Document 103618

Transkrypt

Document 103618

SŁAWOMIR WIAK
(redakcja)
Akademicka Oficyna Wydawnicza EXIT
Recenzenci:
Prof. Janusz Turowski
Politechnika Łódzka
Prof. Ewa Napieralska Juszczak
University Lille Nord de France, LSEE, UA, Francja
Autorzy rozdziałów:
Prof. Sławomir Wiak (rozdz. 1, 2, 10)
Dr inż. Krzysztof Smółka (rozdz. 1, 2, 10)
Mgr inż. Anna Firych-Nowacka (rozdz. 2)
Prof. Zbigniew Kołaciński (rozdz. 3, 5, 6, 13)
Mgr inż. Andrzej Kubiak (rozdz. 4)
Prof. Zbigniew Lisik (rozdz. 4)
Dr hab. inż. Jacek Gołębiowski, prof. PŁ (rozdz. 7)
Dr inż. Michał Szermer (rozdz. 8, 9)
Dr inż. Przemysław Sękalski (rozdz. 8, 9)
Prof. Andrzej Napieralski (rozdz. 8, 9)
Dr hab. inż. Zbigniew Gmyrek (rozdz. 11)
Dr hab. inż. Paweł Witczak, prof. PŁ (rozdz. 12)
Podręcznik akademicki przygotowany w ramach projektu "Innowacyjna dydaktyka
bez ograniczeń - zintegrowany rozwój Politechniki Łódzkiej - zarządzanie
Uczelnią, nowoczesna oferta edukacyjna i wzmacniania zdolności do zatrudniania,
także osób niepełnosprawnych", współfinansowanego przez Unię Europejską
w ramach europejskiego Funduszu Społecznego - Programu Operacyjnego
Kapitał Ludzki "Priorytet IV, poddziałanie 4.1.1. Wzmocnienie potencjału dydaktycznego uczelni".
Utwór w całości ani we fragmentach nie może być powielany ani
rozpowszechniany za pomocą urządzeń elektronicznych, mechanicznych,
kopiujących, nagrywających i innych, w tym również nie może być umieszczany
ani rozpowszechniany w postaci cyfrowej zarówno w Internecie, jak i w sieciach
lokalnych bez pisemnej zgody posiadacza praw autorskich.
ISBN 978-83-60434-68-0
© Copyright by EXIT, Politechnika Łódzka
Łódź 2009
7. MIKROSENSORY I MIKROAKTUATORY
Jacek Gołębiowski
7.
7.1.
Mikrosensory i Mikroaktuatory
Dziedziny zastosowań mikrosensorów
i mikroaktuatorów w mechatronice
Rynek mikrosensorów i mikroaktuatorów osiągnął obroty rzędu
kilkunastu miliardów USD i utrzyma ponad 20% wzrost w nadchodzącej dekadzie.
Mikroelektromechaniczne systemy (MEMS) wykorzystywane
w sensorach i aktuatorach wskazują silny wzrost zastosowań
w przemyśle motoryzacyjnym, medycznym, bezpieczeństwa,
multimediów, telekomu-nikacyjnym i wytwórczym.
Jest wiele produktów, które zawierają miniaturowe sensory
i aktuatory oraz mikrosystemy łączące zarówno elementy
pomiarowe, wykonawcze i sterujące.
Podstawowe grupy produktów na rynku komercyjnym to m.in.
głowice drukarek atramentowych, czujniki ciśnienia (wiele gałęzi
przemysłu m.in. motoryzacja), krzemowe mikrofony, akcelerometry,
mikrobolometry, żyroskopy, miniaturowe wyświetlacze, mikrosystemy do przepływu płynów (przemysł farmaceutyczny),
mikroogniwa paliwowe.
Pewna liczba urządzeń jest w fazie testowania i wprowadzania
do
produkcji
np.
systemy
bezpieczeństwa
aktywnego
w samochodach (zastosowanie miniaturowych przetworników
optoelektronicznych,
kamer,
radarów),
nowe
systemy
bezpieczeństwa dotyczące wykrywania materiałów wybuchowych
i zagrożeń terorystycznych, systemy diagnostyczne dla monitorowania stanu zdrowia pacjenta. W przemyśle lotniczym
i kosmicznym stosowanych jest wiele mikrosystemów MEMS
i MOEMS do pomiarów i sterownia podzespołami samolotów i rakiet.
191
Rys. 7.1 Wartości rynkowe MEMS dla grupy najważniejszych produktów [15]
W przemyśle motoryzacyjnym zastosowanie MEMS osiągnęło
duże rozmiary i o ile wartość samych produktów nie jest znacząca
w cenie pojazdu to ich niezawodność ma często decydujące
znaczenie. Uszkodzenie mikrosenosra lub mikroaktuatora może
spowodować poważne straty ekonomiczne lub prawno-finansowe
(odszkodowania). Uważa się, że stosunek strat do wartości wynosi
średnio 100:1.
Podstawowe zastosowanie struktur MEMS w pojazdach to:
1.
pomiary ciśnienia,
powietrza i paliwa,
2.
siłowniki i silniki do przepływu cieczy oraz powietrza, pompy,
zawory.
7.2.
przyspieszenia,
położenia,
przepływu
Klasyfikacja mikroczujników
i mikroaktuatorów
MEMS jest mikrosystemem, zintegrowanym urządzeniem
mikroelektromechanicznym wykonanym z podstawowych materiałów
krzemu i szkła [19]. Składa się on z przestrzennych
i powierzchniowych mikro konstrukcji mechanicznych wykonanych
metodami
technologii
mikromechanicznej
i
z
układów
elektronicznych które mogą występować w formie układów
planarnych zintegrowanych, hybrydowych lub dyskretnych.
Podzespoły mikromechaniczne mogą wykonywać pracę
(aktuator, siłownik, silnik) lub otrzymują sygnały z otoczenia
i zamieniają je na sygnały elektryczne (optyczne dla MOMES )[14].
192
Układy elektroniczne wzmacniają i przetwarzają sygnały
elektryczne, sterują i kontrolują podzespoły mikromechniczne,
zapewniają komunikację z innymi urządzeniami.
MEMSy wykorzystują doskonałe mechaniczne właściwości
krzemu i szkła, oraz znane od lat i szeroko wykorzystywane
elektroniczne właściwości krzemu.
Cechy charakterystyczne MEMS-ów to m.in.: małe wymiary,
wysoka precyzja wykonania, masowe i tanie wytwarzanie, łączenie
funkcji sensorów i aktuatorów.
W mikrokonstrukcjach wyróżnić można wiele elementów
mikromechanicznych zawierających belki (pojedynczo i podwójnie
zamocowanych), membrany, otwory, kanały, wykonanych z krzemu.
Do struktury krzemowej mogą być dołączone warstwy i detale
szklane, tak połączone podzespoły mogą być zintegrowane on-chip
z planarnym układem mikroelektronicznym.
W technologii MEMS stosuje się dwie grupy procesów:
−
procesy mikroelektroniki planarnej, grubowarstwowej, cienkowarstwowej,
−
procesy obróbki mikromechanicznej.
Pierwsze z nich formują układy elektroniczne dla MEMS,
a drugie przestrzenne i powierzchniowe struktury mikromechaniczne.
Krzem jest materiałem anizotropowym. Poprzez umiejętny
dobór wzorów masek fotolitograficznych, odpowiednie ich ustawienie
z wybranymi kierunkami krystalograficznymi na podłożu krzemowym
(np. orientacji <100>), oraz właściwy dobór roztworów trawiących
anizotropowo krzem, możliwe jest powtarzalne, precyzyjne formowanie przestrzennych struktur krzemowych metodą mokrą.
Procedurę powyższą określa się nazwą- głęboka obróbka mikromechaniczna krzemu.
W przeciwieństwie do głębokiego trawienia krzemu, możliwa
jest także obróbka powierzchniowa. W tym przypadku mechaniczne
struktury są wytworzone w cienkich warstwach (filmach) osadzonych
na powierzchni płytki krzemowej.
W przypadku mikroobróbki powierzchni występuje kilka procesów
technologicznych. Pierwszym są zagadnienia termiczne, niektóre
z cienkich warstw mogą wymagać wygrzewania (naprężenia
termiczne). Problemem jest także brak płaskość powierzchni płytki
spowodowany przez wielokrotne usuwanie warstw.
193
W mikroobróbce powierzchni jest zwykle konieczne, by wybiórczo usunąć jedną z warstw, by otrzymać swobodną ruchomą
strukturę i ta warstwa nazywana jest jako warstwa ofiarna
(poświęcona) (sacrifical).
W tym procesie jest ważne, żeby podczas usuwania ofiarnej
warstwy nie uszkodzić pozostałych mechanicznych warstw
albo elektroniki.
W wielu przypadkach środek trawiący może uszkodzić
podzespoły elektroniczne. W ostatnich latach alternatywne techniki
mikroobróbki były rozwijane, jedną z bardziej znanych jest proces
LIGA. Różne rodzaje MEMS i NEMS znalazły zastosowanie
w mikroczujnikach i mikroaktuatorach.
W zależności od zastosowań różne rodzaje przetworników są
wykorzystawane:
elektromechaniczne,
elektro-magnetomechaniczne, elektro-opto-mechaniczne czy nawet elektro-chemoopto-mechaniczne. Zwykle, optyczne systemy działają szybciej są
prostsze i bardziej efektywne od systemów elektromechanicznych.
Jednakże, optyczne systemy są zaprojektowane dla różnych
aplikacji mikroczujników i nie mogą być zastosowane jako samodzielne elementy wykonawcze.
W zastosowaniach istotne są wymagania dotyczące wpływu
zakłóceń elektromagnetycznych, wpływu temperatury, drgań,
promieniowania. Wielkość elementów wykonawczych (mikro-, nanoskala) jest określona przez siłę albo moment obrotowy oraz wybór
odpowiednich materiałów.
Wybór materiałów pozwala uzyskać odpowiednie gęstości
energii pól elektromagnetycznych, co ogranicza wymiary elementów
wykonawczych.
Obecne badania i rozwój NEMS oraz molekularnej
nanotechnologii są w pierwszym rzędzie skoncentrowane
na projektowaniu, modelowaniu i symulacji oraz wytwarzaniu
urządzeń w nano skali.
Dla kontrastu urządzenia MEMS zwykle są wytwarzane przy
użyciu technologii CMOS [1], mikroobróbki powierzchni (technologia
LIGA) oraz technologii mokrego i suchego trawienia.
Często
ważne
jest
zasilanie
MEMS
w
energię
np. elektromagnetyczny MEMS integralne połączony z ruchomą
mikrostrukturą albo mikroprzetworniki mogą być sterowane przez
ICs wykorzystujących energii elektromagnetyczną promieniowania.
194
Zastępując technologię połączeń drutowych pomiędzy
sensorami, aktuatorami i układami sterującymi technologią
scalonych połączeń przestrzennych (flip-chip) wewnątrz układu
scalonego eliminuje się wpływ pasożytniczych rezystancji,
pojemności i indukcyjności.
W rezultacie pozwala to zwiększyć niezawodność pracy,
trwałość, redukując wymiary i masę. Na przykład mikro-przetwornik
może być montowany z polami kontaktowych dla elektrycznych
i mechanicznych połączeń w podłożu chipu. Chip z umieszczonymi
sensorem i aktuatorem został pokazany na Rys. 7.2.
Rys. 7.2 Monolityczny chip z sensorami i aktuatorami [18]
Dla dużej skali integracji MEMS (pojedynczy chip, może zostać
tanio wyprodukowany w skali masowej przy użyciu technologii
CMOS, mikroobróbki, LIGA i innych technologii) można zintegrować
układy:
•
mikroprzetworników (elementów
i inteligentnych struktur),
•
układów scalonych IC,
•
urządzeń telekomunikacyjnych,
•
układów optycznych,
•
procesorów, pamięci,
•
układami wejścia-wyjścia (IO).
wykonawczych,
sensorów
W ten sposób, w oprócz możliwości wytwarzania siły, momentu
(aktuator) i wykrywania (sensor) (wykonywanych przez mikroprzetworniki zintegrowane z IC i komunikujących się np. drogą
radiową), realizowane są procesy obliczania, komunikacji, połączeń
sieciowych, przetwarzania sygnałów.
Wiele systemów z sensorami i aktuatorami połączonych jest
za pomocą sieci światłowodowej. Niektóre z przetworników
195
optoelektronicznych mogą być zintegrowane w jednym chipie
(MOEMS), również rozwój technologii światłowodów planarnych
spowodował możliwość realizacji czujników światłowodowych
na jednym podłożu.
Samoloty, statki kosmiczne, pociski są kontrolowane poprzez
przemieszczanie powierzchni sterujących, jak również przez
ustawianie regulującej powierzchni i geometrii skrzydła.
Rozważmy obiekt w postaci samolotu w czasie jego lotu.
Na przykład lotki, windy, płetwy, stery, stabilizatory współczesnego
samolotu mogą zostać kontrolowane przez micro - elementy
wykonawcze przy użyciu MEMS - bazujących na inteligentnej
technologii elementów wykonawczych.
Ta technologia elementów wykonawczych jest bardzo
przydatna w lotniczych aplikacjach.
Rys. 7.3 System sterownia samolotem z sensorami i aktuatorami [17]
Zastosowanie
mikroprzetworników
pozwala
sterować
aerodynamicznym strumieniem minimalizując opór aerodynamiczny.
Dodatkowo lepsze są parametry dynamiczne w czasie lotu takie jak:
zwrotność, sterowność, stabilność. Mikrosiłowniki wytwarzają
znacznie mniejszą siłę oraz mniejszy momentu obrotowy
w porównaniu do konwencjonalnych elementów wykonawczych,
z powodu mniejszych wymiarów.
Jednakże,
mikroaktuatory
zintegrowane
z
układami
hybrydowymi w dużej skali w wielowęzłowy układ (kontrolowany
przez hierarchicznie systemy rozproszone), mogą rozwinąć
odpowiednią siłę i uruchomić powierzchnie sterujące samolotu.
Sztuczne elementy wykonawcze takie jak elektromagnetyczne,
elektrostatyczne, hydrauliczne, termiczne i akustyczne oraz inne
silniki są urządzeniami, które otrzymują sygnały sterujące
196
(za pomocą pola elektromagnetycznego, naprężenia lub ciśnienia,
temperatury, itp.) i wytwarzają odpowiednią siłę lub moment.
Istnieje wielka liczba biologicznych (np. meduza, ludzkie oko)
elementów wykonawczych.
Biologiczne organy wykonawcze są oparte na elektromagnetycznych - mechanicznych- chemicznych i optycznych
zjawiskach oraz procesach.
Podstawowe parametry charakteryzujące czujniki to:
1.
zakres pomiarowy wejściowy i zakres sygnału wyjściowego,
2.
wyjściowy sygnał niezrównoważenia
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, niepewność pomiarowa,
6.
zakres temperaturowy pracy.
przy
braku
sygnału
Podstawowe rodzaje czujników:
1.
Czujniki do pomiaru wielkości mechanicznych:
Przemieszczenia,
drgań,
ciśnienia, przepływu,
prędkości,
przyspieszenia,
2.
Czujniki do pomiaru temperatury, różnicy temperatur, strumienia
cieplnego,
3.
Czujniki do pomiar pola magnetycznego, elektrycznego,
4.
Czujniki do pomiaru wielkości optycznych,
przesunięcia fazowego, widma optycznego,
5.
Czujniki do pomiaru wielkości chemicznych:
natężenia,
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:
197
1.
piezorezystancyjne i piezoelektryczne,
2.
termiczne,
3.
pojemnościowe, indukcyjne, elektromagnetyczne,
4.
ultradźwiękowe,
5.
optyczne, światłowodowe i optoelektroniczne,
6.
półprzewodnikowe,
7.
rezonansowe.
W przypadku miniaturowych struktur zwłaszcza wykonywanych
na podłożach krzemowych zastosowanie danego typu przetwornika
może być ograniczone ze względów technologicznych.
Rozwiązania miniaturowych aktuatorów wytwarzanych na podłożach krzemowych dotyczą przede wszystkim:
1.
mikrosiłowników liniowych,
2.
mikrosilników,
3.
mikrozaworów,
4.
mikropomp.
W większości przypadków mikroaktuatorów wykorzystuje się
takie same rodzaje przetworników jak w przypadku mikrosensorów.
7.3.
Podstawowe technologie stosowane
w mikroczujnikach i mikroaktuatorach
krzemowych
Konwencjonalne technologie stosowane w metalurgii takie jak
obróbka skrawaniem, tłoczenie i inne zostały zastąpione
technologiami pozwalającycmi zminiaturyzować sensory i aktuatory.
Rozwój mikroelektroniki zaowocował powstaniem wielu procesów
np. fotolitografii, które zostały wykorzystane w produkcji
mikroprzetworników
na
podłożach
krzemowych
(MEMS).
Podstawowymi zaletami nowych technologii jest możliwość
wytwarzania jednocześnie (w jednym procesie) wielu setek
lub nawet tysięcy elementów na krzemowych płytkach (o średnicach
6,8,12 cali i większych), z dużą powtarzalnością otrzymanych
parametrów, przy niewielkiej liczbie braków.
198
Dodatkowo otrzymane struktury charakteryzują się duża
gęstością upakowania elementów (np. czujnik z układami
wznacniającymi w jednym chipie), co pozwala zmniejszyć wymiary,
masę, redukuje zapotrzebowanie na energię i zwiększa odporność
na zakłocenia.
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).
Obecnie proces uruchomienia produkcji MEMS składa się
z wielu etapów, najważniejsze to:
1.
komputerowe projektowanie, optymalizacja i symulacja struktur
mikromechanicznych i mikroelektronicznych,
2.
przeniesienie zaprojektowanych komputerowo wzorów na optyczne maski,
3.
wytwarzanie wieloetapowo w dużych seriach struktur,
4.
procesy podziału dużych płytek krzemowych z tysiącami struktur
na pojedyncze elementy i procesy hermetycznego pakowania,
5.
testowanie wykonanych sensorów, aktuatorów.
Podstawowym materiałem, na którym wykonywane są struktury
jest monokrystaliczny krzem w postaci cienkich płytek (wafer)
o kształcie kołowym.
Ze względów technologicznych (procesy trawienia) ważna jest
orientacja kryształów krzemu w płytce. Posługując się system
oznaczeń wg indeksu Millera (Rys. 7.4) najważnieszymi
płaszczyznami, które znajdują zastosowanie w MEMS są płaszczyzny <100>, <111>, <110>.
Krzem jest materiałem o dużej wytrzymałości, sztywności
mechanicznej i dobrej przewodnośći termicznej. Kryształy krzemu
charakteryzują się brakiem histerezy mechaniczej i małym
tłumieniem wewnętrznym. Mechaniczne i elektryczne własności są
kontrolowane za pomoca wysokiej jakości obróbki i dużej czystości
materiałów wejściowych.
199
Rys. 7.4 System oznaczeń dla kierunków i płaszczyzn krystalograficznych [5]
Wiele procesów mikroelektronicznych znalazło zastosowanie
w produkcji MEMS, takich jak epitaksja (wytwarzanie piezorezystywnych elementów w strukturze), warstwy polisilikonu
(wytwarzanie tranzystorów MOS i cienkich warstw w strukurach
mechnicznych).
Rys. 7.5 Standardowe oznaczenia typowych płytek krzemowych [5]
Tab. 7.1 Własności podstawowych materiałów występujących w MEMS [5]
Gęstość
(g/cm3 )
Moduł
Younga
(1011Pa)
Naprężenie
graniczne
(109 Pa)
1415
1900
Współczynnik
rozszerzalności
termicznej
(×10-6/0C)
2,5
2,8
2,4
1,48
1,3-1,69
2,43
6,9
14,0
1600
0,5
2,27
0,73
8,4
660
25
2,70
0,70
0,17
Materiał
Temperatura
topnienia
(0C)
Krzem
Azotki
krzemu
Dwutlenek
Krzemu
Aluminium
200
Rys. 7.6 Podstawowe etapy procesu fotolitografii [4]
nałożenie cienkiej warstwy, naświetlanie poprzez maskę emulsji
światłoczułej,
usunięcie nie naświetlonych powierzchni emulsji
wytrawienie cienkiej warstwy w miejscach nie osłoniętych emulsją
Proces wytwarzania elementów można podzielić na dwie klasy:
obróbkę objętościową i powierzchniową.
Obróbka objętościowa umożliwia wykonywanie struktur
przestrzennych (Rys. 7.7), takich jak membrany, belki. Zwykle
otrzymanie takich struktur wymaga głębokiego trawienia krzemu
(metodą mokrą).
Mikroelektromechaniczne systemy (MEMS) łączą jeden
lub wiele rodzajów mikromechanicznych elementów takich jak
membrany, belki jedno i dwustronnie zamocowanych, koła i osie,
z elementami mikroelektronicznymi.
Jednym z fundamentalnych procesów wytwarzania jest
fotolitografia, która pozwala precyzyjnie odwzorować za pomocą
odpowiedniej maski zaprojektowany kształt na obrabianej
powierzchni. Dokładność odwzorowania zależy od rodzaju maski
(rodzaj szkła, materiału), czułości fotoemulsji oraz długości fali
światła. Na Rys. 7.6 pokazano najważniejsze etapy w procesie
fotolitografii.
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 ok. 200 razy szybciej (roztwory
KOH) [2].
201
Rys. 7.7 Przekrój poprzeczny płytki krzemowej z wykonanymi elementami
a-membrana, b- belka jednostronnie zamocowana
Ta własność jest wykorzystywana do wykonywania membran,
rowków typu V lub otworów (Rys. 7.8).
Do anizotropowego trawienia krzemu stosuje się roztwory
alkaliczne na bazie wodorotlenku potasu (KOH), czterometylo amonowy wodorotlenek (TMAH) lub mieszanin na bazie
etylenodiaminy (EDP). W zależności od stężenia, temperatury oraz
dodatkowych składników szybkość trawienia różnych powierzchni
będzie inna.
Do izotropowego trawienia krzemu i polikrzemu stosuje się
roztwory na bazie kwasów, są to najczęściej mieszaniny kwasu
fluorowodorowego i azotowego.
Rys. 7.8 Proces anizotropowego trawienia płytki krzemowej <100> typu n [6]
a- na górnej powierzchni płytki wykonana maska z azotku krzemu
(po procesie fotolitografii), w dolnej części warstwa domieszkowana typu p
(proces epitaksji ) [5]
b- częściowo wytrawiona płytka krzemowa,
c- zakończenie procesu trawienia
wykonane elementy: v-rowek, otwór, membrana
Obróbka głęboka krzemu wymaga stosowania roztworów
trawiących selektywnie, tzn. usuwane są tylko odpowiednie
materiały np. zastosowanie roztworu na bazie kwasu fluorowodo202
rowego pozwala wytrawić warstwę SiO2 nie uszkadzając
naświetlonej i utwardzonej fotoemulsji (dla większości fotoresistów
pozytywowych).
Odmianą
trawienia
chemicznego
jest
trawienie
elektrochemiczne, wówczas w roztworze trawiącym umieszczone są
elektrody, przez które przepływa prąd. Proces używany jest
do selektywnego trawienia, ponieważ wprowadzone do płytki
krzemowej złącza p-n ograniczają szybkość trawienia (Rys. 7.8).
Obróbka powierzchniowa wymaga zastosowania tzw. warstw
poświęcanych inaczej ofiarnych (sacrificial) (warstwy, które są
usuwane w czasie procesów technologicznych) takich jak SiO2,
polisilikon. W rezultacie otrzymuje się mechaniczne elementy
ruchome na powierzchni podłożą krzemowego. Tą metodą
wykonywane są np. grzebieniowe czujniki przyspieszenia.
Przykład procesu obróbki na powierzchni pokazano
na Rys. 7.9
Rys. 7.9 Wykonanie ruchomej belki z polisilikonu w procesie obróbki
powierzchniowej [5], warstwa maskująca z tlenku krzemu na powierzchni
płytki krzemowej, osadzenie warstwy z polisilikonu, usunięcie warstwy
maskującej z tlenku krzemu
Pokazane procesy są często uzupełniane mikroelektroniczną
obróbką, dzięki której na jednej płytce krzemowej otrzymujemy
strukturę mikromechniczną oraz elementy elektroniczne.
Technologia CMOS jest stosowana w elektronice do wytwarzania
m.in. tranzystorów CMOS, ale może być też użyta do wykonywania
elementów mikromechanicznych jak np. belki.
W tej technologii wykorzystuje się ograniczenie szybkości
trawienia w warstwie epitaksjalnej (proces CMOS).
Obróbka mokra stosowana do głębokiego lub powierzchniowego trawienia może być uzupełniona procesem trawienia suchego
(plazmowego). Trawienie plazmowe jest procesem izotropowym,
w którym materiał podlega reakcji z jonami gazu. Stosowane gazy to
203
często CF4 (czterofluorek węgla) lub SF6 (sześciofluorek siarki).
Proces plazmowego trawienia jest procesem czystym i precyzyjnym,
może być stosowany do wielu materiałów, ale wymaga doboru wielu
parametrów takich jak skład gazu, odpowiedniego ciśnienia,
temperatury płytki krzemowej, przepływu gazu. Szybkość trawienia
jest jednak znacznie mniejsza niż w przypadku trawienia mokrego
[4].
Procesy technologiczne wymagają także wykonywania cienkich
warstw na podłożu krzemowym. Najstarszą metodą nanoszenia
cienkich warstw jest metoda naparowania termicznego.
W warunkach próżni materiały metaliczne takie jak aluminium są
podgrzewane to temperatury parowania. Wyparowywany materiał
osadza się na podłożu, którym może być płytka krzemowa.
Metoda CVD (Chemical Vapor Deposition) jest metodą
osadzania z fazy gazowej. Metoda CVD jest używana do wytwarzania cienkich warstw z takich materiałów jak polisilikon, azotek
krzemu Si3N4. Odmianą tej technologii jest metoda LPCVD (Low
Pressure Chemical Vapor Deposition), w której osadzane produkty
z fazy (otrzymane w wyniku reakcji chemicznych) wytwarzane są
przy bardzo niskim ciśnieniu.
Alternatywną metodą osadzania warstw w stosunku do CVD,
LPCVD jest metoda osadzania plazmowego (PECVD).
Odmianą plazmową nanoszenia cienkich warstw jest rozpylanie
jonowe (magnetron sputtering) w polu magnetycznym.
Taką metodą otrzymuje się cienkie warstw np. piezoelektryków
(tlenek cynku).
7.4.
Mikrokrzemowe czujniki
Wykorzystując technologie otrzymywania MEMS oraz zjawiska
fizyczne można zaprojektować czujniki mikromechaniczne do pomiaru różnych wielkości.
Przykładowo membrany krzemowe z piezorezystorami
stosowane są w czujnikach ciśnienia, ruchoma belka z masą
obciążającą
może
być
z piezorezystorami
lub
układem
grzebieniowych elektrod (zmiana pojemności) wykorzystana
w akcelerometrach. W wielu przypadkach sygnał analogowy
z sensora musi być wzmocniony, może też być przetworzony
na sygnał
cyfrowy
lub
może
występować
w
postaci
częstotliwościowej. W większości przetwarzanie sygnałów odbywa
204
się w układach elektronicznych umieszczonych na tym samym
podłożu krzemowych co sensor.
W niektórych rozwiązaniach czujników stosuje się różne
rodzaje generowanych fal akustycznych, np. oscylatory z powierzchniowymi lub płytowymi falami występują w sensorach do detekcji
różnego rodzaju gazów, pomiarów grubości cienkich warstw.
Ważną informacją dla użytkownika są takie parametry jak:
1.
sygnał niezrównoważenia (offset)) i jego zmiana w czasie (offset
drift),
2.
histereza,
3.
czułość i zmiana czułości w czasie,
4.
charakterystyka przetwarzania,
5.
wpływ innych parametrów (zakłóceń, np. temperatury) na sygnał
wyjściowy.
Znając te parametry można zaprojektować czujnik, w którym
zminimalizuje się lub skompensuje wpływ niekorzystnych efektów.
7.4.1.
Przetworniki piezorezystancyjne
Zjawisko piezorezystywności w krzemie jest spowodowane
anizotropowym rozkładem pasm energetycznych w różnych kierunkach sieci krystalograficznej [7]. Przy braku mechanicznego
oddziaływania, dzięki równemu i symetrycznemu rozłożeniu
nośników prądu między minimami energetycznymi pasma
przewodnictwa, sumaryczna ruchliwość jest niezależna od orientacji
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 piezorezystywności π charakteryzuje właściwości elementu piezorezystora, ma charakter anizotropowy i jest różny
dla materiału typu n i p.
π=
Δρ (σ ) 1
ρ0
σ
(7.1)
Gdzie: ε - odkształcenie, π - współczynnik piezorezystywności
σ - naprężenia, ρ - rezystywność
205
Współczynniki π dla kierunku podłużnego piezorezystora są
oznaczane jako πl, a dla kierunku poprzecznego jako πt.
Współczynniki πl, πt są wyznaczane na podstawie współczynników
piezorezystywności dla podstawowych kierunków krystalograficznych oraz dla typu n lub p materiału. Dla piezorezystorów o kierunku
ułożenia zgodnym z osią krystalograficzną <110> i krzemu typu p,
współczynnik πl wynosi ok. 2,2 *10-10 m2/N.
Dla przypadku płytki z krzemu monokrystalicznego <100>,
(typu p) maksymalne wartości współczynników πl i πt występują dla
kierunku równoległego do płaszczyzny powierzchni płytki
(Rys. 7.11).
Jeżeli na piezorezystor działają naprężenia σl w kierunku
podłużnym i naprężenia σt w kierunku poprzecznym, to zmiany
rezystancji R wywołane tymi naprężeniami wynoszą:
ΔR
(7.2)
= π lσ l + π tσ t
R
Parametrem pozwalającym porównać różne piezorezystory
wytwarzane w różnych materiałach jest współczynnik czułości
odkształceniowej G:
ΔR 1
(7.3)
R0 ε
Gdzie: ΔR/R0 jest względną zmianą rezystancji wywołaną
odkształceniem ε.
G=
Ważnym parametrem jest temperaturowy
rezystancji TCR (typowe wartości ok. 2500 ppm/ºC):
TCR =
ΔR 1
RT 0 ΔT
współczynnik
(7.4)
Gdzie: ΔR/RT0 jest względną zmianą rezystancji wywołana
zmianą temperatury ΔT.
Piezorezystory są elementami wykorzystywanymi najczęściej
w czujnikach ciśnienia, akcelerometrach, sensorach przepływu
(pomiar różnicy ciśnień).
206
Rys. 7.10 Przekrój poprzeczny przez ruchomą belkę z piezorezystorami
(czujnik przyspieszenia)
Maksymalne naprężenia występują na końcach zamocowania
belki do podłoża i masy ruchomej. Piezorezystor powinien być
umieszczony w miejscu gdzie występują maksymalne naprężenia
podczas uginania się belki (membrany). Piezorezystory powinny być
zatem 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 dugi rozciągającym
pozwala zwiększyć sygnał wyjściowy dwukrotnie (układ pomiarowy
pół-mostkowy) (Rys. 7.10). Zmiana rezystancji wywołana tymi
naprężeniami wynosi odpowiednio R - ΔR i R + ΔR.
Dla membrany można zastosować układ pełnego mostka
z czterema piezorezystorami i w rezultacie sygnał wyjściowy
zwiększa się czterokrotnie w stosunku do pojedynczego
piezorezystora (Rys. 7.12). Schemat elektryczny piezorezystorów
połączonych w układ mostka pokazano na rysunku Rys. 7.12.
Jednocześnie zmniejsza się wpływ temperatury na sygnał
wyjściowy.
Rys. 7.11 Przekrój poprzeczny struktury krzemowej z membraną
i piezorezystorami [6], (czujnik ciśnienia, P1 i P2 ciśnienia działające
na membranę)
207
Rys. 7.12 Schemat elektryczny czterech piezorezystorów w układzie
mostkowym
Na rysunku Rys. 7.13 pokazano w jaki sposób umieszczone
zostały piezorezystory na powierzchni membrany.
Rys. 7.13 Przekrój poprzeczny przez strukturę i widok z góry czujnika
ciśnienia [6]
(zaznaczono miejsca umieszczenia piezorezystorów)
Rys. 7.14 Proces wytwarzania membrany czujnika ciśnienia
bezwzględnego [5]
Procesy trawienia anizotropowego umożliwiają otrzymanie
membran o kształcie prostokątnym (kwadratowym). Korzystniejsze
własności pomiarowe zapewniają konstrukcje z membranami
o kształcie koła. W takim przypadku umieszczając piezorezystory
na powierzchni membrany w kierunku działania naprężeń
promieniowych σr i naprężeń stycznych σt otrzymamy zależność
rezystancji tych piezorezystorów od naprężeń i odpowiednio
od różnicy ciśnień Δp działających na membranę:
σr =
208
r2
3R2
[(
1
+
ν
)
−
(
3
+
ν
)
]Δp
R2
8h2
(7.5)
r2
3R 2
σ t = 2 [(1 + ν ) − (1 + 3ν ) 2 ]Δp
8h
R
(7.6)
Gdzie: R- promień membrany kołowej,
h - grubość membrany,
r - odległość piezorezystorów od środka membrany,
ν - współczynnik Poissona,
Dla r = 0 naprężenia promieniowe i styczne są sobie równe, dla r = R
różnica miedzy naprężeniami jest maksymalna.
Z zależności (7.1), (7.2), (7.5) i (7.6) wynika, że zmiana
rezystancji poszczególnych piezorezystorów będzie zależna
od różnicy ciśnień działających na membranę, zastosowanie układu
mostkowego zwiększa sygnał (w przypadku idealnie równych
piezorezystorów czterokrotnie) oraz ogranicza wpływ temperatury,
ponieważ zmiany temperatury oddziaływują w jednakowym stopniu
na każdy z piezorezystorów. Z podanych zależności wynika również,
że charakterystyka zmian rezystancji w funkcji różnicy ciśnień jest
liniowa (zakres liniowości jest ograniczony wartościami naprężeń,
jakością wykonanych piezorezystorów i zastosowanych materiałów).
Konstrukcja czujnika pokazana na rysunku Rys. 7.10, może
być zastosowana do pomiaru niewielkich sił działających na koniec
ruchomej belki (np. pomiary w mikroskopii sił atomowych rzędu
10-9 N). Ugięcie belki o wartość z dla siły działającej w kierunku
prostopadłym do powierzchni membrany powoduje zamiany
rezystancji piezorezystorów umieszczonych podłużnie Rl i poprzecznie Rt do powstających naprężeń, które wynoszą odpowiednio:
ΔR 2
= π t Ehz
Rt 3
(7.7)
ΔR 2
= π l Ehz
Rl 3
(7.8)
Gdzie: E - moduł Younga krzemu,
l, h - długość i grubość belki
Analogiczne zależności dla siły F działającej na końcu belki
i wywołującej jej ugięcie są następujące F = kz (k stała sprężystości
belki, dla prostopadłościennej belki k = Edh3/4l3 ):
209
ΔR
6
= 2 π t lF
Rt bh
(7.9)
ΔR
6
= 2 π l lF
Rl bh
(7.10)
Gdzie: b - szerokość belki
Struktura MEMS pokazana na rysunku Rys. 7.10 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:
d 2z
dz
d 2x
m 2 + D + kz = −m 2
dt
dt
dt
(7.11)
a=
2
d x
dt 2
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
Równania (7.11) w postaci operatorowej ma postać:
Z ( s) = −
m
X&& ( s )
ms + Bs + k
2
Transmitancja K(s)=Z(s)/X(s) wynosi:
210
(7.12)
K ( s) = −
s2
ω 02 + 2ξω 0 s + s 2
(7.13)
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
wartość ω0, 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 (częstotliwość rezonansowa belki
h
E
wynosi f 0 ≅ 3,52
, d - gęstość krzemu) ograniczy czułość
2
4πl 3d
przetwarzania. Optymalna wartość tłumienia ξ powinna wynosić
ok. 0,7.
Ze wzorów (7.7) i (7.8) wynika, że mierząc rezystancję
piezorezystorów możemy zmierzyć przemieszenie belki z, a zatem
pośrednio wartość przyspieszenia a.
7.4.2.
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 mikromechnicznych
są obowiązujące jak w przypadku akcelerometru piezoelektrycznego.
Na rysunku Rys. 7.15 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.
211
Rys. 7.15 Podstawowa struktura akcelerometru z elektrodami
grzebieniowymi przetwornika pojemnościowego
Na rysunku Rys. 7.17 pokazano konstrukcję MEMS czujnika
przyspieszenia z przetwornikiem pojemnościowym umieszczonym
na jednym podłożu krzemowym z układami elektronicznymi.
Pokazana konstrukcja została wykonana w firmie Analog Devices,
która była pionierem wprowadzania przetworników pojemnościowych w MEMS m.in. stosowanych w czujnikach przyspieszenia
w poduszkach powietrznych.
Inny rodzaj konstrukcji MEMS pokazano na rysunku Rys. 7.16,
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 rysunku Rys. 7.15, Rys. 7.17, gdzie decydującą była obróbka
powierzchniowa.
Rys. 7.16 Konstrukcja MEMS w czujniku przyspieszenia
(przekrój poprzeczny i widok z góry)
212
Rys. 7.17 Struktura MEMS w akcelerometrze firmy Analog Devices
(widoczne są elektrody przetwornika pojemnościowego) [6]
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).
Rys. 7.18 Zasada działania przetwornika pojemnościowego w układzie
różnicowym
Dla przetwornika o płaskich równoległych elektrodach można
wyodrębnić dwa podstawowe kierunki ruchu równoległy
i prostopadły do powierzchni elektrod. Na rysunku Rys. 7.19
pokazano geometrię płaskiego przetwornika.
Pojemność
takiego
przetwornika
dla
przesunięcia
równoległego wynosi:
213
C ( x) = ε
( L x − x) L y
z
(7.14)
Dla przesunięcia prostopadłego elektrod, mamy:
C ( z) = ε
Lx L y
z
(7.15)
Gdzie: Lx, Ly,, z - wymiary elektrod (Rys. 7.19),
ε - współczynnik przenikalności dielektrycznej
Rys. 7.19 Układ elektrod pojemnościowego przetwornika płaskiego
Pojemność przetwornika wieloelektrodowego (Rys. 7.15
i Rys. 7.16) odpowiada wielokrotności pojemności dla podstawowej
konfiguracji (jednej pary elektrod). Na rysunku Rys. 7.20 pokazano
konstrukcję przepływomierza gazowego z przetwornikiem pojemnościowym.
Rys. 7.20 Przepływomierz gazowy z pojemnościowym przetwornikiem
214
Przepływający gaz przez odpowiednio kalibrowane otwory
w płytce szklanej powoduje powstanie różnicy ciśnienia Δp, które
z kolei powoduje ugięcie cienkiej membrany. Jedna z elektrod
przetwornika pojemnościowego umieszczona jest na powierzchni
membrany. W rezultacie przepływający gaz spowoduje zmianę
pojemności przetwornika (7.16).
Przepływającą masę gazu (przepływomierz masowy) można
wyznaczyć z zależności (7.17).
ΔC
= c' Δp
C
(7.16)
Δm x
= c' ' Δp
Δt
(7.17)
Gdzie: c, c’’ - stałe,
Δp = p2-p1,
Δmx - masa gazu przepływająca w czasie Δt
Konstrukcje różnicowe (Rys. 7.18) pozwalają wyeliminować
lub ograniczyć wiele czynników zewnętrznych np. wpływ
zewnętrznych
pól
elektromagnetycznych.
Charakterystyka
przetwarzania jest liniowa lub hiperboliczna (ε - constans).
Współczynnik czułości będzie zależał od współczynnika ε
i konstrukcji przetwornika. Przetwornik ma bardzo dobre własności
dynamiczne i ograniczenia częstotliwościowe wynikają z własności
mechanicznych struktury.
7.4.3.
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) [22].
Rezystancja cienkowarstwowego opornika jest zależna
od temperatury. Bardzo dobrymi parametrami charakteryzują się
zintegrowane rezystory platynowe. Mają mniejsze rozrzuty
215
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 (Rys. 7.12) pozwala
ograniczyć ten wpływ.
Wykorzystanie złącza p-n umożliwia pomiar temperatury
zgodnie ze znaną zależnością:
I = I 0 (exp
qU
− 1)
kT
(7.18)
Gdzie: I0 - prąd wsteczny złącza,
q - ładunek elektronu,
k - stała Boltzmana,
T - temperatura (stop K),
U - napięcie na złączu
Dla złącza spolaryzowanego w kierunku przewodzenia,
napięcie U na złączu będzie zależało od temperatury. Stosując
tranzystory bipolarne oraz tranzystory MOS, CMOS można
wykorzystując zależność ich parametrów od temperatury budować
różnego rodzaju czujniki.
Termoelementy jako przetworniki generacyjne znalazły
szerokie zastosowanie w MEMS do pomiaru temperatury. Dla dwóch
różnych elementów najczęściej metalicznych połączonych ze sobą
na jednym końcu i w danej temperaturze (mierzonej), których wolne
końce umieszczone są w temperaturze odniesienia generowany jest
sygnał SEM (na wolnych końcach).
Rys. 7.21 Konstrukcja przepływomierza z przetwornikami termicznymi [5]
216
Powstająca SEM jest proporcjonalna do różnicy temperatur
między obu końcami termoelementu oraz zależy od własności
materiałowych
obu
elementów(
współczynnik
Seebeck’a).
W technologiach MEMS często stosuje się do budowy
termoelementów
aluminiumpolikrzem
(znaczna
różnica
współczynników Seebeck’a), a także platynę, nikiel, chrom.
Na dokładność pomiaru temperatury ma wpływ stabilność
współczynników Seebeck’a użytych materiałów oraz stabilność
(lub znana wartość) temperatury odniesienia.
Rys. 7.22 Konstrukcja przepływomierza z przetwornikami
termoelektrycznymi [7]
Przykład zastosowania przetworników termicznych do pomiaru
przepływu gazu (termoanemometr) pokazano na rysunku Rys. 7.21.
Przepływomierz pozwala na pomiar przepływu gazu w dwóch
kierunkach. Zastosowany został układ czterech termoelementów
oraz układ grzejników zamontowanych na czterech cienkich belkach
połączonych w układzie krzyża (Rys. 7.22). Grzejniki podgrzewają
belki i przy braku przepływu gazu ustala się rozkład temperatur dla
całej struktury. Przepływ gazu (o niższej temperaturze) powoduje,
że zmienia się rozkład przestrzenny temperatur.
Zastosowanie termoelementów (termopar) pozwala zmierzyć
temperatury poszczególnych belek z niewielką stałą czasową.
Na rysunku Rys. 7.21 pokazano zmianę rozkładu temperatury dla
przepływu w kierunku x, w takim układzie dwa pozostałe
termoelementy (dla kierunku y) pełnią rolę pomiaru temperatury
odniesienia i pozwalają ograniczyć wpływ temperatury otoczenia
(temperatury gazu).
Po odpowiednim wykalibrowaniu przetwornika pomiar różnicy
temperatur pozwala wyznaczyć prędkość przepływu gazu.
Na podobnej zasadzie mogą działać czujniki do pomiaru
innych wielkości np. przyspieszenia. Zmiana rozkładu temperatury
w strukturze MEMS następuje na skutek drgań masy sejsmicznej.
Zastosowanie termoelementów o niewielkich stałych czasowych
217
umożliwia dynamiczny pomiar gradientu temperatury, a więc także
pomiar przemieszczania się ruchomej masy.
7.4.4.
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 Rys. 7.23.
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
jest 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.
Rys. 7.23 Zasada działania przetworników piezoelektrycznych
W mikrosensorach na podłożach krzemowym wykorzystuje
zjawisko piezoelektryczne występujące w cienkich warstwach.
Materiałami stosowanymi są między innymi tlenek cynku ZnO,
niobian litu LiNBO3.
Jeżeli na cienką warstwę piezoelektryka (Rys. 7.24) działa siła
f1 to wywołuje ona naprężenia i na elektrodach piezoelektryka
pojawiają ładunki elektryczne q oraz wytwarza się siła elektromotoryczna V3 pomiędzy elektrodami przetwornika (Rys. 7.24). Pod wpły218
wem działania siły rozciągającej następuje wydłużenie y1 piezoelektryka. To zjawisko wykorzystywane jest w sensorach, natomiast
jeżeli doprowadzimy napięcie do elektrod przetwornika to
generowana jest siła f1 i pojawia się odkształcenie y1 piezoelektryka
- wówczas można to wykorzystać w aktuatorach. Na rysunku
Rys. 7.24 pokazano przetwornik z cienką prostopadłościenną
warstwą piezoelektryczną, na którą działa siła f1.
Dla niewielkich wartości naprężeń działających w obszarze
liniowym (materiał doskonale sprężysty) można zapisać:
f1 =
1
y1 − eV3
sE
q = ey1 + c SV3
(7.19)
(7.20)
Gdzie: sE - współczynnik sprężystości materiału dla zerowego pola
elektrycznego
cS - pojemność piezoelektrycznej warstwy dla stałego
odkształcenia
e - współczynnik określający zmianę ładunku wywołanego
odkształceniem
Rys. 7.24 Przetwornik z cienką warstwą piezoelektryczną [18]
Generalnie współczynniki występujące we wzorach są składowymi wektorowymi W ogólnym przypadku własności piezoelektryczne i piezoelektromechaniczne są opisane za pomocą
równań konstytutywnych dla materiału piezoelektrycznego,
w których występują wektory naprężeń, odkształceń, gęstości
ładunku elektrycznego wywołanego odkształceniem oraz wielkości
pola elektrycznego.
Materiały wykorzystywane w przetwornikach piezoelektrycznych charakteryzują się następującymi parametrami:
219
1.
współczynnik sprzężenia elektromechanicznego,
2.
współczynniki przenikalności dielektrycznej,
3.
stałe sztywności i sprężystości,
4.
stałe piezoelektryczne naprężenia i odkształcenia,
5.
współczynniki rozszerzalności termicznej i naprężeń termicznych.
Dla rezonatorów często podaje się jego dobroć lub współczynnik
stratności.
Na
rysunku
Rys.
7.25
pokazano
konstrukcje
przyspieszeniomierza z przetwornikiem piezoelektrycznym. Na masę
m działa siła dynamiczna spowodowana przyspieszeniem a.
Siła ta powoduje powstanie naprężeń w warstwie
piezoelektrycznej i kolejno ładunku oraz siły elektromotorycznej
na elektrodach przetwornika.
Rys. 7.25 Akcelerometr z przetwornikiem piezoelektrycznym
7.4.5.
Przetworniki rezonansowe i generacyjne
Przetworniki rezonansowe mogą znaleźć zastosowanie w wielu
mikromechanicznych sensorach [13]. Podstawowe struktury
rezonansowe wykonane są najczęściej w postaci belek
z jednostronnym lub dwustronnym zamocowaniem (układ mostu)
oraz membran. Elementy te są wprawiane w drgania za pomocą
przetworników elektrotermicznych, elektrostatycznych, piezoelektrycznych lub elektromagnetycznych. Do analizy drgań wykorzystuje się przetworniki piezorezystancyjne, piezoelektryczne, pojemnościowe, optyczne.
Dla belki zamocowanej jednostronnie, częstotliwość
rezonansowa dla modu podstawowego wynosi:
220
f0 = c
h
l2
E
(1 −ν 2 ) ρ
(7.21)
Gdzie: h, l - grubość i długość belki,
E- moduł Younga,
Ν - współczynnik Poissona,
ρ - gęstość krzemu,
c -współczynnik proporcjonalności ~ 0,62
Częstotliwość rezonansowa membrany kwadratowej dla modu
podstawowego różni do częstotliwości dla belki (7.21)
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.
Przykład czujnika z membraną jako elementem rezonansowym
pokazano na rysunku Rys. 7.26. Wykorzystano membranę w postaci
warstwy epitaksjalnej z wbudowanym grzejnikiem oraz piezorezystorami. Grzejnik rezystorowy zasilany jest impulsowo co powoduje pojawienie zmiennych naprężeń w membranie. Dobranie
parametrów grzejnika i membrany pozwala generować drgania
membrany we właściwym modzie. Do pomiaru amplitudy
i częstotliwości drgań zastosowano układ piezorezystorów. Zmiana
obciążenia powierzchni membrany (zmiana gęstości powierzchniowej, wpływ ciśnienia) spowoduje zmianę warunków pracy
membrany.
Czujnik o takiej konstrukcji może znaleźć zastosowanie
między innymi do pomiarów ciśnienia, przepływu, pomiarów lepkości
płynów.
Rys. 7.26 Mikrokrzemowy membranowy rezonator z przetwornikiem
termicznym [21]
221
W czujnikach generacyjnych wytwarzane są różnego rodzaje
fal mechanicznych. Ze względu na zakres częstotliwości nazywane
są falami ultradźwiękowymi.
W tabelach Tab. 7.2 i Tab. 7.3 podano podstawowe własności
fal ultradźwiękowych typu TSM (fale objętościowe), typu Rayleigha
(fale SAW powierzchniowe), typu Love (fale powierzchnowe)
oraz fale płytowe (FPW, SH-APM).
Tab. 7.2 Właściwości fal ultradźwiękowych stosowanych
w mikroczujnikach [8]
Rodzaj fali
Typ fali
Objętościowy
Powierzchniowy
Powierzchniowy
Płytowy
Kierunek
przemieszczeń
w stosunku do
kierunku
propagacji
Poprzeczny
Poprzeczny
Poprzeczny
Poprzeczny
Kierunek
przemieszczeń w
stosunku do
powierzchni
czujnika
Równoległy
Prostopadły
Równoległy
Prostopadły
TSM
Rayleigha
Love
Lamba
FPW
SH-APM
Płytowy
Poprzeczny
Równoległy
Gdzie d- grubość ośrodka, λ- długość fali.
Tab. 7.3 Właściwości fal ultradźwiękowych stosowanych
w mikroczujnikach [8]
Rodzaj Badane Grubość Czynniki określające Typowy zakres
fali
otoczeośrodka
częstotliwość
częstotliwości
nie
(MHz)
Gaz,
TSM
Grubość ośrodka
5-10
d=λ/2
ciecz
Raylei
Parametry
Gaz
30-300
d>>λ
gha
Przetwornika
Gaz,
Parametry
Love
30-300
d>>λ
ciecz
przetwornika
Lamba
Gaz,
Grubość, parametry
2-10
d<<λ
FPW
ciecz
przetwornika
SHGaz,
Grubość, parametry
20-200
d=(3-10) λ
APM
ciecz
przetwornika
222
Na rysunku Rys. 7.27 pokazano charakter generowanych fal.
Rys. 7.27 Porównanie przebiegu fal ultradźwiękowych [8]
A- widok z góry, B- widok z boku, C- przekrój poprzeczny poprzez podłoże
W tabeli Tab. 7.4 podano najczęściej wykorzystywane
zjawiska fizyczne w konstrukcji sensorów z różnymi rodzajami fal
ultradźwiękowych.
Podano również rodzaje stosowanych przetworników między innymi
IDT- przetworniki z elektrodami grzebieniowymi (międzypalczastymi)
na podłożu piezoelektrycznym,
EMT- przetworniki elektromagnetyczne z uzwojeniami umieszczonymi polu magnetycznym.
223
Tab. 7.4 Zastosowania mikroczujników z falami ultradźwiękowymi [8]
Rodzaj
fali
TSM
SAW
FPW
APM
224
Mechanizm przetwarzania
Napręże Lepkość
Zjawiska
Gęstość
i lepkość
nia
sprężyelektrocieczy
Wewnęstość
akustyczne,
trzne
magnetyczne
czujniki pomiary pomiary
Nie ma
pomiary
chemicz ciśnień, przemiany zastosowań ze gęstości
ne
przyspie- polimewzględu na
i
gazów i
szeń
rowe;
elektryczną lepkości
cieczy;
elektroizolację
detektory
chemipiezoelektryka
cząstek;
czne
pomiary
grubości
filmu
detektory pomiary przemiany przewodność pomiary
cząstek;
sił
polimeelektronowa gęstości
czujniki
rowe; (czujniki gazów);
i
chemicz
wykrywa- wolne dipole lepkości
ne
nie par
(pomiar
gazów
(gazów)
wilgotności)
czujniki pomiary przemiany
nie ma
pomiary
chemicz ciśnień,
polimezastosowań ze lepkości
ne
sił,
rowe;
względu na
i
gazów i przyspie- wykrywaseparację
gęstości
cieczy
szeń
nie par
elektryczną
(gazów) piezoelektryka,
pomiary
natężenia pola
magnetycznego
czujniki
nie ma
lepkość
jonowa
pomiary
chemicz zastoso dla w.cz., przewodność, lepkości
ne
wania
polime(pomiary w
cieczy
rowe
cieczach)
utwardzanie
Masa
Na rysunku Rys. 7.28 przedstawiono przebieg fali płytowej
w cienkiej membranie. Konstrukcję czujnika z przetwornikami IDT
umieszczonymi z warstwą piezoelektryczną na powierzchni
krzemowej membrany pokazano na rysunku Rys. 7.29.
W czujniku użyto dwóch przetworników IDT, z których jeden jest
nadajnikiem a drugi odbiornikiem. W cienkiej membranie generowana jest fala płytowa FPW.
Zmiana obciążenia powierzchni membrany wpływa na prędkość
fazową fali, zatem zmienia się czas przejścia fali między nadajnikiem
i odbiornikiem.
Rys. 7.28 Generowana fala płaska FPW (Lamba) za pomocą
przetworników IDT [8]
Rys. 7.29 Przekrój poprzeczny poprzez membranę krzemową z
przetwornikami IDT [9], Al- aluminiowe elektrody przetworników IDT, ZnOwarstwa piezoelektryczna z tlenku cynku, Si, SiO2, Si3N4 - materiał membrany
(czujnik z generowaną falą typu płytowego )
Prędkość fazową fali Vn można wyznaczyć:
⎛ 2π
1 ⎡
⎢Tx + ⎜⎜
Vn =
m0 ⎢
⎝ λn
⎣
2
⎞
E ⋅ h3
⎟⎟
2
⎠ 12 1 − ν
(
⎤
⎥⋅
⎥⎦
)
(7.22)
Gdzie: m0 - gęstość powierzchniowa membrany,
Tx - składowa naprężeń wewnętrznych (w kierunku osi X)
na jednostkę szerokości (oś Y),
kn = 2π / λn ; λn = λ0 / n, n - liczba naturalna 1,2,3,...;
kn - liczba falowa dla danego modu fali n
225
Prędkość fazowa jest zależna od: naprężeń Tx, efektywnej
sztywności na zginanie D, długości fali λn (λn = λ0 / n) oraz gęstości
powierzchniowej m0.
W przypadku obciążenia powierzchni membrany płynem
(ciecz, gaz), prędkość fazowa fali będzie zależna od efektu
masowego wywołanego tłumieniem fali przez płyn oraz poprzez
rozpraszanie energii fali wynikające z promieniowania energii
do otaczającego ośrodka.
Membranowe czujniki z falą płytową (FPW) mogą być użyte
w układach pomiarowych jako linia opóźniająca pasywna lub linia
opóźniająca aktywna w pętli sprzężenia zwrotnego generatora.
Czujniki mogą pracować z jednym lub dwoma przetwornikami
piezoelektrycznymi, elektromagnetycznymi lub elektrostatycznymi.
Najczęściej wykorzystuje się układ pomiarowy różnicowy
pracujący z czujnikiem odniesienia.
Pomiar prędkości dla modu zerowego fali Lambda można
uzyskać:
1)
poprzez pomiar częstotliwości fali o najmniejszym współczynniku tłumienia w linii opóźniającej,
2) poprzez wyznaczenie prędkości grupowej określonej za pomocą
pomiaru czasu opóźnienia impulsu dla częstotliwości
o minimalnym współczynniku tłumienia,
3)
poprzez wyznaczenie prędkości fazowej określonej dla znanej
długości fali i pomiaru częstotliwości generatora, w pętli którego
umieszczono linię opóźniającą.
Jeżeli membranowy czujnik z generowaną falą umieszczony
jest w pętli sprzężenia zwrotnego oscylatora, to jego częstotliwość
generacji jest wprost proporcjonalna do prędkości fazowej fali.
Zmiany prędkości fazowej będą powodowały zmiany częstotliwości
oscylatora tzn.:
f n, Δm / f n 0 = V n , Δm / V n 0
(7.23)
Gdzie: fn0 - częstotliwość przy braku obciążenia,
fn,Δm- częstotliwość przy obciążeniu Δm.
Dokładne wyznaczenie gęstości wymaga znajomości prędkości
fali akustycznej w płynie.
226
Dla czujnika z falą o prędkości fazowej znacznie mniejszej
od prędkości fali w płynie wpływ zmian prędkości fali w płynie
wywołany zmianą gęstości jest niewielki.
Zastosowanie drugiego czujnika o takiej samej membranie
(membrany wytwarzane są na tej samej płytce krzemowej i w tym
samym procesie; z różnymi przetwornikami), ale z generowaną falą
o innej długości pozwala na wyeliminowanie wpływu prędkości fali
w płynie.
Zwiększenie czułości przy pomiarach gęstości płynu jest
możliwe przez wybranie dostatecznie dużych częstotliwości fali
co powoduje szybkie zanikanie przemieszczeń w głąb cieczy
(λ > 1 / ϑ).
Wpływ lepkości cieczy przy pomiarze jej gęstości jest
do pominięcia, jeżeli współczynnik lepkości η < 10 cP (dla wody
w temperaturze
200C
współczynnik
lepkości
wynosi
2
η = 0,9 cP [0,1 Ns/m ]).
Zastosowanie membranowych czujników z falami FPW
pozwala uzyskać stosunkowo duże czułości w pomiarach gęstości
cieczy o małych współczynnikach lepkości. Jest to wynikiem rodzaju
generowanej fali oraz stosowania cienkich membran.
Pomiary lepkości cieczy o małych wartościach lepkości są
mało dokładne co wynika z charakteru generowanej fali. Dla takich
cieczy dokładniejsze pomiary można uzyskać stosując czujniki
z falami płytowymi APM (fale Love’a) lub czujniki z falami TSM.
Natomiast lepszych rezultatów należy się spodziewać
w przypadku cieczy o dużych lepkościach stosując sensory z falami
płytowymi FPW.
7.4.6.
Przetworniki elektromagnetyczne
Zastosowanie
przetworników
elektromagnetycznych
w mikrosenso-rach jest ograniczone ze względów technologicznych
trudnością otrzymania pola magnetycznego o odpowiednich
gęstościach energii i miniaturyzacją wymiarów magnetowidów [23].
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. Konstrukcję takiej ruchomej belki z płaskim uzwojeniem
227
na jej powierzchni pokazano na rysunku Rys. 7.30. Drgająca belka
umieszczona w stałym polu magnetycznym generuje siłę
elektromotoryczną.
Dobierając parametry belki (sztywność) oraz współczynnik
tłumienia drgań można taki przetwornik zastosować do pomiaru
amplitudy, prędkości lub przyspieszenia drgań.
Rys. 7.30 Konstrukcja mikrobelki z cewką planarną
Stałe pole magnetyczne w otoczeniu belki uzyskuje się
zasilając cewkę prądem stałym lub stosując magnes trwały
w postaci cienkiej warstwy umieszczonej na powierzchni belki.
Indukcję
pola
można
zmierzyć
stosując
hallotrony,
magnetorezystory.
Na rysunku Rys. 7.31 pokazano zasadę pracy sensora
do pomiaru drgań mechanicznych z hallotronami. Drgająca belka
z uzwojeniem wytwarza zmienne pole magnetyczne, którego
indukcję mierzy się za pomocą hallotronów. Własności hallotronów
umożliwiają pomiar w szerokim zakresie częstotliwości począwszy
od pomiarów statycznych.
Zastosowanie
układu
różnicowego
eliminuje
wpływ
zewnętrznych pól magnetycznych. Wadą przedstawionego układu
jest stosunkowo mała czułość pomiarowa wynikająca z bardzo
małych pól generowanych przez cewkę. Należy stosować czułe
hallotrony zintegrowane z podłożem krzemowym.
Do wytworzenia fal ultradźwiękowych w ruchomych
mikromechanizmach takich jak belki, membrany można zastosować
również przetworniki elektromagnetyczne. W polu magnetycznym
na przewodnik z prądem będzie działała siła Lorentza.
228
Rys. 7.31 Mikrosensor do pomiaru drgań mechanicznych z przetwornikiem
hallotronowym
A) układ z pojedynczym hallotronem
B) układ różnicowy z dwoma hallotronami
W ogólnym przypadku dla wektora indukcji B oraz wektora
gęstości prądu J można otrzymać zależność na siłę F działającą
na jednostkę powierzchni przewodzącej:
F=J×B
(7.24)
Na rysunku Rys. 7.32 przedstawiono mikrosensora z przetwornikiem elektromagnetycznym generującym ultradźwiękową falę
płytową. Konstrukcja przetwornika i jego rozmieszczenie na powierzchni membrany oraz parametry membrany są tak dobrane, że generowana jest fala stojąca w membranie.
Rys. 7.32 Konstrukcja elektromagnetycznego przetwornika do generacji fali
ultradźwiękowej wykonanego na podłożu krzemowym [8]
Podobnie jak w przypadku przetworników piezoelektrycznych
generujących fale płytowe zmiana obciążenia membrany
(np. zmiana gęstości powierzchniowej dla membran z selektywnym
absorbentem w sensorach do pomiaru stężenia gazów) powoduje
229
zmianę warunków propagacji fali i w tym przypadku zmianom ulega
impedancja elektryczna przetwornika.
Dla schematu zastępczego czujnika nieobciążonego można
wyznaczyć częstotliwość rezonansową membrany dla danego modu
n,1. W generowanym polu przepływu w pobliżu membrany
w miejscach występowania strzałek fali dominującym ruchem jest
ruch ściskający powodujący wzrost efektywnego obciążenia
masowego membrany. W efekcie wywołuje to zmniejszenie
częstotliwości rezonansowej.
Obciążenie membrany płynem powoduje zmniejszenie
częstotliwości o Δf w stosunku do częstotliwości rezonansowej fn1
zgodnie ze wzorem:
ρ
Δf
= 1
f n1 ϑm0
(7.25)
Gdzie: ρ1 - gęstość płynu,
m0 - gęstość powierzchniowa membrany
ϑ - współczynnik określający tłumienie fali w ośrodku
Impedancję wejściową przetwornika Z1 dla modu n,1 ;
gdzie n = 2a /λn można określić korzystając z zależności:
K n21
Z 1 (ω ) = R +
Z nm
(7.26)
Zastosowanie membranowych czujników z przetwornikami
elektromagnetycznymi do pomiarów natężenia zewnętrznego pola
magnetycznego wymaga umieszczenia membrany w próżni, tak aby
membrana nie była obciążona. Impedancja elektryczna pojedynczego przetwornika jest zależna od kwadratu współczynnika
sprzężenia Kn,m.
Dla małych wartości rezystancji ścieżek R (R ≈ 0) można
przyjąć, że moduł impedancji wejściowej jest proporcjonalny
do kwadratu indukcji pola magnetycznego. Znając wartość natężenia
stałego wewnętrznego pola magnetycznego przetwornika EMT
można określić składową natężenia (w kierunku osi X) zewnętrznego
pola.
Dobierając wymiary geometryczne (okres P) przetwornika oraz
parametry membrany można wzbudzić membranę do drgań w stanie
230
rezonansu dla danego modu. Jest to istotne dla uzyskania dużych
przemieszczeń
membrany
oraz
zwiększenia
sprawności
przetwarzania.
Dla częstotliwości rezonansowych wzrasta również czułość
masowa czujnika proporcjonalnie do współczynnika dobroci Q.
W stanie rezonansu impedancja mechaniczna membrany jest
określona rezystancją strat rozproszenia. W czujnikach mogą być
użyte jeden lub dwa przetworniki elektromagnetyczne (Rys. 7.33).
W przypadku dwóch przetworników nadawczego i odbiorczego
można zbudować układ generatora, w którym przetworniki pracują
w pętli sprzężenia zwrotnego. Dla dwóch układów generatorów,
z których jeden jest układem odniesienia (membrana czujnika jest
nie obciążona) a drugi układem pomiarowym możemy otrzymać
sygnał różnicowy.
Takie rozwiązanie z umieszczeniem obu generatorów na jednym podłożu krzemowym redukuje wpływ zakłóceń zewnętrznych
np. temperatury.
Rys. 7.33 Mikrosensor z ultradźwiękową falą generowaną i odbieraną za
pomocą przetworników elektromagnetycznych [8]
Ze względu na małą gęstość powierzchniową membrany
czujnika oraz dużą czułość masową w stanie rezonansu czujniki
z przetwornikami elektromagnetycznymi mogą być stosowane jako
detektory masy do pomiarów np. stężenia i wilgotności różnych
gazów. Podobnie jak w przypadku czujników z przetwornikami
piezoelektrycznych wykorzystując zmiany naprężeń wewnętrznych
membrany można mierzyć siły, ciśnienia i przyspieszenia.
Czujniki z elektromagnetycznymi przetwornikami mogą być
również zastosowane jako detektory pola magnetycznego.
Zastosowanie stałego pola magnetycznego i przewodnika
z prądem zmiennym jest rozwiązaniem alternatywnym do stoso231
wanych obecnie najczęściej międzypalczastych przetworników
piezoelektrycznych.
W przetwornikach elektromagnetycznych problemem jest
uzyskanie równomiernego i stałego pola magnetycznego.
Zastosowanie magnesów trwałych o odpowiednich gęstościach
energii i miniaturowych wymiarach jest obecnie trudne ze względów
technologicznych.
7.5.
Mikroczujniki optoelektroniczne
Przetworniki optoelektroniczne zaczynają odgrywać coraz
większą rolę w mikrosystemach. Wynika to z ich właściwości oraz
możliwości integrowania z układami mikroelektronicznymi.
W konstrukcjach mikro- opto-elektro-mechanicznych MOEMS duże
znaczenie
mają
sensory
światłowodowe.
Rozwój
telekomunikacyjnych sieci światłowodowych spowodował znaczny
postęp technologiczny zarówno światłowodów jak i osprzętu takiego
jak wzmacniacze optyczne, splitery, przełączniki torów optycznych.
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. Z drugiej strony umożliwia
to dokładny pomiar bardzo małych sygnałów.
232
Rys. 7.34 Zasada działania czujników z modulacją
natężenia promieniowania [16]
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 [25].
Podstawowymi elementami interferometrów światłowodowych
są: laser, sprzęgacze, światłowód, przetwornik fazowy, detektor
i demodulator.
Na rysunku 7.35 pokazano zasadę działania interferometru
Macha-Zehnera. Źródło światła sprzężone jest z jednomodowym
światłowodem, który następnie poprzez spliter (DC1) dzieli strumień
światła (natężenie) na dwie wiązki rozchodzące się dwoma
światłowodami. Jeden ze światłowodów jest światłowodem
pomiarowym, a drugi odniesienia. W drugim sprzęgaczu (DC2)
następuje ponowne połączenie dwóch strumieni. Na wyjściu
sprzęgacza za pomocą detektorów mierzone są natężenia obu
strumieni.
I 1 = I 0 [1 − V cos(φ s − φ o )]
(7.27)
I 2 = I 0 [1 + V cos(φ s − φo )]
(7.28)
Gdzie: I0 - natężenie promieniowania głównej wiązki
φs, φo - przesunięcia fazowe strumienia sygnałowego
i strumienia odniesienia
V - współczynnik kontrastu interferencyjnego
233
Kontrast interferencyjny opisuje widzialność prążków
interferencyjnych i zależy od względnego natężenia wiązki
referencyjnej i sygnałowej, stanu polaryzacji i wzajemnej koherencji.
Zakładając, że parametry transmisyjne obu gałęzi są takie same i ich
długość jest taka sama wówczas kontrast V ma wartość stałą.
Sygnał mierzony, który wywołuje zmianę fazy φs wiązki
sygnałowej powoduje również zmianę natężenia promieniowania
odbieraną w detektorach (7.27). Zmiana długości dróg optycznych
wiązki sygnałowej w stosunku do wiązki referencyjnej spowoduje
zmianę sygnału na wyjściu detektorów.
Rys. 7.35 Zasada działania interferometru Macha-Zehndera
Zaletą interferometru Macha-Zehndera jest ograniczenie
wpływu zmiany natężenia źródła za pomocą sygnału sumarycznego
z dwóch detektorów. Suma sygnałów na wyjściach obu detektorów
jest stała i niezależna od zmiany fazy.
W interferometrze Michelsona (Rys. 7.36) wiązki sygnałowa
i referencyjna po odbiciu od reflektorów wracają i tym w samym
sprzęgaczu są łączone, w którym były wcześniej dzielone. Funkcja
przenoszenia I(l) jest zależna od różnicy długości l miedzy
ramionami interferometru i może być opisana podstawowym
wzorem:
I (l ) = I 0 [1 + V cos(φ )]
(7.29)
Odmianą interferometru Michelsona jest interferometr
Sagnaca, w którym oba ramiona wiązki referencyjnej i sygnałowej są
połączone razem i stanowią pętlę. Różnica fazowa pomiędzy obu
wiązkami dla powinna być zawsze równa zeru dla jednakowych
efektów odwrotnych (zachodzących w jednakowym stopniu w obu
kierunkach).
Jednakże dla zjawisk takich jak prędkość kątowa wirowania
pętli, wektor pola magnetycznego występuje różnica faz.
234
Rys. 7.36 Zasada działania interferometru Michelsona
W przedstawionych interferometrach występowały dwie
wiązki. W interferometrze Fabry-Perot jest stosowana wielokrotnie
jedna wiązka, która po wielu odbiciach od układu dwóch luster wraca
tym samym światłowodem w kierunku źródła. W drodze powrotnej
wiązka za pomocą półprzepuszczalnego lustra kierowana jest
do detektora.
Wiele parametrów charakteryzuje rozchodzenie się fali
świetlnej takich natężenie promieniowania, polaryzacja fali, długość
fali, mod fali.
W mikrosensorach oprócz tradycyjnych światłowodów
cylindrycznych wykorzystuje się również światłowody planarne
(Rys. 7.37) wykonane na podłożu krzemowym. Wiązka światła
rozchodzi wzdłuż rdzenia umieszczonego wewnątrz płaszcza
światłowodu.
Strumień światła przechodząc przez różne ośrodki podlega
rozproszeniu, absorpcji, załamaniu, dyfrakcji, interferencji.
Jednym z ważniejszych parametrów światłowodów jest profil
współczynnika załamania (rozkład współczynnika załamania
dla przekroju poprzecznego rdzenia) i jego apertura. Współczynnik
załamania charakteryzuje własności ośrodków przy przechodzeniu
strumienia miedzy nimi. Współczynnik ten jest różny dla różnych
długości fali (chromatyczne rozproszenie), przykładowo dla Si02
współczynnik nco (dla rdzenia) długości fali λ = 1,3 μm wynosi 1,447
a dla λ = 1,55 μm wynosi 1,444. W celu zapewnienia propagacji fali
wzdłuż rdzenia współczynnik nco rdzenia powinien być większy
od współczynnika ncl (płaszcza).
Podstawowe profile współczynników załamania to: profil skokowy i gradientowy oraz wielokrotnie skokowy, trójkątny. W zależności
od profilu i jego parametrów oraz wymiarów rdzenia (średnica 2a),
płaszcza 2b i długości fali w danym światłowodzie może rozchodzić
się pojedynczy mod (SMF single-mod-fibre) lub wiele modów fali
(MMF multimode). Typowe średnice światłowodów szklanych
wynoszą 2a = 8 μm, 2b = 125 μm dla jednomodowych światłowodów
(λ = 1,55 μm) (numeryczna apertura NA = 0,065-0,092); dla MMF
235
odpowiednie średnice wynoszą 2a = 50 μm (62,5 μm), 2b = 125 μm
(NA = 0,20-0,29).
Rys. 7.37 Konstrukcja światłowodów planarnych i cylindrycznych
2a- średnica rdzenia (core), 2b - średnica płaszcza (cladding),
d- grubość rdzenia
Każdy mod fali charakteryzowany jest za pomocą wektorów
pola elektrycznego E i magnetycznego H. Można wyróżnić trzy
rodzaje modów oznaczonych jako TE- (składowa poprzeczna
wektora pola elektrycznego, Ez = 0) (kierunek propagacji wzdłuż osi
z), jako TM (składowa porzeczna wektora magnetycznego, Hz = 0 )
oraz jako mod hybrydowy HE (ani składowa Ez ani składowa Hz nie
są równe zeru).
Na rysunku 7.38 pokazano przebieg różnych modów fali oraz
kąty akceptacji. Kątem akceptacji θa nazywamy maksymalny kąt
padania wiązki, dla którego strumień nie wychodzi poza rdzeń
i rozchodzi się wzdłuż niego. Jest to zależne od optycznogeometrycznych właściwości światłowodu, sinus kąta akceptacji
nazywa się aperturą numeryczna NA.
Rys. 7.38 Propagacja różnych modów fali w światłowodzie [16]
Dla profilu skokowego można aperturę wyznaczyć ze wzoru:
NA = sin θ a = n co2 − n cl2
236
(7.30)
Natomiast dla światłowodu o profilu gradientowym apertura
będzie zależała od odległości od środka rdzenia (współczynnik
załamania rdzenia zmienia się wraz z odległością od środka
rdzenia).
Podstawowym
materiałem
używanym
do
produkcji
światłowodów jest krzemionka (SiO2) o bardzo dużej czystości.
Często wykorzystuje się tutaj technologię CVD osadzania materiału
z fazy gazowej w wyniku reakcji chemicznych.
Kontrolując
odpowiednio
domieszkowanie
zwiększamy
lub zmniejszamy współczynnik załamania. Domieszki tlenku
germanu, tytanu, aluminium zwiększają tą wartość (o około 0,02 0,04), natomiast domieszkowanie tlenkami baru i fluorem redukuje
współczynnik (o około 0,02).
Ważnym parametrem jest współczynnik tłumienia fali, który dla
SiO2 jest stosunkowo niewielki i jest zależny od długości fali.
W tabeli Tab. 7.5 podano kilka rodzajów materiałów stosowanych
w czujnikach.
Tab. 7.5 Parametry materiałów stosowanych w światłowodowych
mikroczujnikach [16]
Materiał
SiO2
Współczynnik tłumienia
(dB/km)
Współczynnik
załamania
Temp.
topnienia
(stop C)
0,15
(λ=1,55 μm)
1,444
(λ=1,55 μm)
1,457
(λ=0,633 μm)
1170
Sensory
przesunięcia
fazowego i
zmian
natężenia
600
Sensory
chemiczne
210-240
Tanie sensory
natężeniowe
2020
Wysokotemperaturowe
sensory
ZBLAN
Szkło
3,9
domiesz (λ=1,55
μm)
1,48-1,54
kowane
fluorka
mi
PPMA
Polimet
60
1,492
ylometa (λ=0,560 μm) (λ=0,633 μm)
krylan
Szafir
500
1,763
Kryształ
(λ=0,9 (
λ
=0,633
μm)
y Al203
2,8 μm)
Zastosowania
237
Ze względu na swoje właściwości światłowodowe czujniki
znalazły zastosowanie w wielu pomiarach. W systemach kontroli
położenia samolotu stosuje się żyrokompas. Do stabilizowania
położenia jego platformy potrzebny jest pomiar trzech składowych
przyspieszenia. Do pomiaru przyspieszenia zastosowano optyczny
akcelerometr ze światłowodowym interferometrem Fabry-Perot.
Na rysunku Rys. 7.39 pokazano jego konstrukcję.
Mikrokrzemowa membrana obciążona jest masą. Przyspieszenie
powoduje ugięcie membrany i jej przemieszczenie jest mierzone
za pomocą interferometru pracującego z jednomodowym światłowodem o długości fali 1,3 μm.
Zastosowanie sensora i transmisji światłowodowej eliminuje
wpływ zakłóceń elektromagnetycznych co ze względów na bezpieczeństwo i niezawodność ma duże znaczenie dla systemów
nawigacji samolotu.
Rys. 7.39 Światłowodowy akcelerometr [16]
Światłowodowy czujnik ciśnienia z kompensacją wpływu
temperatury przedstawiono na rysunku Rys. 7.40. Pokazany układ
pomiarowy używany jest do pomiaru wysokości i prędkości
samolotu. Mierzone ciśnienie jest sumą bezwzględnego ciśnienia
statycznego wynikającego z wysokości i dynamicznego ciśnienia
proporcjonalnego do prędkości powietrza.
Membrana czujnika ugina się pod wpływem działającego
ciśnienia i naciska na światłowód. W światłowodzie na skutek mikrozgięć część wiązki światła wydostaje się („wycieka”) do płaszcza
światłowodu.
W rezultacie natężenie wiązki wychodzącej z czujnika jest
modulowane działającym ciśnieniem. Kompensację wpływu
temperatury rozwiązano za pomocą światłowodu referencyjnego
pracującego na innej długości fali. Zastosowano światłowód
wielodomowy o profilu skokowym.
238
Rys. 7.40 Światłowodowy czujnik ciśnienia [16]
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.
Zasadę pracy systemu detekcji gazu pokazano na rysunku
Rys. 7.41.
Źródło w postaci diody laserowej wysyła zmodulowaną wiązkę
światła, która przechodząc przez celę z gazem podlega absorpcji.
Natężenie wychodzącej wiązki będzie zależało od stężenia gazu.
Ograniczenie wpływu zmian natężenia promieniowania diody
zapewnia stabilizacja jej temperatury. Zastosowanie światłowodów
szklanych o małym tłumieniu pozwala wykonać pomiar w dużej
odległości od obiektu (rzędu kilometrów).
Podstawowy układ z rysunku Rys. 7.41 można rozbudować
stosując multiplekser optyczny z wieloma światłowodami
pracującymi na różnych długościach fal co pozwala na detekcję
różnych gazów (selektywna absorpcja dla danej długości).
Rys. 7.41 Schemat blokowy systemu detekcji gazu za pomocą czujnika
światłowodowego
239
7.6.
7.6.1.
Mikroaktuatory krzemowe
Przetworniki elektrostatyczne
Elektrostatyczne mikroaktuatory mają stosunkowo prostą
budowę, ale mają ograniczenia wynikające z mniejszej gęstości
energii w porównaniu magetycznymi aktuatorami.
Piezoelektryczne aktuatory pozwalają osiagnąć większe siły niż
aktuatory elektrostatyczne co wynika z większej stałej dielektrycznej,
ale z drugiej strony mniejsze są też przesunięcia. W mikroaktautorach wykrzystuje się również przetworniki termiczne rzadziej
chemiczne.
Największą grupę stanowią przetworniki elektrostatyczne
i piezoelektryczne oraz magnetyczne w zastosowaniach mikroaktuatorów.
W skali makro decydującą role pełnią aktuatory magnetyczne.
W mikroskali oba rodzaje przetworników występują w podobnej
liczbie zastosowań. Osiągnięcie przewagi jednej z grup przetworników będzie zależne od postępów w technologii. Zmniejszenie
wymiarów ścieżek i przerw w mikrostrukturach skutkuje
zwiększeniem sił elektrostatycznych (dla odpowiednich izolatorów).
Z drugiej strony rozwijane są technologie cienkich warstw
magnetycznych i magnesów trwałych.
Podstawowymi parametrami charakteryzującymi aktuatory są:
czas odpowiedzi (częstotliwość rezonansowa), maksymalny skok
(przesunięcie), maksymalna siła (moment).
Aktuatory
wykorzystujące
efekt
elektrostatyczny,
piezoelektryczny mają krótkie czasy odpowiedzi (duża częstotliwość
rezonansowa), ale wytwarzają niewielkie przesunięcie (skok).
Przetworniki
elektrostatyczne
umożliwiają
wykonanie
aktuatorów o ruchu liniowym i obrotowym. Miniaturowe chwytaki
wytwarzają siły rzędu kilku 10-6 N, a mikrosilniki o średnicach około
100 mikrometrów pozwalają wytworzyć moment ok. 10-8 Nm. Często
są to wartości zbyt małe jak na potrzeby mikrorobotów.
Problemem występującym zwłaszcza w mikrosilnikach jest
tarcie. Możliwe są rozwiązania, w których zwiększa się moment
obrotowy lub stosuje się przetwarzanie ruchu drgającego w ruch
obrotowy.
Na rysunku Rys. 7.19 pokazano dwa podstawowe układy
240
elektrostatycznych
przetworników
z
ruchem
w
kierunku
prostopadłym i równoległym do powierzchni elektrod.
Energia potencjalna pola elektrycznego zmagazynowana
w pojemności wynosi:
1
WE = CU 2
2
(7.31)
Siła działająca Fz w kierunku prostopadłym (Rys. 7.19) będzie
określona wzorem:
Fz ( z ) = −
∂WE 1 εLx L y 2
=
U
∂z
2 z2
(7.32)
Siła działająca na jednostkową powierzchnię (Fz/LxLy) jest
proporcjonalna do kwadratu natężenia pola elektrycznego. W celu
zwielokrotnienia siły można zastosować układ z wieloma elektrodami
równoległymi, wówczas siła wzrasta proporcjonalnie do liczby par
elektrod. Konstrukcję takiego przetwornika pokazano na rysunku
Rys. 7.42.
Rys. 7.42 Aktuator z przetwornikiem elektrostatycznym i grzebieniowym
układem elektrod (ruch w kierunku prostopadłym)
Dla aktuatorów wykonujących ruch w kierunku równoległym
do powierzchni elektrod zgodnie z zależnością (7.14) otrzymamy
wyrażenie na siłę Fx:
Fx ( x) = −
∂WE 1 εL y 2
=
U
∂x
2 z
(7.33)
W tym przypadku siła Fx nie zależy od długości elektrod Lx
w kierunku osi X, zatem siła działająca ma wartość stałą niezależnie
241
od przesunięcia. Żeby zwiększyć siłę Fx należy zastosować układ
wielu równoległych elektrod od dłuższym boku Ly.
Na rysunku Rys. 7.43 przedstawiono schematycznie
konstrukcję aktuatora z grzebieniowym układem elektrod wytwarzającego siłę w kierunku osi X.
Rys. 7.43 Aktuator z przetwornikiem elektrostatycznym i wytwarzaną siłą
w kierunku równoległym (bocznym) do powierzchni elektrod
Przedstawione rozwiązania dotyczyły ruchu prostoliniowego,
natomiast można również zbudować aktuator o ruchu obrotowym.
Typowy mikro-silnik dla układu elektrod bocznych pokazano
na rysunku Rys. 7.44.
Rys. 7.44 Konstrukcja silnika elektrostatycznego
Taki mikrosilnik charakteryzuje się wysoką prędkością
obrotową i bardzo małym momentem obrotowym. Przesuwając
położenie osi wirnika w stosunku do jego centralnego położenia
uzyskuje się zwiększenie momentu przy jednoczesnym zmniejszeniu
prędkości (silnik tarczowy o ruchu oscylacyjno-obrotowym.
Uzyskane przełożenie jest zależne od średnic wirnika i stojana.
242
Rys. 7.45 Mikroaktuator z elektrodami grzebieniowymi wykonujący
ruch obrotowy [17]
Z zależności (7.32), (7.33) widać, że wytwarzana siłą jest
proporcjonalna do kwadratu natężenia pola elektrycznego,
zmniejszenie szczelin pomiędzy elektrodami powoduje wzrost
natężenia pola, ale może też spowodować przebicie szczeliny
powietrznej.
Doświadczenia pokazują, że dla bardzo gładkich powierzchni
submikrometrowych
przerw
powietrznych
natężenie
pola,
8
przy którym następuje przebicie wynosi około 9*10 V/m. W próżni ta
wartość wzrasta do około 109 V/m, praktycznie dla cienkich warstw
z SiO2 wynosi około 2*108 V/m.
To ograniczenie jest szczególnie istotne dla mikroaktuatorów
z równoległymi elektrodami grzebieniowymi. Zakładając natężenie
pola 5*107 V/m z przerwą 10 μm, to dla powierzchni efektywnej
10 cm2 otrzymamy siłę 10N.
7.6.2.
Przetworniki piezoelektryczne
W większości przypadków piezoelektryczne aktuatory
wytwarzają stosukowo niewielkie przesunięcia co ogranicza ich
zakres stosowalności. Charakteryzują się możliwością pracy przy
dużych częstotliwościach
Materiały piezoelektryczne umieszczone w polu elektrycznym
o natężeniu E podlegają naprężeniom oraz odkształceniom S zgodnie z wzorami:
S = dE + s E T
(7.34)
243
D = ε T E + dT
Gdzie:
(7.35)
d - podatność piezoelektryczna charakteryzująca
odkształcenie w polu elektrycznym
sE - współczynnik sprężystości materiału dla zerowego
pola elektrycznego
εT - współczynnik przenikalności elektrycznej dla
zerowych naprężeń
D -- indukcja pola elektrycznego
Często
stosowanym
elementem
wykonawczym
jest
piezoelektryk o kształcie cienkiego krążka (Rys. 7.46). Przyłożone
napięcie do elektrod w kierunku osi 3 powoduje powstanie
odkształceń oznaczonych jako xr (Rys. 7.46).
Rys. 7.46 Piezoelektryczny mikroaktuator w postaci cienkiego dysku [17]
Na rysunku Rys. 7.47 przedstawiono miniaturowy zawór
przełączany za pomocą przetwornika piezoelektrycznego. Cechą
charakterystyczną jest niewielki skok ruchomego elementu oraz
duża powierzchnia, generowane siły są większe niż dla podobnego
przetwornika pojemnościowego.
Podobna konstrukcja może być wykorzystana do budowy
membranowej mikropompy.
Rys. 7.47 Mikro-zawór sterowany piezoelektrycznym przetwornikiem [18]
244
7.6.3.
Przetworniki elektromagnetyczne
Przetworniki elektromagnetyczne stanowią dużą grupę
przetworników stosowanych w mikroaktuatorach. W przetwornikach
elektrostatycznych występuje problem z akumulowaniem ładunku
w dielektryku, jeżeli dwie naładowane powierzchnie mogą się
ze sobą kontaktować. Przetworniki elektrostatyczne nie mogą
pracować również w środowisku przewodzącym. Zaletą przetworników elektromagnetycznych jest zasilanie prądowe, które nie
wymaga wysokonapięciowych źródeł (mała rezystancja uzwojeń).
Natomiast ich wadą są straty spowodowane rozpraszaniem
termicznym przy wytwarzaniu stałej siły w przeciwieństwie do przetworników elektrostatycznych, które nie pobierają mocy wytwarzając
stałą siłę (przy braku przesunięcia) [12].
Najprostsza konstrukcja magnetycznego aktuatora składa się
z obwodu magnetycznego z uzwojeniem zasilanym prądem I
i ruchomej zwory umieszczonej w polu magnetycznym. Energia pola
skupiona w szczelinie powietrznej magnetowodu jest zależna
od (przy założeniu, że reluktancja obwodu odpowiada reluktancji
szczeliny):
1
1
S
WM = μ 0 H 2 = μ 0 ( zI ) 2
x
2
2
(7.36)
Gdzie: H - natężenie pola magnetycznego
μ0 - przenikalność magnetyczna próżni
z - liczba zwojów
S - pole powierzchni szczeliny
x - szerokość szczeliny
Siłę działającą na ferromagnetyczną zworę w kierunku X
(prostopadle do powierzchni ) można wyznaczyć:
Fx ( x) = −
∂W 1
S
= μ 0 2 ( zI ) 2
∂x 2 x
(7.37)
1
zI
μ0 ( ) 2
x
2
Przetworniki elektromagnetyczne znajdują częste zastosowania w mikrosilnikach z magnesami trwałymi (Rys. 7.48). Momenty
elektromagnetyczne Mem wytwarzane w takich silnikach są zależne
Siła działająca na jednostkę powierzchni wynosi F =
245
Mem ~ D2, Mem ~ L od kwadratu średnicy (D) i długości (L) silnika.
Duże momenty uzyskuje się dla płaskich silników o dużych
średnicach.
Rys. 7.48 Przekrój poprzeczny przez strukturę mikrosilnika z magnesami
trwałymi
Konstrukcję takiego mikrosilnika z magnesami trwałymi
pokazano na rysunku Rys. 7.48. Mikrosilnik został wykonany
na płytce krzemowej z polisilikonowym wirnikiem (technologia LIGA)
z naniesioną warstwą magnetyczną (magnesy trwałe). Stojan
wykonany został również w warstwie polisilikonowej z naniesionymi
ścieżkami uzwojenia.
Podobną konstrukcję silnika z cylindrycznym przetwornikiem
przedstawiono na następnym rysunku Rys. 7.49. Interesującą
właściwością jest zastosowanie bezstykowego łożyskowania
za pomocą pola elektrostatycznego.
Rys. 7.49 Konstrukcja mikrosilnika z łożyskowaniem elektrostatycznym
Przykład mikrosilnika krokowego pokazano na rysunku
Rys. 7.50 Na obwodzie wirnika są umieszczone magnesy trwałe.
Uzwojenie stojana składa się z wielu cewek rozmieszczonych
symetrycznie i zasilanych synchronicznie.
Prędkość obrotową reguluje się zmieniając częstotliwość prądu
zasilającego cewki uzwojenia.
Zjawiska fizyczne występujące w makro i mikro skali są takie
same. Jednak w mikro wymiarach należy uwzględnić wiele zjawisk,
które przy konstrukcji dużych maszyn i siłowników są pomijane.
246
To powoduje, że występują znaczne różnice w projektowaniu
mikroaktuatorów.
Rys. 7.50 Mikrosilnik krokowy z magnesami trwałymi [17]
Na przykład siły lepkości płynów czy siły tarcia mogą być
decydujące dla ruchu miniaturowych elementów. Projektowanie
wymaga również znajomości procesów technologicznych, które są
specyficzne dla mikro i nano wymiarów.
Występujące siły w mikroaktuatorach można porównywać
ze sobą przeliczając je na jednostkę powierzchni lub objętości.
Podstawowa zależność dla sił elektrostatycznych Fe jest
określona wzorem:
Fe =
εS U2
2 h2
(7.38)
Gdzie: S, h - pole powierzchni elektrod i odległość między nimi
We wzorze (7.38) S ~ x2 oraz h ~ x2, gdzie x jest umowną
jednostką jednego wymiaru (np. długości). To oznacza, że siły
ε
Fe ≈ U 2 w mikroaktuatorach nie zależą od efektu skali
2
(miniaturyzacji) i są zatem odpowiednie do stosowania w mikroaktuatorach.
Podstawowa zależność sił Fm dla pola magnetycznego
wynosi:
Fm =
B2
S
2μ
(7.39)
247
We wzorze (7.39) S ~ x2, to oznacza, że siły Fm ≈ x 2 w mikroaktuatorach maleją ze skalą miniaturyzacji. Nie oznacza to, przetworniki z polem magnetycznym nie są stosowane w mikroaktuatorach. Jednakże należy wziąć pod uwagę, że pole magnetyczne
zależy od wymiarów magnetycznych elementów.
Analizując podobnie zależności efektu skali dla przetworników
piezoelektrycznych i termicznych otrzymamy, że w obu przypadkach
generowane siły są proporcjonalne do kwadratu wymiarów ~ x2.
Zatem efekt miniaturyzacji powoduje zmniejszenie tych sił.
7.7.
Mikrosystemy
Przedstawione rozwiązania dotyczące konstrukcji MEMS
w mikroczujnikach i mikroaktuatorach mogą być wykonane na
jednym podłożu. Możliwość realizacji w jednym chipie sensorów,
aktuatorów
oraz
układów
elektronicznych
zapewniających
przetwarzanie sygnałów pomiarowych oraz generowanie sygnałów
sterujących pozwala zaprojektować i wykonać mikrosystem.
Takie mikrosystemy są obecnie silnie rozwijane i będą miały
olbrzymie zastosowanie w bardzo wielu dziedzinach takich jak
medycyna (mikromanipulatory, systemy wizyjne), ochrona zdrowia
(monitorowanie indywidualne stanu pacjenta poza szpitalem),
ochrona bezpieczeństwa (wykrywanie niebezpiecznych związków
i ich usuwanie), systemy produkcji (mikroLab kontrolujące
produkcję), wyposażenie armii (miniaturowe bezzałogowe maszyny
i systemy sterownia), przemysł lotniczy i kosmiczny oraz wiele
innych.
Rys. 7.51. Schemat blokowy mikrosystemu chromatografii gazowej [6]
Przykład mikrosystemu produkowanego na potrzeby analizy
chemicznej
w
postaci
systemu
chromatografii
gazowej
248
przedstawiono na poniższym rysunku. Prototyp urządzenia
wykonano w Stanford University (USA) dla potrzeb bezpieczeństwa
i ochrony zdrowia. Cały układ został zbudowany na płytce o średnicy
około 5 cm. Kapilarna kolumna miała długość około 1,5 m.
System pozwala wykryć amoniak i dwutlenek azotu w stężeniach pojedynczych ppm. To pokazuje jak duże są możliwości i pole
zastosowań dla mikrosystemów.
Rys. 7.52 Płytka krzemowa z układem MicroLab do analizy składu gazów [6]
(widoczna kolumna chromatograficzna w postaci kapilary)
7.8.
Modelowanie mikroczujników
i mikroaktuatorów
W konstrukcjach miniaturowych czujników i siłowników
elementy mikromechaniczne zbudowane są często z kilku warstw
różnych materiałów również anizotropowych. Dokładne rozwiązanie
analityczne zagadnień dotyczących rozchodzenia się drgań
mechanicznych, zmian pola elektrycznego czy magnetycznego
w takich strukturach jest bardzo skomplikowane i praktycznie często
niemożliwe, ograniczenie wynika również z dokładności pomiaru
wszystkich parametrów takich jak współczynniki sprężystości [c],
piezoelektryczne [e], dielektryczne [ε] czy magnetyczne [μ].
Zastosowanie metod przybliżonych takich jak np. metoda
elementów skończonych do analizy rozkładu naprężeń,
przemieszczeń
jak
również
rozkładu
pól
elektrycznych,
magnetycznych czy termicznych w MEMS pozwala często osiągnąć
zadowalające wyniki. Metody te wymagają jednak starannego
doboru warunków brzegowych, początkowych i wielkości elemen249
tów, a wyniki powinny być weryfikowane za pomocą metod
analitycznych (dla prostszych przypadków) oraz badań doświadczalnych.
Przeprowadzone badania różnych modeli czujników pozwalają
stwierdzić, że opracowanie uniwersalnego modelu mikroczujnika jest
nie uzasadnione ekonomicznie (koszt oprogramowania, czas
obliczeń). Bardzo dobre wyniki można także osiągnąć stosując
stosunkowo proste modele, wymaga to jednak bardzo dobrej
znajomości technologii i parametrów wejściowych, doboru warunków
pracy czujnika.
Z drugiej strony w analizie mechanicznej, pól elektrycznych,
magnetycznych czy termicznych w wielowarstwowych strukturach
MEMS wykonanych z materiałów anizotropowych konieczne jest
użycie przybliżonych metod numerycznych, a osiągnięte rezultaty
można wykorzystać w modelach analitycznych [3].
Analizowane modele 2D dla generowanych naprężeń i odkształceń oraz modele 3D. Zastosowanie modeli 2D daje często dobre rezultaty i dobrą weryfikację wyników pomiarów w szczególnych
rozwiązaniach.
Modele 3D pomimo wielu ograniczeń wynikających m.in.
ze stosowania metod przybliżonych, są niezastąpione w ocenie
jakościowej procesu. Daje to możliwości np. śledzenia
wytwarzanych drgań dla różnych modów i wyboru warunków pracy
tak, aby uprzywilejowane były określone fale (mody) [11].
Dla symetrycznych struktur geometrycznych takich jak prostokątna, cienka membrana możliwe jest stosowanie osi symetrii
i analizowanie części membrany. Dobranie optymalnych rozmiarów
siatki (liczby elementów) ze względu na czas i dokładność obliczeń
wynika z kompromisowego wyboru pomiędzy liczbą elementów,
dokładnością danych, przyjęciem warunków początkowych
i brzegowych modelu.
Przykładowe wyniki analizy różnych modeli dla drgań
mechanicznych, rozkładu pola magnetycznego dla różnych struktur
MEMS przy zastosowaniu metody elementów skończonych
zamieszczono na kolejnych rysunkach [20, 24].
250
Rys. 7.53 Analiza rozkładu odkształceń w belce krzemowej dla danej
częstotliwości drgań (modu)
Rys. 7.54 Rozkład odkształceń cienkiej membrany krzemowej pod wpływem
ciśnienia statycznego
(widoczne ścieżki przetwornika elektromagnetycznego) [10]
251
Rys. 7.55 Symulacja przebiegu generowanej płytowej fali akustycznej w
cienkiej membranie krzemowej w kierunku osi X
Rys. 7.56 Symulacja przebiegu generowanej płytowej fali akustycznej w
cienkiej membranie krzemowej dla modu w kierunku osi X i Y
252
Rys. 7.57 Przestrzenny rozkład linii sił pola magnetycznego generowanego
przez cewkę płaską przetwornika
7.9.
[1]
[2]
[3]
[4]
[5]
[6]
[7]
[8]
[9]
Literatura
Baltes H.: CMOS as a sensor technology, Sensors&Actuators,
A37-38, 1993, pp.51-56
Bean K.E.: Anisotropic etching of silicon, IEEE Trans Electron
Devices, ED-25, 1978, pp.1185-1193,
Cook R. D.: Finite element modeling for stress analysis, John
Wiley &Sons, inc., New York, 1995
Dziuban J.A.: Technologia i zastosowanie mikromechanicznych
struktur krzemowych i krzemowo-szklanych w technice
mikrosystemów, Oficyna Wydawnicza Pol. Wrocławskiej,
Wrocław 2004
Fukuda T. and Arai F.: Microrobotics- approach to the
realization, Micro System Technology, 1992, pp.15-24
Fukuda T., Menz W.: Micro Mechanical Systems, Principles and
technology, Elsevier, 2001
Gardner J.W.: Microsensors: principles and applications, John
Wiley &Sons, inc., New York, 1994
Gołębiowski J.: Modele mikroczujników membranowych z
falami typu Lamba, ZN Politechniki Łódzkiej nr.879, Łódź, 2001
Gołębiowski J., Prohuń T., Rybak M.: Modelling of the Silicon
Membrane Vibrations Generated by Means of Electromagnetic
253
[10]
[11]
[12]
[13]
[14]
[15]
[16]
[17]
[18]
[19]
[20]
[21]
[22]
[23]
[24]
[25]
254
Forces. WSEAS Transaction on Systems, Issue 7, vol.3, 2004,
pp.2538-2540
Gołębiowski J., Prohuń T.: Microsilicon Luminous Flux Switch
Controlled by Means of Magnetic Field, Proceedings of
INCINCO Second International Conference on Informatics in
Control, Automation and Robotics, Barcelona, Spain,, 2005, pp.
301-306
Hatch M.R.: Vibration simulation using Matlab and Ansys, CRC
Press, Boca Raton, 2001
Judy J.W., Muller R.S.: Magnetically Actuated, Addressable
Microstructures. Journal of Microelectromechanical Systems,
vol. 6, no. 3, 1997., pp. 249-256
Karnopp D. C.: System dynamics, John Wiley &Sons, inc., New
York, 2000
Kovacs G.T.A.: Micromachined transducers sourcebook, WCB
McGraw-Hill, Boston, 1998
Les Caren B.: Growth spurt seen for MEMS, Photonics
Spectra, november 2008,
Lopez-Higuera J.M.: Optical fibre sensing technology, John
Wiley &Sons, inc., Chichester, England, 2002
Lyshevski S.E.: Electromechanical systems, electric machines
and applied mechatronics, CRC Press, Boca Raton, 1999
Lyshevski S.E.: MEMS and NEMS, Systems, Devices and
Structures, CRC Press, Washington 2002,
Nawrocki W.: Sensory i systemy pomiarowe, Wyd. Politechniki
Poznańskiej, Poznań, 2006.
Peng B., Zhang W.L., Chen G.H., Zhang W.X., Jiang H.C.:
Modeling microwave behaviors of series cantilever MEMS
switch. Sensors and Actuators A, v. A125, pp. 471-476, 2006,
pp. 471-476
Stemme G.:Resonant silicon sensors, J. Micromech. Microeng.,
1, 1991, pp.113-125
Sidor T.: Elektroniczne przetworniki pomiarowe, AGH
Uczelniane Wyd. Naukowo-Dydaktyczne, Kraków, 2006,.
Tumański Sł.:Thin Film Magnetoresistive Sensors, IOP
Publication, Bristol, 2001,
LabVIEW, Measurement Manual, National Instruments 2001.
Hamamatsu, news, 2008, vol. 2

Document 103618

Transkrypt

Podobne dokumenty

DPD Dodatkowe zalecenia - elektronika i sprzęt RTV AGD

Rysunek architektoniczno

Rozdział 3. Rezystancyjne czujniki gazów na podłożu