MEMS i mikronapędy 18.11.2010

ET-DI2 – L6

Grupa nr 3:

Adrian Muniak

Mateusz Matejek

Ćwiczenie IV

Badanie

piezorezystora

Cel ćwiczenia:

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

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. Widok poglądowy badanego czujnika

pokazano na rysunku.

a)

b)

Widok badanego czujnika piezorezystancyjnego a) przed obrotem, b) po obrocie o kąt 45°. 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 (rys.1b). Napięcie zasilające Uin jest przyłożone pomiędzy elektrodami w osi X (rys. 1a). 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 Uout powstałe na skutek pojawianie się pola elektrycznego jest mierzone na dwóch dodatkowych elektrodach o wymiarach a i b. Do wyznaczenia wartości napięcia Uout możemy zastosować metody analityczne lub numeryczne oparte o metodę elementów skończonych. W badanym przypadku zostanie zastosowana metoda numeryczna.

Realizacja ćwiczenia:

Deformacja piezorezystora

Rozkład pola elektrycznego piezorezystora

Piezorezystor – wyniki:

TIME Uout

1.0000 23.114

Ciśnienie – wyniki:

Analiza piezorezystora_L6_grupaC, uMKSV system of units

Dane geometryczne modelu

k=1.5 przelicznik do obliczania długości piezorezystora

W=57 Szerokość piezorezystora, um

L=k*W Długość piezorezystora, um -

b=23 Szerokość elektrody pomocniczej um

a=2*b Długość elektrody pomocniczej, um

S=2*L Długość boku podłoża, um

Przyłożone ciśnienie, MPa

P_in=1 Wartość początkowa ciśnienia, MPa

P_end=30 Wartość końcowa ciśnienia, MPa

P_inc=1 Wartość o którą program zwiększa wartość ciśnienia, MPa

Napięcie zasilające, V

Uin=5

W L p U1 U2 Uout Uout_a

[μm] [μm] [MPa] [V] [V] [V] [V]

0.57000E+02 0.96900E+02 0.10000E+01 0.24883E+01 0.25115E+01 0.23114E+02 0.20309E+01

0.57000E+02 0.96900E+02 0.20000E+01 0.24883E+01 0.25115E+01 0.23114E+02 0.40618E+01

0.57000E+02 0.96900E+02 0.30000E+01 0.24883E+01 0.25115E+01 0.23114E+02 0.60926E+01

0.57000E+02 0.96900E+02 0.40000E+01 0.24883E+01 0.25115E+01 0.23114E+02 0.81235E+01

0.57000E+02 0.96900E+02 0.50000E+01 0.24883E+01 0.25115E+01 0.23114E+02 0.10154E+02

0.57000E+02 0.96900E+02 0.60000E+01 0.24883E+01 0.25115E+01 0.23114E+02 0.12185E+02

0.57000E+02 0.96900E+02 0.70000E+01 0.24883E+01 0.25115E+01 0.23114E+02 0.14216E+02

0.57000E+02 0.96900E+02 0.80000E+01 0.24883E+01 0.25115E+01 0.23114E+02 0.16247E+02

0.57000E+02 0.96900E+02 0.90000E+01 0.24883E+01 0.25115E+01 0.23114E+02 0.18278E+02

0.57000E+02 0.96900E+02 0.10000E+02 0.24883E+01 0.25115E+01 0.23114E+02 0.20309E+02

0.57000E+02 0.96900E+02 0.11000E+02 0.24883E+01 0.25115E+01 0.23114E+02 0.22340E+02

0.57000E+02 0.96900E+02 0.12000E+02 0.24883E+01 0.25115E+01 0.23114E+02 0.24371E+02

0.57000E+02 0.96900E+02 0.13000E+02 0.24883E+01 0.25115E+01 0.23114E+02 0.26401E+02

0.57000E+02 0.96900E+02 0.14000E+02 0.24883E+01 0.25115E+01 0.23114E+02 0.28432E+02

0.57000E+02 0.96900E+02 0.15000E+02 0.24883E+01 0.25115E+01 0.23114E+02 0.30463E+02

0.57000E+02 0.96900E+02 0.16000E+02 0.24883E+01 0.25115E+01 0.23114E+02 0.32494E+02

0.57000E+02 0.96900E+02 0.17000E+02 0.24883E+01 0.25115E+01 0.23114E+02 0.34525E+02

0.57000E+02 0.96900E+02 0.18000E+02 0.24883E+01 0.25115E+01 0.23114E+02 0.36556E+02

0.57000E+02 0.96900E+02 0.19000E+02 0.24883E+01 0.25115E+01 0.23114E+02 0.38587E+02

0.57000E+02 0.96900E+02 0.20000E+02 0.24883E+01 0.25115E+01 0.23114E+02 0.40618E+02

0.57000E+02 0.96900E+02 0.21000E+02 0.24883E+01 0.25115E+01 0.23114E+02 0.42649E+02

0.57000E+02 0.96900E+02 0.22000E+02 0.24883E+01 0.25115E+01 0.23114E+02 0.44679E+02

0.57000E+02 0.96900E+02 0.23000E+02 0.24883E+01 0.25115E+01 0.23114E+02 0.46710E+02

0.57000E+02 0.96900E+02 0.24000E+02 0.24883E+01 0.25115E+01 0.23114E+02 0.48741E+02

0.57000E+02 0.96900E+02 0.25000E+02 0.24883E+01 0.25115E+01 0.23114E+02 0.50772E+02

0.57000E+02 0.96900E+02 0.26000E+02 0.24883E+01 0.25115E+01 0.23114E+02 0.52803E+02

0.57000E+02 0.96900E+02 0.27000E+02 0.24883E+01 0.25115E+01 0.23114E+02 0.54834E+02

0.57000E+02 0.96900E+02 0.28000E+02 0.24883E+01 0.25115E+01 0.23114E+02 0.56865E+02

0.57000E+02 0.96900E+02 0.29000E+02 0.24883E+01 0.25115E+01 0.23114E+02 0.58896E+02

0.57000E+02 0.96900E+02 0.30000E+02 0.24883E+01 0.25115E+01 0.23114E+02 0.60926E+02

Wymiary – wyniki:

Analiza piezorezystora_L6_grupaC, uMKSV system of units

Dane geometryczne modelu

Ustawienia do obliczeń w funkcji zmiany wymiarów

k_in=1.1 wartość początkowa przelicznika

k_end=5 wartość końcowa przelicznika

k_inc=0.1 wartość o jaka program zwiększa przelicznik

*do,k,k_in,k_end,k_inc

W=57 Szerokość piezorezystora, um

*set,L,k*W ustawienie nowej wartości długości

L=k*W Długość piezorezystora, um -

b=23 Szerokość elektrody pomocniczej um

a=2*b Długość elektrody pomocniczej, um

S=2*L Długość boku podłoża, um

Przyłożone ciśnienie, MPa

p=30

Napięcie zasilające, V

Uin=5

k W p U1 U2 Uout Uout_a

[μm] [MPa] [V] [V] [V] [V]

0.11000E+01 0.57000E+02 0.30000E+02 0.25055E+01 0.24947E+01 0.78757E+02 0.94159E+02

0.12000E+01 0.57000E+02 0.30000E+02 0.24618E+01 0.25386E+01 0.76792E+02 0.86312E+02

0.13000E+01 0.57000E+02 0.30000E+02 0.24629E+01 0.25370E+01 0.74108E+02 0.79673E+02

0.14000E+01 0.57000E+02 0.30000E+02 0.24649E+01 0.25354E+01 0.70466E+02 0.73982E+02

0.15000E+01 0.57000E+02 0.30000E+02 0.24659E+01 0.25339E+01 0.67908E+02 0.69050E+02

0.16000E+01 0.57000E+02 0.30000E+02 0.24678E+01 0.25325E+01 0.64674E+02 0.64734E+02

0.17000E+01 0.57000E+02 0.30000E+02 0.24688E+01 0.25311E+01 0.62350E+02 0.60926E+02

0.18000E+01 0.57000E+02 0.30000E+02 0.24704E+01 0.25299E+01 0.59443E+02 0.57542E+02

0.19000E+01 0.57000E+02 0.30000E+02 0.24712E+01 0.25286E+01 0.57422E+02 0.54513E+02

0.20000E+01 0.57000E+02 0.30000E+02 0.24727E+01 0.25275E+01 0.54792E+02 0.51787E+02

0.21000E+01 0.57000E+02 0.30000E+02 0.24734E+01 0.25264E+01 0.53005E+02 0.49321E+02

0.22000E+01 0.57000E+02 0.30000E+02 0.24748E+01 0.25254E+01 0.50659E+02 0.47080E+02

0.23000E+01 0.57000E+02 0.30000E+02 0.24754E+01 0.25245E+01 0.49075E+02 0.45033E+02

0.24000E+01 0.57000E+02 0.30000E+02 0.24766E+01 0.25236E+01 0.46996E+02 0.43156E+02

0.25000E+01 0.57000E+02 0.30000E+02 0.24771E+01 0.25227E+01 0.45585E+02 0.41430E+02

0.26000E+01 0.57000E+02 0.30000E+02 0.24782E+01 0.25220E+01 0.43747E+02 0.39837E+02

0.27000E+01 0.57000E+02 0.30000E+02 0.24787E+01 0.25212E+01 0.42507E+02 0.38361E+02

0.28000E+01 0.57000E+02 0.30000E+02 0.24797E+01 0.25205E+01 0.40862E+02 0.36991E+02

0.29000E+01 0.57000E+02 0.30000E+02 0.24803E+01 0.25199E+01 0.39561E+02 0.35716E+02

0.30000E+01 0.57000E+02 0.30000E+02 0.24809E+01 0.25192E+01 0.38294E+02 0.34525E+02

0.31000E+01 0.57000E+02 0.30000E+02 0.24815E+01 0.25186E+01 0.37134E+02 0.33411E+02

0.32000E+01 0.57000E+02 0.30000E+02 0.24821E+01 0.25181E+01 0.36000E+02 0.32367E+02

0.33000E+01 0.57000E+02 0.30000E+02 0.24826E+01 0.25175E+01 0.34947E+02 0.31386E+02

0.34000E+01 0.57000E+02 0.30000E+02 0.24831E+01 0.25170E+01 0.33945E+02 0.30463E+02

0.35000E+01 0.57000E+02 0.30000E+02 0.24836E+01 0.25166E+01 0.32999E+02 0.29593E+02

0.36000E+01 0.57000E+02 0.30000E+02 0.24840E+01 0.25161E+01 0.32098E+02 0.28771E+02

0.37000E+01 0.57000E+02 0.30000E+02 0.24844E+01 0.25157E+01 0.31244E+02 0.27993E+02

0.38000E+01 0.57000E+02 0.30000E+02 0.24848E+01 0.25153E+01 0.30431E+02 0.27257E+02

0.39000E+01 0.57000E+02 0.30000E+02 0.24852E+01 0.25149E+01 0.29659E+02 0.26558E+02

0.40000E+01 0.57000E+02 0.30000E+02 0.24856E+01 0.25145E+01 0.28921E+02 0.25894E+02

0.41000E+01 0.57000E+02 0.30000E+02 0.24859E+01 0.25142E+01 0.28221E+02 0.25262E+02

0.42000E+01 0.57000E+02 0.30000E+02 0.24863E+01 0.25138E+01 0.27548E+02 0.24661E+02

0.43000E+01 0.57000E+02 0.30000E+02 0.24866E+01 0.25135E+01 0.26911E+02 0.24087E+02

0.44000E+01 0.57000E+02 0.30000E+02 0.24866E+01 0.25135E+01 0.26711E+02 0.23540E+02

Wnioski:

W ćwiczeniu tym za pomocą programu FEM obliczaliśmy wartość napięcia wyjściowego czujnika piezorezystancyjnego, która wynosi 23.114 V. Najpierw obliczaliśmy wpływ ciśnienia p na wartość napięcia wyjściowego Uout_a. Zgodnie z przewidywaniami wartość napięcia wyjściowego jest funkcją liniową od działającego ciśnienia. Następnie obliczaliśmy wpływ współczynnika k na wartość Uout. Podczas zwiększania wartości współczynnika k napięcie na wejściu malało.