Wykład 1

Podstawowe parametry charakteryzujące czujniki

1/ zakres pomiarowy wejściowy i zakres sygnału wyjściowego

2/ wyjściowy sygnał niezrównoważenia przy braku sygnału wejściowego (offset)

3/ charakterystyka statyczna przetwarzania –nieliniowość, zakres zmian sygnału wyjściowego, współczynnik czułości ,

4/ charakterystyka dynamiczna przetwarzania –stała czasowa odpowiedzi, maksymalna częstotliwość przetwarzania

5/ dokładność, rozdzielczość pomiaru

6/ wpływ temperatury

Podstawowe rodzaje czujników:

1/ Czujniki do pomiaru wielkości mechanicznych:

Przemieszczenia, drgań, prędkości, przyspieszenia, ciśnienia, przepływu,

2/ Czujniki do pomiaru temperatury, różnicy temperatur, strumienia cieplnego

3/ Czujniki do pomiar pola magnetycznego, elektrycznego

4/ Czujniki do pomiaru wielkości optycznych, natężenia , przesunięcia fazowego, widma optycznego,

5/ Czujniki do pomiaru wielkości chemicznych:

Stężenia i detekcji płynów, pH, konduktywności roztworów, wykrywania substancji

6/ Inne pomiary takie jak pomiar wilgotności gazów i materiałów sypkich, promieniowania gamma, itp.

W wielu czujnikach znajdują zastosowanie różnego rodzaju przetworniki takie jak:

1/ piezorezystancyjne i piezoelektryczne

2/ termiczne

3/ pojemnościowe , indukcyjne, elektromagnetyczne

4/ ultradźwiękowe

5/ optyczne, światłowodowe i optoelektroniczne

6/ półprzewodnikowe

7/ rezonansowe

8/ generacyjne

Podstawowe technologie stosowane w mikroczujnikach i mikroaktuatorachkrzemowych

Podstawowe procesy w technologiach MEMS to;

1/ pokrywanie (nanoszenie warstw, np. emulsji fotoczułej)

2/ odwzorowanie (maskowanie np. w procesie fotolitografii)

3/ modyfikacja powierzchni (utlenianie, dyfuzja, implantacja)

4/ trawienie (mokre, plazmowe)

Podstawowe etapy procesu fotolitografii

a/ nałożenie cienkiej warstwy,

b/ naświetlanie poprzez maskę emulsji światłoczułej,

c/ usunięcie nie naświetlonych powierzchni emulsji

d/ wytrawienie cienkiej warstwy w miejscach nie osłoniętych emulsją

Wykład 2

Proces wytwarzania elementów można podzielić na dwie klasy:

Obróbkę objętościową i powierzchniową.

Obróbka objętościowa umożliwia wykonywanie struktur przestrzennych , takich jak

membrany , belki.

Zwykle otrzymanie takich struktur wymaga głębokiego trawienia krzemu (metodą mokrą) .

Ze względu na anizotropowość monokrystalicznego krzemu możliwe jest trawienie różnych

powierzchni krystalograficznych z różną szybkością, np. powierzchnie o orientacji <100> w

stosunku do powierzchni <111> trawią się około 200 szybciej (roztwory KOH ).

Ta własność jest wykorzystywana do wykonywania membran, rowków typu V lub otworów

Przekrój poprzeczny płytki krzemowej z wykonanymi elementami a-membrana, b-belka jednostronnie zamocowana

Proces anizotropowego trawienia płytki krzemowej <100> typu n,

•a- na górnej powierzchni płytki wykonana maska z azotku krzemu (po procesie fotolitografii), w dolnej części warstwa domieszkowana typu p (proces epitaksji ),

•b- częściowo wytrawiona płytka krzemowa,

•c- zakończenie procesu trawienia –wykonane elementy : v-rowek, otwór, membrana,

Wykonanie ruchomej belki z polisilikonu w procesie obróbki powierzchniowej

•a/ warstwa maskująca z tlenku krzemu na powierzchni płytki krzemowej,

•b/ osadzenie warstwy z polisilikonu

•c/ usunięcie warstwy maskującej z tlenku krzemu

Mikrokrzemowe czujniki

Piezorezystory

• Zjawisko piezo rezystywności w krzemie jest spowodowane anizotropowym rozkładem pasm energetycznych w różnych kierunkach sieci krystalograficznej.

• Pod wpływem naprężeń mechanicznych minima pasm w różnym stopniu zmieniają swoje poziomy dla różnych kierunków krystalograficznych i przewodnictwo elektryczne będzie zależne od orientacji kryształu.

• Współczynnik piezo rezystywności π charakteryzuje właściwości elementu piezorezystora, ma charakter anizotropowy i jest różny dla materiału typu π i p. $\pi = \frac{\rho(\sigma)}{\rho_{0}}\frac{1}{\sigma}$

•Gdzie: ε– odkształcenie •π– współczynnik piezorezystywnośc i• σ– naprężenia •ρ– rezystywność • Współczyniki π dla kierunku podłużnego piezorezystora są oznaczane jako π l , a dla kierunku poprzecznego jako π t . Współczynniki πl , πt są wyznaczane na podstawie współczynników piezo rezystywności dla podstawowych kierunków krystalograficznych oraz dla typu n lub p materiału. Dla piezorezystorów o kierunku ułożenia zgodnym z osiąkrystalograficzną<110> i krzemu typu p, współczynnik πl wynosi ok. 2,2 *10-10 m2/N.

Piezorezystory są elementami wykorzystywanymi najczęściej w czujnikach ciśnienia, akcelerometrach, sensorach przepływu (pomiar różnic ciśnień)

Przekrój poprzeczny przez ruchomą belkę z piezorezystorami

(czujnik przyspieszenia)

Piezorezystory powinny być umieszczone na powierzchni belki w pobliżu jej zamocowania, a przypadku membrany na jej powierzchni w pobliżu jej krawędzi. Umieszczenie piezorezystorów tak, aby jeden z nich poddawany był naprężeniom ściskającym, a drugi rozciągającym pozwala zwiększyć sygnał wyjściowy dwukrotnie (układ pomiarowy pół-mostkowy) . Zmiana rezystancji wywołana tymi naprężeniami wynosi odpowiednio R-ΔRiR+ΔR.

Dla membrany można zastosować układ pełnego mostka z czterema piezorezystorami i w rezultacie sygnał wyjściowy zwiększa się czterokrotnie w stosunku do pojedynczego piezorezystora .

Przekrój poprzeczny struktury krzemowej z membraną i piezorezystorami (czujnik ciśnienia, P1 i P2 ciśnienia działające na membranę)

Schemat elektryczny piezorezystorów połączonych w układ mostka pokazano na rysunku. Jednocześnie zmniejsza się wpływ temperatury na sygnał wyjściowy w układzie mostkowym

Schemat elektryczny czterech piezorezystorów

Struktura MEMS (akcelerometr) znajduje zastosowanie również w akcelerometrach. W takim przypadku zmiany przyspieszenia a wywołują powstanie sił dynamicznych działających na belkę z umieszczoną na jej końcu masą sejsmiczną i położenie końca belki może być opisane znanym równaniem różniczkowym:

Gdzie: x– jest przemieszczeniem całej struktury krzemowej (w kierunku prostopadłym do powierzchni struktury) z- jest przemieszczeniem końca belki m –masa sejsmiczna obciążająca belkę k –stała sprężystości belki (dla belki prostopadłościennej k=Ebh3/4l3)D –współczynnik tłumienia

Gdzie: ξ- stopień tłumienia, ω0-pulsacja drgań własnych .

Przetwornik może realizować pomiar przyspieszenia pod warunkiem , że ω/ ω0<<1, wówczas wychylenie z belki jest proporcjonalne do przyspieszenia a. Dla szerokiego zakresu pomiarowego wymagana jest duża wartośćω0, co oznacza małą masę m i dużą stałą sprężystości k. Z drugiej strony współczynnik czułości przetwornika jest odwrotnie proporcjonalny do ω02,oznacza to że zbyt duża wartość częstotliwości drgań własnych f0 ograniczy czułość przetwarzania. Optymalna wartość tłumienia ξ powinna wynosićok.0,7.

Wykład3

Przetworniki pojemnościowe

W wielu konstrukcjach mikroczujników wykorzystuje się przetworniki pojemnościowe, które w przeciwieństwie do przetworników indukcyjnych są znacznie szerzej stosowane w strukturach MEMS.

Podstawą działania jest zmiana pojemności czujnika w wyniku oddziaływania czynników zewnętrznych.

Przykładowe zastosowania przetworników pojemnościowych to akcelerometry. Podstawowe zależności dotyczące elementów mikrotechnicznych są obowiązujące jak w przypadku akcelerometru piezoelektrycznego.

Na następnym rysunku pokazano mikromechaniczną strukturę z masą sejsmiczną zawieszoną na kilku płaskich sprężynach , taka konstrukcja zapewnia ruch masy w określonym kierunku (ograniczone są ruchy w innych płaszczyznach).

Widoczne są ruchome i nieruchome elektrody czujnika.

Podstawowa struktura akcelerometru z elektrodami grzebieniowymi przetwornika pojemnościowego

Konstrukcja MEMS w czujniku przyspieszenia (przekrój poprzeczny i widok z góry)

Inny rodzaj konstrukcji MEMS pokazano na rysunku poniżej , masa sejsmiczna jest tutaj zawieszona w inny sposób i odmienny jest układ elektrod.

Duża ruchoma masa czujnika może oznaczać, że częstotliwość rezonansowa jest mniejsza niż w poprzednim rozwiązaniu.

Zastosowano również inny rodzaj technologii , tzn. obróbkę głęboką(3D) krzemu w przeciwieństwie do rozwiązania z poprzedniego rysunku , gdzie decydującą była obróbka powierzchniowa.

Zasada działania przetwornika pojemnościowego w układzie różnicowym

Wadą mikroprzetworników pojemnościowych jest ich mała pojemność i niewielkie zmiany pojemności wywołane sygnałem pomiarowym (rzędu fF).

W wielu rozwiązaniach dąży się do zwiększenia pojemności np. poprzez zastosowanie wielu równoległych elektrod grzebieniowych (międzypalczastych).

Zaletą tych przetworników w stosunku do przetworników piezorezystancyjnych jest stosunkowo mały współczynnik temperaturowy (głównie zmiany temperatury powodują zmianę modułu Younga).

Układ elektrod pojemnościowego przetwornika płaskiego

Pojemność przetwornika wieloelektrodowego odpowiada wielokrotności pojemności dla podstawowej konfiguracji (jednej pary elektrod).

Na kolejnym rysunku pokazano konstrukcję przepływomierza gazowego z przetwornikiem pojemnościowym.

Przepływomierz gazowy z pojemnościowym przetwornikiem

Przetworniki termiczne

Przetworniki termiczne mają szerokie zastosowanie nie tylko w bezpośrednich pomiarach temperatury lub różnicy temperatur, ale również w pomiarach strumienia cieplnego .Do pomiaru temperatury wykorzystuje się czujniki rezystancyjne, złączowe (półprzewodnikowe) oraz termoelementowe (termopary) .Rezystancja cienkowarstwowego opornika jest zależna od temperatury. Bardzo dobrymi parametrami charakteryzują się zintegrowane rezystory platynowe. Mają mniejsze rozrzuty rezystancji , dobrą liniowość, duży zakres pomiarowy .Innym materiałem stosowanym jest krzem polikrystaliczny , zaletą jest prosta technologia ale znacznie większe są rozrzuty technologiczne i nieliniowość charakterystyki. Wadą czujników rezystancyjnych jest ich zależność od naprężeń występujących w podłożu.

Stosowanie układów mostkowych pozwala ograniczyć ten wpływ .Wykorzystanie złącza p-n umożliwia pomiar temperatury zgodnie ze znaną zależnością:

Gdzie: I0-prąd wsteczny złącza, q- ładunek elektronu, k- stała Boltzmana, T- temperatura(stop K) , U-napięcie na złączu

Termometry –przyrządy do pomiaru temperatur

Temperatury mierzy się metodami pośrednimi poprzez pomiar parametrów medium, którego parametr zmienia się wraz ze zmianą temperatury.

Bezpośredni pomiar takiej zmiany właściwości jest trudny bez zastosowania elementu pośredniczącego bez zmiany jego stanu.

Z tego powodu, termometr zanurzony w materii (np. cieczy) nie mierzy właściwie temperatury cieczy, ale lecz swoją własną, która może być bardzo bliska temperaturze cieczy, ale rzadko identyczna.

Ponadto, wprowadzenie termometru do badanego środowiska zmienia miejscowo lub ogólnie stan cieczy.

Czułość i dokładność każdego termometru zależy od stałej czasowej .

Stosowane czujniki mogą być klasyfikowane według ich właściwości dzięki którym uzyskuje się informację o temperaturze badanego medium.

Najczęściej wykorzystywane właściwości to:

•rozszerzalność,

•opór elektryczny,

•siła termoelektryczna (STE)

•zjawiska fotoelektryczne

•emisja termiczna

Czujniki termorezystancyjne (termorezystory metalowe) Termometry rezystancyjne są elementami rezystancyjnymi wykonanymi w technologii rezystorów nawijanych lub w postaci cienkich warstw rezystancyjnych Działanie tych czujników temperatury wynika ze zjawiska zmiany rezystywności wraz z temperaturą.

Rys. Względna zmiana rezystancji czujników termorezystancyjnych odniesiona do wartości rezystancji w temperaturze 25 stop C

Czujniki termistorowe

Czujniki termistorowe są wykonane z materiałów półprzewodnikowych, których rezystancja silnie zależy od temperatury.

Czułość takich czujników na zmianę temperatury jest znacznie większa.

Czujniki te posiadają nieliniową zależność rezystancji od temperatury

W porównaniu z metalowymi rezystorami termometrycznymi, termistory wykazujązalety:

-większy cieplny współczynnik zmian rezystancji , zapewniający wyższą czułość pomiaru

-wielokrotnie większą rezystancję, eliminującą praktycznie wpływ rezystancji przewodów łączących

-mniejsze wymiary

-mniejsze bezwładności cieplne

Istotne wady:

-niższe temperatury pracy

-nieliniowa zależność rezystancji od temperatury

-mniejsza stabilność charakterystyk

-trudność znormalizowania charakterystyk

Termistory typu PTC stosowane do sygnalizacji przekroczenia określonej temperatury

Termometry termoelektryczne –termoelementy

W termometrach termoelektrycznych czujnikami są dwie elektrody (przewodniki), które są wykonane z różnych metali lub stopów i połączone ze sobą spoiną z jednej strony tworząc układ to pomiaru temperatury z wykorzystaniem zjawiska Seebecka.

Zjawisko to polega na tym, że gdy spoinę umieścimy w medium o temperaturze, T1 , podczas gdy drugie końce tych elektrod będą w innej temperaturze np. T0, różnej od T1 to w obwodzie takim nastąpi wytworzenie siły termoelektrycznej (STE) na skutek różnicy temperatur.

Jeżeli do tych wolnych końców podłączymy przyrząd pomiarowy (rys a) lub włączymy go tak jak na rys b, wówczas przy znanej temperaturze T0, zwanej temperaturą odniesienia wskazanie przyrządu może być proporcjonalne do różnicy temperatur T1 i T0 co umożliwia, ze wskazanie może być proporcjonalne do temperatury T1.

Przetworniki piezoelektryczne

Krzem nie jest materiałem piezoelektrycznym i bezpośrednio nie może być wykorzystany jako przetwornik piezoelektryczny.

Natomiast stosując cienkie warstwy naniesione na podłoże krzemowe można zaprojektować wiele czujników generacyjnych. Zasada generowania SEM w materiale piezoelektrycznym jest znana od dawna i została pokazana na rysunku

Zjawisko wytwarzania siły elektromotorycznej w bryle materiału (objętości) zostało wykorzystane między innymi w czujnikach kwarcowych do pomiaru między innymi zmiennych ciśnień(materiałem piezoelektrycznym jest kryształ kwarcu).

Pod wpływem zmiennych naprężeń powstaje ładunek elektryczny, którego wartość est proporcjonalna do gradientu naprężeń.

Poza pomiarami dynamicznymi, można czujniki kwarcowe użyć do pomiarów statycznych (lub wolno zmiennych), na przykład do pomiaru grubości nakładanych cienkich warstw.

W takim przypadku generator z rezonatorem kwarcowym umieszczonym w urządzeniu do naparowywania materiału z fazy gazowej będzie zmieniał swoją częstotliwość rezonansową oraz amplitudę drgań pod wpływem osadzającego się materiału na powierzchni rezonatora.

Przetwornik z cienką warstwą piezoelektryczną

Wykład 4

Częstotliwość rezonansowa membrany kwadratowej dla modu podstawowego różni do częstotliwości dla belki współczynnikiem proporcjonalności c~ 1,65 (gdzie l odpowiada długości boku membrany). Współczynniki c mogą się różnić w zależności od rodzaju zamocowania krawędzi (sztywne, obrotowe) co wynika z technologii dla danego czujnika.

Przetworniki elektromagnetyczne

Zastosowanie przetworników elektromagnetycznych w mikrosensorach jest ograniczone ze względów technologicznych trudnością otrzymania pola magnetycznego o odpowiednich gęstościach energii i miniaturyzacją magnetowodów. Szersze zastosowanie przetworniki elektromagnetyczne znalazły w mikrosilnikach i siłownikach liniowych. W sensorach do pomiaru parametrów drgań mechanicznych mogą być wykorzystane struktury mikromechaniczne z cewkami planarnymi. Dobierając parametry belki (sztywność) oraz współczynnik tłumienia drgań można taki przetwornik zastosować do pomiaru amplitudy , prędkości lub przyspieszenia drgań.

Wykład 5

Przetworniki optoelektroniczne

W konstrukcjach mikroczujników występują tradycyjne światłowody na bazie SiO2 , światłowody plastikowe o rdzeniach okrągłych jak również światłowody planarne wykonane w podłożach krzemowych. W mikroczujnikach światłowodowych wykorzystuje się wiele zjawisk fizycznych i chemicznych do bezpośredniego pomiaru wielkości mierzonych jak również stosuje się pomiary za pomocą metod pośrednich .Istnieją podstawowe grupy mikroczujników, z których jedna dotyczy czujników mierzących natężenie promieniowania (amplitudę) fali świetlnej. Konstrukcyjnie są to czujniki o stosunkowo prostszej budowie i mniejszym koszcie wytwarzania. Drugą grupę stanowią czujniki mierzące przesunięcie fazowe fali lub różnicę przesunięcia fazowego nazywane również czujnikami interferometrycznymi. Czujniki te współpracują z koherentnymi źródłami światła, jednomodowymi światłowodami i interferometrami i cały układ jest znacznie droższy. Następną grupę czujników stanowią sensory polarymetryczne , w których modulacji podlega płaszczyzna polaryzacji światła. Oddzielną grupą czujników są spektrofotometryczne sensory , w których analizuje się widmo optyczne promieniowania.

Zasada działania czujników z modulacją natężenia promieniowania

Zastosowanie spektroskopii gazowej umożliwia pomiar stężenia wielu różnych gazów. Każdy z gazów charakteryzuje się odmiennym widmem optycznym. Wykorzystując odpowiednie zakresy widma maksymalnej absorpcji dla danego gazu można (np. dla metanu λ=1,33 μm) selektywnie określić jego stężenie. Źródło w postaci diody laserowej wysyła zmodulowaną wiązkę światła, która przechodząc przez gazu. Zastosowanie światłowodów szklanych o małym tłumieniu pozwala wykonać pomiar w dużej odległości od obiektu

Schemat blokowy systemu detekcji gazu za pomocą czujnika światłowodowego