Senzori

micromecanici-

2

IMT BucurestiR. Muller

Senzori

micro -

mecanici

Traductor: transforma o forma de energie in altasenzori

Traducoriactuatori

Un senzor

este un dispozitiv ce masoara o marime fizica pe care o converteste untr-un semnal care poate fi detectata de catre un aparat

Un actuator poate

fi

definit

ca : un dispozitiv

care genereaza

o miscare

mecanica

prin

conversia

a diferite

forme

de energie

Actuatorii, care

fac

parte din clasa

traductorilor, transforma

un semnal

de intrare

in special un semnal

electric intr-o

miscare.

Exemple: motoare

electrice, actuatori

pneumatici, pistoane

hidraulice, actuatori

in forma de pieptane

(comb drive), piezoelectrici, actuatori

termicibimorfi,polimeri

electroactivi.

Senzori

micro -

mecanici

Mecanic

Intrare Traductor Iesire

Mecanic

Termic

Chimic

Radiant

Magnetic

Electric Electric

Senzori

micro -

mecanici

Un senzor, in general, este un dispozitiv cu dimensiuni milimentrice sau submilimetrice care transforma un semnal neelctric cum ar fi: presiune, acceleratie, temperatura, concentratie de gaz in tr-un semnal electric.

Senzorii sunt elemente esentiale in procese de masurare si control cu aplicatii in industria auto, aerospatiala, telecomunicatiii, agricultura, , mediu, biomedical, etc..

Beneficii

ale utilizarii semiconductorilor: sensibilitate, acuratete, fiabilitate, consum de putere mult mai mic, pret scazut, etc

.

Senzori

micro -

mecanici

Prezentam cateva concepte si tehnici utilizate in proiectarea si realizarea senzorilor micromecanici

si a actuatorilor.

Cele mai importante mecanisme de sesizare

includ urmatoarele efecte:•

piezorezistivbitatea•

piezolelctricitatea •

variatia capacitatii•

optic•

rezonant

. Metode de actuare:-electrostatica-piezoelectrica-termica-magnetica

Senzori

micro -

mecanici

Piezoresistivitatea

deriva din cuvantul grec “piezin”

care insemana a presa.

Acest efect este prezent in mai multe metale si se manifesta printr-o modificare a rezistentei, datorita presiunii

aplicate.

Efectul a fost descoprtit in 1856, de catre lordul Kelvin, care a observat ca rezistenta cuprului si a fierului creste, atunci cand este supusa unui stres mecanic.

Sensitivitatea stresului mecanic aplicat (strain gauge)

este in general denumit factor de stres (gauge factor). Aceasta este o marime

adimensionala si este data de relatia:

Senzori

piezorezistivi

Senzori

micro -

mecanici

Senzori

micro -

mecanici

Elasticitatea

este

proporietatea

unui

material de a se intoarce

la forma sa

initiala, dupa

ce

inceteaza

actiunea

unei

forte exterioare, foorta

ce

a provocat

deformarea.

Alungirea

relativa

∆l/Ll se numeste strainSemnificatia fizica a modulului lui Young, este = Forta necesara

pentru a produce o deformarea egala cu lungimea initiala.

Senzori

micro -

mecanici

R

este rezistenta initiala∆R

este varaiatia rezistentei.

∆l/l este varaiatia lungimii /lungimea initiala

sau strain aplicat si se noteaza cu ε

(marime adimesionala).

Pentru toate materialele elastice, exista o relatie intre stres si strain, Stresul

notat cu σ

(N/m2) si strain

notat ε

Iar conform legii lui Hook, deformarea este direct proportionala cu forta aplicata, atata timp cat nu se depaseste limita de elasticitate.Constanta de proportionalitatese numeste:

Variatia relativa a rezistentei ∆R /R ∆R /R

GF = --------------------------------------= ---------

= ----------Stresul aplicat ∆l/l

ε

Modulul de elasticitate al lui Young

Senzori

micro -

mecanici

Stres σ

E

= -----------= -----

(N/m2) Strain ε

E = Modulul de elasticitate al lui Young

Modulul lui Young

pentru siliciu

este is 190 GPa (1 Pa = 1 N/m2), Modulul lui Young

pentru otel

este in jur de 200 GPa.

Pentru un material dat, cu cat modulul lui Young

este mai mare,cu atat, deformarea obtinuta pentru aceasi stres aplicat este mai mica

Prior to the yield point the material will deform

elastic and will return to its original shape when the applied stress is removed. Once the yield point is passed some fraction of the deformation will be permanent and non-reversible.

Daca forta aplicata determina alungirea barei, atunci latimea si grosimea barei vor fi micsorate deci

Stresul tensil

aprut pe axa longitudinala

va detemina unsters compresiv

pe celelalte doua axe perpendiculare

Senzori

micro -

mecanici

Senzori

micro -

mecanici

Deformarea

relativa axaiala (strain) va fi diferita de cea transversala, iar raportul lor se numetse raport Poisson

si se nteaqza cu ν.

Cele mai multe materiale elastice au raportul Poisson egal cu 0.3.Pentru

siliciu

este egal cu 0.22

Daca bara din figura anterioara este dintr-un material rezistiv, atunci are rezistenta R

R= ρl/Aρ

este

rezitivitatea

materialului,

(Ωcm), l

este

lungimea

si

A este

aria

sectiunii

transversale

A= w t

Diferentind

Senzori

micro -

mecanici

Deoarece

iar

ε

= dl/l si presupunand ca avem de aface cu variatii micii, atuncidl = ∆l; dw = ∆w; dt = ∆t

, rezulta:

si

Semnul

minus indica

faptul

ca pe

latime

si

grosime

stresul

ete

opus celui

care se manifesta

pe

lungime

(stres

tensil) si

este

un stres

compresiv.Din relatiile

de mai

sus

rezulta:

Factorul

de gauge:GF poate fi caluclat cu relatia

Senzori

micro -

mecanici

Ecuatia

anterioara

indica

clar

ca exista

doua

efecte

distincte

care contribuie

la gauge factor.Primul

termen

se refera

la efectul

piezorezistiv

((dρ/ρ)/εl) iar

cel

de al doilea

este

efectul

geometric

(1 + 2). Tinand

cont de faptul

ca raportul

Poisson este

de obicei

intre

0.2 si

0.3, contributia

efectului

geometric la factorul

de gauge este

intre

1.4 si

1.6.

Senzorii

care prezinta

o varaitie

a rezistentei

ca un rezultat

al unei

forte aplicate

(strain) sunt

cunoscuti

si

sub numele

de strain gauge. Cei

in care efectul

piezorezitiv

predomina

se numesc

piezorezistori.

De exemplu

pentru

o sirma

subtire

de metal, este

dominant efectul

geometric, in timp

ce

pentruun semiconductor efectul

piezoelectric este

dominant

fata

de cel

geometric

si

Senzori

micro -

mecanici

Tabelul

urmator

prezinta

factorul

GF pentru

diferite

materiale

Material GF factor de gaugeMetal (sirma

subtire) 2-5

Strat

subtire

de metal 2

Siliciu

monocristalin -125 pana

la + 200

Polisiliciu ± 30

Rezistori

in strat

gros 10

GF pentru

diferite

materiale

Senzori

micro -

mecanici

Senzorii de tipul strain gauge

realizati cu semiconductori au o variatie semnificativa a factirului GFSiliciul de tip p

are un factor pana la + 200, iar cel de tip n

ci o valoare

pana la -125Factorul negativ indica faptul ca rezistenta scade , o data cu cresterea

stresului.Mobilitatea efectiva a putrartorilor majoritari

este afectata de apartitia

stresului,

astfel pentru:semiconductorii de tip p: mobilitatea scade si rezistivitatea crestesemiconductorii de tip n: mobilitatea creste si rezistivitatea scade

Acest efect este dependent si de orientarea

cristalografica. Efectul geomentric

este neglijabil

Senzorii de acest tip sunt foarte senzitivi la temperatura

(de aceea se utilizeaza metode de compensare)

Senzori

micro -

mecanici

Coeficientul de tempertaura

pentru un piezorezitor semiconductor

este de 0.25 %/°

atat pe directia logitudinala, cat si pe cea transversala.

Proprietati piezoelectrice prezinta si

polisiliciu si siliciul amorf. Coeficientul de temperatura pentru un astfel de piezorezistor este in general mai mic de 0.05%/°C.

Straturile (filmele) subtiri de metal se comporta similar cu sirmele metalice si au ub GF similar. Straturile subtiri de metal pot fi depuse direct pe substratul dorit: siliciu, ceramica, sticla.

Rezistorii obtinuti din straturi groase, utilizati in circuitele hibride au proprietati piezorezistive. Factorul de stres este de 10, rezultand o senzitivitate intre cea a semiconductorilor si a metaleleor (sirme subtiri). Coeficientul

de temperatura al rezistorilor este in jur de 100 ppm ( parti pe milion), ceea ce

face ca valoarea coefeicientului pentru doua rezistente diferite sa difere cu mai putib de 10 ppm/°C.

Astfel sunt folosite ca rezistente active in punti Wheatstone, pentru reducerea sensitivitatii in functie de temperatura.

EXEMPLU: Microscop

de Forta

Atomica

Piezoelectric (AFM)

Tortenese si altii, in 1991 au creat primul AFM cu senzor piezoelectric de forta integrat:• Generatoprul de miscare deplaseaza proba in directiile x si y;• Controlul ajusteaza miscarea pe axa z pentru apastra forta de apasare constatnta;• Utilizeaza virfuri extrem de subtiri pentru scanarea probei

EXEMPLU: Microscop

de Forta

Atomica

Piezoelectric (AFM)

Senzori

micro -

mecanici

Exista mai multe metode de caracterizare a proprietatilor mecanice ale steraturilort subtiri. Cea mai simpla si rapida dintrea acestea este prin

nano-indentare.Nano-indentarea

reprezinta o tehnica relativ recenta ( ~ 20 de ani) de testare mecanica a unor volume mici de material (de ex. straturi subtiri).

Proprietatile mecanice ale unui material, atunci cind este utilizat in procese de microfabricatie, pot diferi de de proprietatile masurate pentru

cantitati mari ale aceluiasi material (la scara macroscopica).

Caracterizarea mecanica a straturilor depuse este o etapa obisnuita in procesele de fabricatie MEMS. Principiul de functionare consta in utilizarea unui virf ascutit (indenter) care este succesiv impins si retras din materialul testat prin aplicarea unei forte care variaza de la zero la o valoare maxima prestabilita si inapoi la

zero.Forta de apasare si deplasarea indenterului in material sint controlate si monitorizate continuu cu rezolutie ridicata.

In functie de detaliile specifice ale echipamentului utilizat, pot fi aplicate forte care coboara pina

la 1 nN si masurate deplasari de 0.1 nm (1 Å).

Senzori

micro -

mecanici

Cu ajutorul

nano-indenterului

pot fi

deduse

proprietati

mecanice

ale materialelor, in principal modulul de elasticitate=

Modulul

lui

Young

si duritatea, pe baza unor modele mecanice specifice din curbele forta- deplasare inregistrate

Nano-indenterul G200 (Agilent Technologies)

functionand la IMT-Bucuresti

Reprezentare schematica a componentelor principale ale

unui echipament de nano-

indentare (Nano-Indenter)

Imagine AFM (arie 10μmx10μm) a amprentei lasate de un indenter piramidal intr-un strat subtire de metal (Al). Geometria amprentei reziduale la o forta de apasare data este o masura a duritatii H a materialului.

Senzori

micro -

mecanici

Imaginile reprezinta dependenta valorii masurate a modulului lui

Young fata de deplasare

a virfului de indentare pentru doua straturi cu proprietati mecanice si grosimi diferite, depuse pe Si

un strat subtire de SiO2 (grosime

0.8 μm )un strat de SU8 (grosime 7 μm)Datele indica faptul ca substratul de siliciu influenteaza valorile masurate ale stratului

pentru adincimi de peste 150 nm in cazul SiO2

(aprox. 1/5 din grosimea stratului si de peste 800 nm (aprox. 1/9 din grosimea stratului) in cazul SU8 .

Senzori

micro -

mecaniciPiezoelectricitate

O anumita clasa de critsale au proprietatea de a genera o sarcina electrica daca asupra lor se aplica o forta mecanica

–

efect direct. De asemnea

exista

si

efectul

invers: se deformeaza

sub actiunea

unui

camp electric

.

Acest

efect

este

unul

neuzual: materialuil

poate

actiona

ca sensor sau

ca actuator

(efect

descoperit

in 1880 de catre

Jacques si

Pierre Curie).Piezoelectricitatea

este datorata asimetriei de sarcina in structura cristalului.

Astfel de cristale se mai numesc si non-centrosimetrice, si prezinta proprietati anizotropice.

Siliciul, avand un cristal simetric, nu prezinta aceste proprietati

Unele cristale au in mod natural acesta proporietate: cuartul sau sarea Rochelle, altele cum ar fi titanatul de bariu, titanat zirconatul de plumb (PZT)

si polimeri cum ar fi polyvinylidene (PVDF) sunt feroelectrice

Materialele

feroelectrice

sunt

acelea

care prezinta

o polarizare

spontanta, sub actiunea

unui

camp electric. Deci

aceste

materiale

trebuie

polarizate, pentru

a prezenta

o comportare

piezoelectrica.

Se defineste

coeficientul

de saricina

dii

Acesta se refera la cantitate de sarcina generate la suprafata materialului pe axeele i, datoarat fortei Fj aplicat pe axele jSarcina generata pentru figura de mai sus

Tensiunea produsa pentru bara rectangulara din figuraA= aria, t = grosimea, εr

= permitivitatea

relativaε0

=

permitivitatea

aerului

Forta aplicata determina producerea unei tensiuni pe cei doi electrozi Senzori

micro -

mecanici

Senzori

micro -

mecanici

Forta

aplicata

unui

fragment de material determina

aparitia

unor

sarcini

electrice

pe

suprafata

fragmentului.Sursa

acestui

fenomen

este

distributia

specifica

a sarcinilor

electrice

in unitatea

cristalina

a materialului.

Titanatul

de bariu

(BaTiO3

) si

PZT sunt

doua

ceramici

piezoelectrice care pot fi

depuse

pe

siliciu

, prin

diferite

metode: sputtering, sol-gel.

PZT

are in general o valoare

mare a coeficientului

d33 si

de aceea

este utilizat

cel

mai

mult

in realizarea

senzorilor

si

actuatorilor

care utilizeaza

acest

efect

Alte

materiale

care prezinta

efect

piezoelectric si

care pot fi

depuse

in struri

subtiri

policristaline

sunt

:

-

oxidul

de zinc ZnO2

si-

niobatul

de litiu

LiNbO3

Materiale piezoelectrice

Cuartul este intens utilizat: ceasuri, element rezonant

Senzori

micro -

mecanici

MATERIALE PIEZOELECTRICE & PROPRIETATI

( KOVACS, 1998)

Structura

este

relativ

simpla, iar

tehnica

permite

sezizarea

miscarii.

Dispozitivul

consta

din din

doi

electrozi: unul

fix si

unul

mobile, separati

de un mediu

dielectric.Relatia

intre

presiunea

aplicata

si

miscarea

electrodului

este

neliniara.strucrura

este

snezitiva

si

datorita

fatului

ca un circuit electroniuc, poate

fi

integrat, realtiv

usor.

Tehnica capacitiva

Senzori

micro -

mecanici

Exemple

de senzori

capacitivi

simpli: a)electrod

mobil,b) arie

varaibila,c) dielectric mobil

w(x,y) este

deflexia

membranei

funtie

de x si

y

Daca

doar

un electrod

se misca

relatia

devine:

Senzori

micro -

mecanici

dA

0C ε=

( )∫∫ =ε= dxdy

y,xwdC

-O combinatie

a unui

senzor

de presiune

piezoresitiv

cu CI bipolar pentru

a avea

o compesare

a temperaturii

si

pentru

a converti

semnalul

de iesire

care este

o tensiune

intr-o

frecventa, pentru

a interactiona

usor

cu un circuit didgital

- In ambele

cazuri

memnrana

este

realizata

printr-un proces

de etch stop- a) intr-un strat

dopat

puternic

cu bor-

b) stratul

epitaxial este

folosit

ca etch stop, printr-un proces

de corodare

electrochimica

Combinatie

a unui

sensor de presiune

piezoresistiv

cu (a) un process NMOS (Tanigawa

1985), (b) un process CMOS (Kress1991)

Senzori

micro –

mecanici-

Exemple

Principalul

avantaj

al acestei

tehnologii

este

ca suprafata

de sprijin

a membranei

poate

fi

facuta

mult

mai

mica

(b)

Secventa

de fabricatie

a membrane de siliciu

lipite

prin

fuziune

inidicata

pentru

sensori

de presiune

piezoresistivi

ultra –miniaturizati

(a)-Petersen1988.

Senzori

micro –

mecanici-

Exemple

Membrana

este

corodata

de pe

spate-

electrochimicElectrodul

fix este

depus

pe

un strat

de pyrexAplicatii: in cardiologie

Sectiune

a unui

sensor capacitiv

de presiune

cu un circuit integrat(Sander 1980)

Senzori

micro –

mecanici-

Exemple

Sectiune

a unui

sensor capacitiv

de presiune

cu electrozi

interdigitati

pentru

compensare

liniara

(Kim 1997)

Senzori

micro –

mecanici-

Exemple

Senzori

micro –

mecanici-

Exemple

(a)

Vedere

de ansamblu

a unui

catheter(b) fabricatia

sensorului

de presiune,(c ) secvente

de fabricatie

ale membranei

Sectiune

a unui

sensor de presiune

intraocular( Backlund

1990)

Imagine SEM a regiunii

lipite

a unei

membrane (zona

marcata

cu100 μm)

-S-a utilizat

direct wafer bondig

cu siliciu

( nu pyrex)-Aplicatii

monitorizare

presiunii

oculare-

prin

implantare

in ochiul

uman-

Toate

exemplele

pentru

realizarea

senzorilor

capacitivi

au implicat

un proces

de bonding, acesta

poate

fi

eliminat

prinutilizarea

“surface micromachining”

si

a unui

strat

de sacrificiu

Secventa

de fabricatie

prin

corodare

de suprafata

a unui

sensor capacitiv

de presiune

(Dudaicevs

1994)