilania i liniową odpowiedź wyjściową. Wykrywają one zmiany indukowanej-wilgotności w stałej dielektrycznej w warstwie wodnej do zmierzenia otaczającego względnego poziomu wilgotności. Ważnymi parametrami dla czujników wilgoci są: czas odpowiedzi, czułość, długotrwała stabilność, histereza, liniowość, dokładność, selektywność i zużycie mocy.

Różne materiały takie jak porowata ceramika [9], polimery hygroskopiczne [10] i elektrolity [11] są używane jako materiały wykrywające wilgotność. Ceramika ma większą przewagę dzięki wysokiej odporności mechanicznej i rezystancji w wysokich temperaturach. Ceramika używana do wykrywania wilgoci to MgCr2O4 [12], TiO2 [13] i Al2O3 [14]. Z drugiej strony polimery są łatwiejsze do zastosowania i są bardziej kompatybilne ze standardem technologii produkcyjnej IC. Typowe hygrpskopijne polimery to octan celulozowy [15], polimetylowy metakrylan [16] i polimid [17]. Czujniki wilgoci stosujące porowaty krzem jako pomiarową warstwę wykrywającą są także opisane [18], [19].

Polimidy zostały obszernie zbadane do użytku jako pomiarowy czujnik z kilku powodów [20]-[24]. Posiadają wysoką czułość na wilgoć, przedstawiają wysoką stabilność termiczną do > 400 °C, posiadają wysoką odporność na wiele środków chemicznych i są stosowane jako materiał pokrywający w produkcji półprzewodnikowej, są w pełni zgodne z technologią krzemową [25].

Na złość wielkim korzyściom w prowadzonych pracach badawczych cienko warstwowe czujniki wilgoci dalej cierpią na skutek wolnej odpowiedzi (> 30 s), małej dokładności (> ±2%RH) i indywidualnego długotrwałego dryfu. Niska prędkość związana jest z zastosowaniami wymagającymi nieustaloną zmianą wilgotności lub pomiary muszą być przeprowadzane „w locie”, włączając w to wiele procesów kontrolnych w produkcji i monitorowanie atmosferycznej wilgotności względnej stosując radiosond, dropsond i bezzałogowych pojazdów [26].

Ten dokument opisuje pojemnościowy czujnik wilgoci zintegrowany w polikrzemowym grzejniku, w którym czas odpowiedzi jest znacznie szybszy niż w poprzednio opisywanych urządzeniach. Wysoka prędkość jest uzyskana przez wprowadzenie małych polimidowych słupków o średnicy kilku mikronów i możliwością dyfuzji wilgoci w obwodzie. Grzejnik jest użyty do zapewnienia kondensacji po wymaganym długim czasie regeneracji i w momencie, gdy czujnik pozostaje w stanie niemożności działania. Grzejnik może, z zasady, także być użyty do samo kontroli w polu, do zredukowania czasu regeneracji po zawilgoceniu i do umożliwienia regeneracji warstwy czułej z zanieczyszczeń, starzenia i histerezy.

  1. Podstawy szybkich czujników wilgoci.

Czas odpowiedzi (szybkość) w czujniku wilgoci może być zwiększony prze wybranie higroskopijnego materiału z dużą stałą dyfuzji wilgoci lub przez zmianę kształtu i wymiaru warstwy czułej. Kiedy materiał zostanie wybrany, to jednak prędkość może zostać zwiększona przez zmodyfikowanie geometrii warstwy. W wielu przypadkach wybór materiałów jest ograniczone przez zastosowanie i wiele z nich posiada małą stałą dyfuzji (10-9 -10-8 cm2/s).

W tej pracy wysoka prędkość została uzyskana przez wprowadzenie struktury cylindrycznej. Konwencjonalna struktura płyty równoległej pokazana na rysunku 1(a) zawiera warstwę hygroskopijną i dwie elektrody. Górna jest wykonana z porami aby zapewnić wilgoci dostęp do czułej warstwy. Proces dyfuzji pojawia się na relatywnie niskim poziomie od momentu kiedy dyfuzja wilgoci odbywa się na warstwie tylko z jednej strony. Dalej warstwa czuła jest częściowo ukryta przez pory umieszczone na górnej elektrodzie, hamowanie absorbcji wilgoci. Dla kontrastu jak pokazano na rysunku 1(b) użyta tutaj struktura o dużej prędkości posiada kolumnowy kształt, w których wilgoć jest pochłaniana w obwodzie. Warstwa czuła jest, dlatego bardziej wyeksponowana w środowisku [27].

Aby porównać czas odpowiedzi konwencjonalnej i o szybkiej prędkości struktury równania rządzące przebiegiem przejściowym reaktancji pojemnościowej dla każdej struktury zostały wyprowadzone. W tej analizie przyjęto brak obecności wilgoci wewnątrz warstwy w stanie początkowym i że stała dyfuzji jest niezależna od koncentracji wilgoci. Kinetyka dyfuzji została przyjęta zgodnie z prawem Ficksa [28], [29].

  1. Reaktancja pojemnościowa dla Dyfuzji w warstwie.

Przebieg nieustalony reaktancji pojemnościowej został wprowadzony dla jednostronnej dyfuzji w warstwie. Na rysunku 1(a) wilgoć rozprasza się w prostokątne ciało, przy szerokości a, długości b i wysokości L co reprezentuje jedną sekcję ciągłej warstwy. Powierzchnia górna i dolna służą jako elektrody i rozpraszanie wilgoci w warstwie odbywa się w górnej warstwie. Zakładając, że górna elektroda jest jawnie wilgotna, czyli przebieg koncentracji wilgoci rozchodzący się wewnątrz warstwy pochodzi z rozwiązania jedno wymiarowego równania

0x01 graphic

(1)

przy warunkach początkowych M(x,0) = 0 i granicznym stanie M(L, t) = Ms, gdzie M jest koncentracją wilgoci, Ms jest powierzchniową koncentracją wilgoci a D stałą rozpraszania wilgoci. Rozwiązanie tego równania jest sformowane jako [28]

M(x,t) = Ms0x01 graphic

(2)

Stała dielektryczna εr zmienia się liniowo z pochłanianiem wilgoci, co może zostać zapisane jako

0x01 graphic
εr = (x,t) =uM(x,t)+v

(3)

gdzie u i v są stałymi związanymi z materiałem wykrywającym wilgoć [24]. Reaktancja pojemnościowa ciała jest obliczona stosując (2) i (3) przez połączenie wzdłuż kierunku dyfuzji

0x01 graphic

r = 0 (4)

0x08 graphic
0x08 graphic
0x08 graphic
0x08 graphic

0x08 graphic
0x08 graphic
0x08 graphic
0x08 graphic
0x08 graphic
0x08 graphic
0x08 graphic
0x08 graphic
0x08 graphic
0x08 graphic
r = a

0x08 graphic
0x08 graphic
0x08 graphic
0x08 graphic
0x08 graphic
0x08 graphic
0x08 graphic
0x08 graphic
0x08 graphic
0x08 graphic
0x08 graphic

0x08 graphic
0x08 graphic
0x08 graphic
0x08 graphic
0x08 graphic
0x08 graphic
0x08 graphic
x = L

0x08 graphic
0x08 graphic
0x08 graphic
d

0x08 graphic
0x08 graphic
0x08 graphic
0x08 graphic
0x08 graphic
0x08 graphic
0x08 graphic

0x08 graphic
0x08 graphic
0x08 graphic
0x08 graphic
L

0x08 graphic
0x08 graphic
0x08 graphic
0x08 graphic
0x08 graphic
x = 0 b

0x08 graphic
0x08 graphic
a

konwencjonalna struktura szybka struktura

Normowanie reaktancji pojemnościowej z odniesieniem do końcowej wartości stanu przez podanie

0x08 graphic
0x01 graphic
0x01 graphic
0x01 graphic

(5)

Unormowana reaktancja pojemnościowa jest funkcją Dt/L2, więc czas odpowiedzi jest proporcjonalny do kwadratu gęstości warstwy i odwrotnie proporcjonalny do stałej dyfuzji.

  1. Reaktancja pojemnościowa dla Dyfuzji w ciele cylindrycznym.

Podobnie przebieg nieustalony reaktancji pojemnościowej został wprowadzony dla rozproszenia wilgoci w ciele cylindrycznym. Na rysunku 1(b) wilgoć jest pochłaniana okrężnie w ciele cylindrycznym przy kącie a i wysokości d, gdzie górna i dolna strona działają jako dwie elektrody. Przebieg koncentracji wilgoci rozchodzącego się wewnątrz cylindra jest wyprowadzony z równania dyfuzji przedstawionej we współrzędnych walcowych

0x01 graphic

(6)

przy warunkach początkowych M(r,0) = 0 i stanie granicznym M(a, t) = Ms. Rozwiązanie jest podane jako

0x01 graphic

(7)

gdzie:

Jo funkcja Bessla pierwszej klasy zera

J1 funkcja Bessla pierwszej klasy w pierwszym porządku

αn podstawy Jo(aαn) = 0 [28].

Reaktancja pojemnościowa walca jest obliczana przez łączenie promieniście od środka do granic walca:

0x01 graphic

(8)

Równania (3) i (7) zostały użyte do tej pochodnej. Unormowanie (8) z odniesieniem do końcowej wartości reaktancji pojemnościowej daje

0x01 graphic

(9)

gdzie kn są podstawami Jo(k) = 0. Unormowana reaktancja pojemnościowa jest funkcją Dt/a2 skąd pochodzi fakt że czas odpowiedzi jest proporcjonalny do kwadratu kąta i odwrotnie proporcjonalny do stałej dyfuzji.

  1. Porównanie czasu odpowiedzi.

Rysunek 2 przedstawia analityczne obliczenia czasów odpowiedzi dla dyfuzji w cienkich warstwach i w ciele walcowym. Równania (5) i (9) zostały użyte w tych obliczeniach. W tym porównaniu zostało założone, że obydwie struktury są z tego samego materiału i tej samej cienkiej warstwy L, która jest identyczna ze średnicą walca. Po nagłej zmianie w otaczającym względnym poziomie wilgotności, czyli 0.85 L2/D i 0.08 L2/D do uzyskania 90 % wartości końcowego stanu reaktancji pojemnościowej, odpowiednio dla konwencjonalnej i szybkiej struktury. Stąd ulepszenia w czasie odpowiedzi przez przybliżenie czynnika 10 jest uzyskane przy strukturze szybkiej.

  1. Struktura urządzenia i plany.

A. Czujnik wilgoci.

Jak pokazano na rysunku 3, wyprodukowane urządzenie składa się z szybkiego czujnika wilgoci i grzejnika polikrzemowego które są elektrycznie odizolowane od siebie przez cienką warstwę dielektryka. Czujnik wilgoci zawiera tysiące kolumn polimidowych, wszystkie połączone równolegle przez zawieszenie górnej elektrody w formie kondensatora. Każda z kolumn ma średnicę kilku mikronów. Kolumny są umieszczone na górze dolnej elektrody, gdzie są chronione przed niską temperaturą tlenu aby wyeliminować możliwość dowolnej ścieżki przewodzącej pomiędzy dolną a górną elektrodą przy wysokim zawilgoceniu lub podczas złapania punktu przewodzenia w szczelinie powietrznej. Metalowe linie w górnej elektrodzie są wspomagane przez polimidowe kolumny, zapewniające wilgoci wolny dostęp do warstwy czułej. Te linie są oddzielone od siebie o kilka mikronów i filtrują cząsteczki w większym rozmiarze niż odstępy pomiędzy liniami.

Auto jonizacyjny, foto czuły polimid (ULTRADEL 7501- Amoco Chemicals) został użyty jako materiał wykrywający wilgoć. Auto jonizacyjna warstwa została wybrana do zredukowania dowolnych naprężeń powstałych pomiędzy górną elektrodą a wzbudzonym polimidem podczas cyklu regeneracji. Ten typ polimidu zmniejsza grubość tylko o 8 % po regeneracji, kiedy polimidowy prekursor zmniejsza aż o 50 %. Foto czułość jest niezbędna do uformowania zawieszonej struktury górnej elektrody jak zostanie opisane w sekwencji procesu produkcji. ULTRADEL 7501 posiada rozciągliwe moduły na poziomie 3.5 Gpa, współczynnik ekspansji termicznej przy 200 °C wynosi 24 ppm/°C a pobór wilgoci przy 100 %RH wynosi 3.4 %.

Reaktancja pojemnościowa czujnika zawiera elementy z polimidu i szczeliny powietrznej. Polimidowa reaktancja pojemnościowa jest jedyną możliwą do zmierzenia podczas gdy reaktancja pojemnościowa szczeliny powietrznej jest pochłaniana przez produkt elektrycznych połączeń wzajemnych potrzebnych do dostępu reaktancji pojemnościowej w kolumnach polimidowych. Dlatego szczelina powietrzna wchodzi w skład całkowitej reaktancji pojemnościowej czujnika, nie szkodzi to czułości urządzenia od kiedy stała dielektryka w powietrzu zmienia się jedynie o 1.4 ppm/%RH podczas gdy w polimidzie zmienia się o 330 ppm/%RH.

Szybkość czujnika jest głównie określona przez średnicę kolumn polimidowych. Szybsza odpowiedź czujnika jest uzyskana przy zmniejszenia promienia kolumn. Jednakże zmniejszenie rozmiaru kolumn poniżej pewnego poziomu może spowodować problemy w procesach zawierające także te powiązane z dokładnym wyrównaniem, precyzyjną definicją wzoru i dobrym przyleganiem do powierzchni podczas rozwoju polimidu. Na czas odpowiedzi nie wpływa znacząco grubość warstwy polimidowej od kiedy dyfuzja ma miejsce później. Absolutna czułość czujnika (∂C/∂RH), lub z innej strony, jest określona przez grubość warstwy polimidowej i przez jego współczynnik czucia (obszar który polimidowe kolumny zajmują na jednostkę powierzchni). Jest to większe gdy szerokość warstwy jest zmniejszona i gdy współczynnik polimidowy jest zwiększony.

0x01 graphic

Rys.2 Analityczne porównywanie czasów odpowiedzi dla dyfuzji w cienkiej warstwie i w ciele cylindryczny. Poprawa prędkości przez czynniki 10 jest uzyskana przy zastosowaniu walcowej struktury. ( t: czas, L: grubość filmu = średnicy cylindra D: stała rozproszenia)

0x08 graphic

0x01 graphic

Rys 3. Schematyczny diagram szybkiego czujnika pojemnościowego zamontowany z grzejnikiem.

B. Zintegrowany polikrzemowy grzejnik.

Urządzenie jest zamontowane w termicznym izolatorze, który określa termiczną odporność grzejnika. Ta odporność jest ważnym czynnikiem w wydajności mocy i stałej termicznej urządzenia.

Chip zamontowany w termicznym izolatorze być kształtowany przez ekwiwalent cieplny obwodu stosując metodę skupionej reaktancji pojemnościowej. Ta metoda jest częściej stosowana do analizy przebiegu w rozpływie ciepła, kiedy rozchodzenie się temperatury wewnątrz ciała może być przyjęte jako jednolite [30]. Bardziej szczegółowa pokazuje, że termiczna rezystancja w cienko warstwowym dielektryku na powierzchni chipu i tych powiązanych w przewodach mogą zostać pominięte. Termiczna rezystancja w powietrzu i ta w termicznym izolatorze są dominujące.

Równoważny obwód termiczny dla urządzenia zawiera kilka termicznych elementów, z których wszystkie są połączone równolegle. Te elementy są skupionymi termicznymi rezystancjami powietrza (Rair) i termiczny izolator (RThIns), skupiona termiczna reaktancja pojemnościowa krzemowego substratu (Csi) i źródło prądu (P). RThIns jest powiązane z przewodnictwem cieplnym tylko, gdy Rair jest bardziej zależna od unoszenia ciepła. P przedstawia moc podaną do grzejnika. Przez rozwiązanie równania różniczkowego dla równoważnego termicznego układu wynika, że ilość przyrostu temperatury (ΔTSi) w krzemowym substracie zależna od zużycia mocy P jest podana jako

0x01 graphic

0x01 graphic
(10)

gdzie

RTh całkowita rezystancja termiczna

KThIns­ termiczna przewodność termicznego izolatora

LThIns grubość termicznego izolatora

Achip obszar chipu

h unoszenie współczynnika transferu ciepła powietrza

Tth termiczna stała czasowa

pSi gęstość Si (2330 kg/m3)

tchip grubość chipu (około 500 μm)

cSi specyficzne ciepło w Si (712 J/kg*K)

To równanie pokazuje, że obydwa Rth i CSi są zmniejszone aby otrzymać małą stałą czasową. Uwaga na fakt, że termiczna stała czasowa jest niezależna od rozmiaru chipu. Zmiana temperatury na powierzchni chipu jest stabilnym stanem (ΔTs) i jest podana jako

0x01 graphic

(11)

gdzie Rth jest zwiększane aby uzyskać większy wzrost w temperaturze dla takiej samej ilości zużycia mocy. Jednak jest tutaj wymiana w Rth pomiędzy wydajnością mocy a czasem termicznej odpowiedzi.

  1. Produkcja urządzenia.

Sekwencją produkcji jest 6 proces. Jak pokazano na rysunku 4 produkcja zaczyna się przy osadzeniu 200 nm cienkiej warstwy LPCVD Si3N4 na krzemowym substracie. Polikrzemowa warstwa LPCVD z grubością 600 nm jest później nanoszona i lakierowana. Ta warstwa jest teraz ukształtowana w formę zintegrowanego grzejnika i warstwa LPCVD SiO2 o grubości 500 nm jest nanoszona po tym wszystkim. Otwory kontaktowe z grzejnikiem są otwierane przy pomocy reaktywnego jonowego trawienia, poprzedzonego przez nanoszenie i podniesienie warstwy Ti/W/Ti (30 nm/300 nm/30 nm) aby stworzyć dolną elektrodę. Podczas tego procesu elektryczne połączenia z grzejnikiem są wykonywane w tym samym czasie. Warstwa tlenku grubości 0.5 μm w niskiej temperaturze jest teraz nanoszona na płytkę i otwory są otwierane w obszarze pola kontaktowego przy użyciu kwasu hydro-fluorowego (BHF) aby uaktywnić powiązania przewodowe. Po umieszczeniu aktywatora adhezji foto czuły polimid (ULTRADEL 7501) jest owijany na płytkę przy 4500 rpm dla 60 s, wyniki w grubości warstwy wynosi 2 μm. Polimidowe kolumny są potem określane litograficznie poprzedzone przez naniesienie warstwy Au o grubości 0.3 μm. Warstwa Au jest formowana przez mokre trawienie do uformowania górnej elektrody. Au zostało wybrane na skutek jego elastyczności na wilgoć. Polimid jest teraz pokryty, więc nie widoczne regiony są rozkładane (polimidy o negatywnym typie) aby zostawić polimidowe kolumny wspomagające górną elektrodę. Na koniec polimid jest regenerowany w azotowej piecu przy temp. 300 °C przez 5 godzin.

Jak pokazano na rysunku 5 trzy różne czujniki (typu A, B i C) zostały wyprodukowane w pojedynczym chipie. Tabela 1 przybliża kilka z ich najważniejszych geometrycznych parametrów. Typy czujników A, B i C posiadają średnicę polimidowych kolumn 5, 10 i 15 μm i całkowitą liczbę kolumn 6138, 1900 i 891. Wężowaty polikrzemowy grzejnik biegnie przez cały chip (4.8 x 8.9 mm); polikrzemowy czujnik temperatury jest umieszczony obok każdego z czujników wilgoci w celu monitorowania temperatury na chipie. Linie grzejnika mają 100 μm szerokości i 600 nm grubości, podczas gdy temperaturowe czujniki mają długość 3.9 nm i szerokość 20 μm. Obraz SEM urządzenia typu B (na borowo rozpraszanym grzejniku) jest pokazany na rysunku 6 [27] gdzie prostokątny obszar Au działa jako wiążąca przestrzeń dla górnej elektrody. Ogólny rozmiar czujnika wynosi 1.3 x 1.0 nm. Rysunek 7 przedstawia powiększony wygląd górnego pasma linii metalu wspomaganych przez kolumny polimidowe.

  1. Wyniki testów.

A. Czujnik wilgoci.

Na rysunku 8 mierzone wyjścia czujników (typu A,B i C) są pokazane w funkcji relatywnej wilgotności. Wyniki zostały otrzymane w pokojowej temperaturze i przy częstotliwości mierzonej 1 MHz. Wyjścia czujnika są liniowe z czułością 30.6, 25,8 i 31,3 fF/%RH dla typów A, B i C.

Aby zmierzyć czas odpowiedzi czujnika wilgoci skonstruowano eksperymentalne ustawienie do nagłej zmiany we względnej wilgotności. Składało się z plastikowego zbiornika o pojemności 118 ml umieszczony wewnątrz komory temperaturowo-wilgotnej. Około dwie trzecie zbiornika wypełniał nasycony roztwór MgCl2, który zawierał w sobie powietrze w stężeniu, 33 %RH gdy zbiornik jest gazoszczelny i zostawiony przez wystarczający okres czasu. Stosowanie nasyconego roztworu soli do skalibrowania czujnika wilgoci jest niedrogą i praktyczną metodą często stosowaną w fabrykach [31]. Wewnątrz pozostałej części zbiornika umieszczona jest platforma, jeden jej koniec ma zawiasy do tylnej ściany zbiornika. Sprężyna jest zamontowana pomiędzy ścianką a platformą w celu umożliwienia platformie na odskoczenie w momencie otwierania. Czujnik wilgoci jest zamontowany na drugim końcu platformy.

0x08 graphic

Rys.4 Sekwencja procesu produkcji szybkim czujnikiem wilgoci.

0x08 graphic
Rys.6 Rzut z góry przygotowanego urządzenia typu „B” zamontowanego na bardzo dyfuzyjnym grzejniku.

Całkowity rozmiar czujnika to

1.3mm x 10 mm.

0x08 graphic

Rys.5 Trzy szybkie czujniki wilgoci (typu A, b i C) umieszczone na polikrzemowym grzejniku. Polikrzemowy czujnik temperatury jest umieszczony obok każdego z czujników wilgoci. Rozmiar 4.8mm x 8.9mm.

Rys.7 widok z bliska elektrody górnej, dolneji kolumn polimidowych.

PARAMETRY PRODUKOWANYCH SENSORÓW

PARAMETER

TYPE A

TYPES

TYPEC

Diameter of PI columns [urn]

5

10

15

PI spacing-horizontal direction [urn]

11

16

21

PI spacing-vertical direction [u,m)

5

10

15

Soacing between metal fingers [urn]

5

10

15

Total number of PI columns

6138

1900

391

Fill Factor (%|

12.1

149

15.7

0x01 graphic

20 30 40 50 60 70 80 90 100

RelativeHumidity[%RH]

Rys. 8 Wyjście czujnika w funkcji wilgotności względnej w temperaturze pokojowej urządzeń typu A,B i C , które posiadają polimidowe kolumny o średnicy 5.1mm i 15 μm.

Po zabezpieczeniu góry zbiornika przy pomocy silikonu i odczekaniu przez 6 godzin komora jest ustawiana na 90 %RH. Kiedy komora dochodzi do tego poziomu nakrycie jest otwierane. Działanie sprężyny zmusza czujnik do przeniesienia go poza zbiornik, rezultatem tego jest nagła zmiana z 33 na 90 %RH. Zbiornik jest umieszczony w taki sposób, że czujnik jest umieszczony w strumieniu powietrza wiatraczka umieszczonego w tyle komory. Wiatraczek wytwarza powietrze o wartości 90 %RH w kierunku czujnika.

Stosując to ustawienie czasy odpowiedzi produkowanych urządzeń zostały zmierzone i przedstawione na rysunku 9. Znacząca poprawa w szybkości została uzyskana z tymi urządzeniami porównanymi z poprzednio opisanymi strukturami: czasy odpowiedzi dla typów czujników A, B i C wynoszą 1.0, 1.9 i 6.9 s. Czas odpowiedzi został zmierzony do 90 % wartości końcowego stanu reaktancji pojemnościowej, po nagłej zmianie w otaczającej względnej wilgotności. Przywołując teorię omówioną w punkcie 2 typy urządzeń B i C powinny być szybsze niż typ A przez czynnik 4 i 9. Jednakże wiążą się z tym także czynniki 2 i 7 dla typów B i C. Na tą niezgodność wpływa końcowa odpowiedź czasu odpowiedzi mierzonego ustawienia i założeń wprowadzonych w teorii, łącznie z założeniem koncentracji niezależnej dyfuzji wilgoci.

B. Zintegrowany polikrzemowy grzejnik.

Rysunek 10 pokazuje wyniki kalibracji w polikrzemowych czujnikach temperaturowych w odpowiedzi na otaczającą temperaturę, gdzie Ra, Rb i Rc odpowiadają czujnikom temperatury umieszczonych przed każdym z trzech czujników wilgoci. Każdy z czujników temperatury ma wsółczynnik temperaturowy o wartości 1175 ppm/°C. Rysunek 11 przedstawia zmianę rezystancji w czujnikach temperatury w otoczeniu pokojowym, jako funkcja mocy podanej do grzejnika. Rezystancja Rc zmienia się o 100 Ω kiedy 18 V (37 mW) jest podane na grzejnik. Z rysunku 10 odpowiada to zwiększeniu temperatury na chipie o 30 °C. Mierzona rezystancja polikrzemowego grzejnika wynosi 8.8 kΩ w pokojowej temperaturze.

Czujnik odpowiada na puls napięciowy podany do grzejnika w pokojowym otoczeniu. Dla pulsu 15.6 V (28 mW) reaktancja pojemnościowa czujnika zmniejsza się o około 400 fF. Czujnik temperatury wskazuje wzrost temperatury na chipie o 22 °C na skutek tego zdarzenia. Gdy grzejnik jest wyłączony reaktancja pojemnościowa czujnika powraca do swojej właściwej wartości. Spadek w reaktancji pojemnościowej razem ze wzrostem temperatury jest spowodowany przez wypalenie wilgoci na warstwie czułej. Grzejnik posiada stałą termiczną o wartości około 60 s. Szybsza odpowiedź termiczna może być otrzymana przez zamontowanie urządzenia z materiału o większej przewodności termicznej. Aby skompensować straty w mocy rozmiar chipu można zmniejszyć. Masie krzemowego chipu (2.0 mm x 1.9 mm) zamontowanej przy pomocy metody impregnacji powietrzem odnotowano wartość czasu odpowiedzi o wartości 30 ms [32].

6. Eliminacja biernej reaktancji pojemnościowej w szczelinie powietrznej.

Stabilność jest następnym ważnym parametrem dla czujnika wilgoci. W strukturze o dużej prędkości bierna reaktancja pojemnościowa w szczelinie powietrznej ma miejsce wokół kolumn czułych, co może spowodować dryf na wyjściu czujnika. Dwie różne struktury urządzenia posiadają te same szybkie odpowiedzi, ale zmniejszenie lub całkowite reaktancji pojemnościowej w szczelinie powietrznej zostało wprowadzone [33]. Podstawowa szybka struktura została zastosowana tutaj, więc prędkość nie jest poświęcona na rzecz stabilności.

W pierwszym przybliżeniu reaktancja pojemnościowa w szczelinie powietrznej czujnika jest zmniejszona przez zredukowanie kąta komutacji pomiędzy górną a dolną elektrodą i zmuszenie do pracy ortogonalnej pomiędzy nimi. Polimidowe kolumny są obecne w każdym punkcie korelacji. Jest to pokazane z bliska na rysunku 12. Analityczne analizy pokazują, że 90 % reaktancji pojemnościowej szczeliny powietrznej powstaje w 2 μm na obrzeżach każdej z kolumn [34]. Rezultatem jest, że czujnik będzie dryfował tylko gdy zanieczyszczenie ma miejsce bardzo blisko kolumn. Wyniki pomiarów pokazują, że całkowita reaktancja pojemnościowa czujnika spada w przybliżeniu z 14 do 8 pF na skutek zredukowania reaktancji pojemnościowej szczeliny powietrznej, podczas gdy czułość z 2140 do 3750 ppm/%RH. Jednakże kilka reaktancji pojemnościowych łączący się pomiędzy elektrodami przez obecność powietrza w szczelinie, kiedy redukcja nie jest zmniejszana całkowicie.

Rysunek 13 przedstawia drugie zagadnienie do eliminowania reaktancji pojemnościowej szczeliny powietrznej. Podstawowa struktura jest taka sama jak w oryginalnym urządzeniu z taką różnicą, że górna elektroda biegnąca na polimidowych kolumnach jest teraz zamieniona na wielowarstwowy pręt składający się z dwóch metali i dwóch warstw SiO2. Górna warstwa metalu jest górną elektrodą, podczas gdy dolna jest elektrodą ochronną. Górna elektroda jest pokryta SiO2 dla ochrony. Ta struktura oddziela reaktancje pojemnościowe szczeliny powietrznej od tej z polimidu [35], [36]. W tym urządzeniu linie dolnych elektrod biegną równolegle (nie ortogonalnie) do górnych elektrod.

0x01 graphic

Rys.9 Odpowiedzi czujników z polwinidową kolumną o średnicy 5,10,15 μm przy zmianie wilgotności gwałtowniej w funkcji wilgotności względnej z 33na 90%

0x08 graphic

0x08 graphic
Rys.10 Wynik kalibracji w temperaturowych polikremowych (Ra,, Rb, Rc ) w funkcji temperatury.

Rys.11 Zmiana rezystancji w polikwemowym czujniku temperatury w funkcji mocy podawanej do grzejnika.

Elektrody górne i ochronne są utrzymane na takim samym potencjale, aby stworzyć jednorodnego pola elektrycznego pomiędzy dolną elektrodą a górną ochronną elektrodą. Reaktancja pojemnościowa polimidu jest selektywnie wydobywana przez podanie napięcia AC do terminali czujnika i mierzony jest prąd biegnący przez górną elektrodę. W rezultacie reaktancja pojemnościowa szczeliny powietrznej jest wydobyta, więc reaktancja pojemnościowa czujnika nie dryfuje, nawet jeśli cząsteczki zostaną złapane wewnątrz lub w pobliżu szczeliny powietrznej. Wyniki symulacji (MEDICI) pokazują, że dryf wyjścia czujnika wynosi tylko 1% jako relatywna stała dielektryczna w zmianie obszaru powietrznego od 1 do 10, co przedstawia bardzo duży spadek lub zanieczyszczenie w obszarze szczeliny powietrznej. W symulacji stosowano napięcie, AC o amplitudzie 500 mV i częstotliwości 1 MHz.

Rysunek 14 przedstawia wygląd struktury wielowarstwowej elektrody, która została uformowana w samo formującym procesie. Po umieszczeniu Cr na foto-czułej warstwie polimidowej oraz na obszarach formowanych lub małych okręgach w niej, kolumny czułe są określone wraz z warstwą przez wyeksponowanie całej płytki na światło UV. Formowana warstwa Cr jest użyta tutaj jako maska; później ukształtuje ona elektrodę ochronną. Teraz po wytworzeniu porów na warstwie odizolowanej SiO2, warstwa Cr jest umieszczona i uformowana przez trawienie na mokro do uformowania górnej elektrody. Następnie druga warstwa SiO2 jest umieszczona dla ochrony górnej i ochronnej elektrody. Na koniec warstwy SiO2 i Cr są formowane sukcesywnie przez mokre trawienie, aby stworzyć ochronną elektrodę w polimidzie.

    1. Pomiary dużej wilgotności względnej z użyciem grzejnika.

Stosując grzejnik można zmierzyć dużą względną wilgotność (> 80 %RH) bez umieszczania czujnika [37]. Jest to uzyskane przez podgrzanie warstwy czułej, przez co zmniejsza się względna wilgotność, jaką czujnik wykrywa na niskim poziomie oraz monitoruje się temperaturę chipu (stosując umieszczonych na chipie czujników temperatury) i reaktancję pojemnościową czujnika wilgoci. Aktualna relatywna wilgotność pochodzi z pomiary temperatury przed podgrzaniem (T1) i ze względnej wilgoci oraz temperatury po podgrzaniu (T2) stosując poniższą zależność

0x01 graphic

(12)

gdzie Pws jest ciśnieniem nasyconej pary wodnej.

Testy były wykonywane przez umieszczenie wyprodukowanego urządzenia w komorze środowiskowej i zmierzeniu temperatury i reaktancji pojemnościowej czujnika przed i po ogrzewaniu. Niektóre wyniki testów przy stosowaniu tego samego urządzenia w trzech różnych ciągach są pokazane w tabeli II. W tej tabeli T1 jest temperaturą przed podgrzewaniem, T2 temperaturą po podgrzewaniu, Pheat jest ilością mocy dostarczanej do grzejnika, ΔC spadkiem reaktancji pojemnościowej po ogrzewaniu, RH2 jest względną wilgotnością po ogrzewaniu a RH1_derived jest pochodną wilgotności względnej. Moc 37 mW jest dostarczana do grzejnika a temperatura chipu jest monitorowana razem z reaktancją pojemnościową czujnika. Powiązana względna wilgotność jest określana z wyników kalibracji. Aktualna wilgotność względna została wyprowadzona z (12). Wyprowadzona wilgotność względna ma dokładność ±3 %RH z uzyskanym błędem pomiarowym w temperaturze ±0.5 °C i błędem we względnej wilgotności ± 2%RH.

0x01 graphic

Rys.12 SEM górnej elektrody i dolnej elektrody ortogonalnej. Polimidowe kolumny są umieszczone w każdym punkcie przejścia.

Ta struktura zmniejsza reaktancje pojemnościową

szczeliny powietrznej.

0x01 graphic

0x01 graphic

Rys.13 Schemat wielowarstwowego czujnika wilgotności i jego warstwy.

Rys.14 Wygląd wielowarstwowej struktury elektrody użytej do

wyeliminowania reaktancji pojemnościowej szczeliny powietrznej .

8. Wnioski.

Szybki czujnik wilgoci zostały zaprojektowane, wyprodukowane i sprawdzone. Czas odpowiedzi 1.0 s został uzyskany z polimidowymi kolumnami o średnicy 5 μm. Mniejszy czas odpowiedzi można uzyskać jeżeli zredukuje się bardziej średnicę kolumn. Dwie następne struktury otrzymują te same szybkie odpowiedzi wprowadzono eliminowanie pasożytniczych reaktancji pojemnościowych w szczelinie powietrznej. Symulacyjne rezultaty pokazują, że dryf na wyjściu czujnika wynosi jedynie, 1% gdy stała dielektryka w obszarze powietrznym zmienia się od 1 do 10. Zintegrowany grzejnik został zastosowany do zmniejszenia względnej wilgotności, co powoduje, że czujnik wykrywa przy niższym poziomie przy mierzeniu dużej wilgotności względnej. Dokładność ± 3%RH została uzyskana przy stosowaniu tej metody z błędem pomiarowym w temperaturze ± 0.5 °C i błędzie we względnej wilgotności ± 2%RH. Korzyści z czułości o szybkim czasie można zastosować w innych obszarach, łącznie z wykrywaniem gazów stosowanych w cienkich warstwach.

LITERATURA:

[ 1 ] H. Arai and T. Seiyama, Sensors.' A Comprehensive Study. New York:

VCH, vol. 3. Chemical and Biosensors—Pan II. ch. 20. [2] N. Yamazoe, "Humidity sensors: Principles and applications,"Sens. Ac­tuators, vol. 10, pp, 379-398, 1986.

[3] 0. Ddapierre, H. Grange, B. Chambaz. and L. Destannes, "Polymer-based capacitive humidity sensor: Characteristics and experiment?,! re­sults," Sensors Actual., vol. 4, pp. 97-104, 1983.

[4j S. Tsuchitani. T. Sugawara, N. Kinjo, and S. Ohara, "Humidity sensor using ionic copolymer," in Dig. IEEE Int. Conf. Solid-State Sensors and Actuators , 1985, pp. 210-212. [5] G. Gerlach and K. Sager, "A piezoresistive humidity sensor," Sensors

Actual. A, vol. 43, pp. 181-184, 1994.

[6] T. Boltzhauser, A. Haeberli. and H. Bakes, "Piezoresistive membrane hygrometers based on 1C technology," Sensors Mater., vol. 5, pp. 125-134, 1993. [7] R. T. Howe and R. S. Muller, "Resonant-microbridge vapor densor,"

IEEE Trans. Electron Devices, vol. ED-33, pp. 499-506, Apr. 1986. [8] T. Nomura, K. Oobuchi. T. Yasuda, and S. Furukawa, "Humidity sensor using surface acoustic wave delay line with hygroscopic dielectric film," Jpn.'j. Appt. Phys., vol. 32, pp. 4205-4208. Sep. 1993. [9] T. Seiyama, N. Yamazoe, and H. Arai, ''Ceramic humidity sensors,"

Sens. Actuators, vol. 4, pp. 85-96, 1983. [10] G. Harsanyi, "Polymeric sensing films: New horizons in sensorics?,"

Sensors. Actual A. vol. 46-47, pp. 85-88. 1995. [II] F. W. Dunmore. "An improved electric hygrometer,"/. Res. Nat. Bureau

Stand., vol. 23, pp. 701-714. 1939.

[12] T. Nitta, J. Terada, andF. Fukushima, "Multifunctional ceramic sensors: Humidity-gas sensor and temperature-humidity sensor," IEEE Trans. Electron Devices, vol. ED-29, pp. 95-101. Jan. 1982. [13] K. Katayama et a!., "Humidity sensitivity of Nb.-Os-doped TiG? ce­ramics," Sensors Actual., vol. 24, pp. 55-60, 1990.

[14] R. K. Nahar and V. K. Khanna, "A study of capacitance and resistance chracteristics of an A^Oj humidity sensor," Int. J. Electron., vol. 52, pp. 557-567, 1982.

[15! G- Delapierre, H. Grange, B. Chambaz, and L. Destames, "Polymer based capacitive humidity sensor: Characteristics and experimental re­sults," Sens. Actuators, vol. 4, pp. 97-104, 1983.

[16] M. Matsuguchi, Y. Sadaoka. and Y. Sakai, "A capacitive-type humidity sensor using cross-linked poly (methyl methacrylate) thin films," J. Electrochem. Sac., vol. 138, pp. 1862-1865, June 1991. [17] T. Kuroiwa et at., "A capacitive relative humidity sensor using a poly­imide sensing material," in Dig. IEEE Int. Conf. Solid-Stute Sensors and Actuators , June 1993, pp. 487^189.

[18] R. C. Anderson, R. S. Muller, and C. W. Tobias, "Investigation of porous silicon for vapor sensing," Sens. Actuators A, vol. 21-23, pp. 835-839, 1990.

[19] G. M. O'Halloran et al., "A bulk micromachined humidity sensor based on porous silicon," in Dig. IEEE Int. Conf. Solid-State Sensors and Ac­tuators , June 1997, pp. 563—566.

[20] D. D. Denton, D. R. Day. D. F. Priore, and S. D. Senturia, "Moisture diffusion in polyimide films in integrated circuits,"/. Electron. Mater., vol. 14. pp. 119-136, 1985.

[21] T. Boltzhauser, L. Chandran, H. Baltes, and D. Steiner, "Humidity sensing properties and electrical permittivity of new photosensitive polyimides." S<™. Actuators B, vol. 5, pp. 161-164, 1991. [22] A. R. K. Ralston, C. F. Klein, P. E. Thoma, and D. D. Denton, "A model for the relative environmental stability of a series of polyimide capaci­tance humidity sensors," in Dig. IEEE Int. Conf. Solid-State Sensors and Actuators , Stockholm, Sweden, June 1995.

[23] D. D. Denton. M. A. S. Jaafar, and A. R. K. Ralston. "The long term reliability of a switched-capacitor relative humidity sensor system," in Proc. IEEE 33rd Midwest Symp. Circuits and Systems. Alberta. Canada, Aug. 1990, pp. 854-857.

[24] A. R. K. Ralston, M. C. Buncick, and D. D. Denton. "Effects of aging

on polyimide: A model for dielectric behavior," in Dig. IEEE Solid-State

Sensor and Actuator Workshop, Hilton Head Island, SC. June 1990, pp.

759-763.

[25] K. Horie and T. Yamashita, Photosensitive Polyimides: Fundamentals

and Applications. Lancaster, PA: Technomic, ch. 2. [26] A. Mason el al., "A generic multielement microsystem for portable wire­less applications," in Proc. IEEE, vol. 86, Aug. 1998. pp. 1733-1746. [27) U. Kang and K. D. Wise, "A high-speed capacitive humidiry sensor," in Dig. IEEE Solid-Slate Sensor and Actuator Workshop, Hilton Head Island, SC, June 1998, pp. 183-186.

a

Upper elektrode

0x01 graphic



Wyszukiwarka

Podobne podstrony:
Wstęp do teorii tłumaczeń 31.05.2010, moczulski
Region Francji Poitou Charentes Tłumaczenie
Żakiecik tłumaczenie
wolne tłumaczenie
Tlumaczenie ICF PL
Bibliografia polskich tłumaczeń tekstów patrystycznych
02Okładka pl tłumaczenie
SZCZ, IZA, JĘZYK ROSYJSKI-TŁUMACZENIOWY, Słownik opisowy Ożegowa
Tłumaczenia
Los peces en el Rio, Teksty i tłumaczenia piosenek RBD
Łuszczyca - tłumaczenie, dermatologia
Łacina. Tłumaczenia, Łacina
gerundivum - tłumaczenia, archeologia, Archeologia - studia
Baile del sapo, Teksty i tłumaczenia piosenek RBD
Ai no Senshi, teksty piosenek z tłumaczeniem na polski, Sailor Moon
cir tłumaczenie, Prywatne, FIZJOLOGIA od LILI, pytania
Teksty - tlumaczenia 2.0, I Rok Prawa, Łacina(2)
TŁUMACZENIA MEDYCZNE intro
łacina tłumaczenia

więcej podobnych podstron