Modelowanie mikrosystemów - laboratorium - MEMS lab

Modelowanie mikrosystemów - laboratorium
Ćwiczenie 2
Modelowanie pracy mikromechanicznego pojemnościowego czujnika
ciśnienia z membraną typu bossed
Zadania i cel ćwiczenia.
Zadaniem wykonującego ćwiczenie jest zaprojektowanie w programie AutoCAD
struktury czujnika ciśnienia oraz zamodelowanie pracy tego czujnika (membrany krzemowej
typu bossed) z uwzględnieniem granicy wytrzymałości mechanicznej membrany czujnika.
Pojemnościowy mikromechaniczny czujnik ciśnienia
Główne etapy procesu technologicznego krzemowej i
pojemnościowego czujnika ciśnienia (rys. 1) przedstawiono na rysunku 2.
szklanej
części
Rys. 1. Względny, pojemnościowy czujnik ciśnienia - przekrój poprzeczny przez strukturę z zaznaczonymi
wymiarami charakterystycznymi i pojemnościami CP(p) i CC, (rysunek nie jest w skali)
Jednostronnie polerowane, 3”podłoże krzemowe (100) typu n (2 - 10 Ωcm) o grubości 380
µm, utleniono w atmosferze pary wodnej w 1150oC, otrzymując warstwę SiO2 o grubości 1,6
µm. W procesie jednostronnej fotolitografii uformowano wzór membrany typu bossed, z
trójkątnym wzorem kompensacji podtrawienia naroży wypukłych wyspy. Trawienie EMSi,
formujące membranę krzemowe (o grubości 65 µm) z wyspą (rys. 2a), prowadzono we
wrzącym 30% roztworze KOH. Szybkość trawienia V(100) wynosiła 6,8 µm/min, czas
trawienia - 45 minut. W procesie drugiej fotolitografii, selektywnie usunięto warstwę
maskująca SiO2 z powierzchni wyspy krzemowej. W procesie tradycyjnego, aktywowanego
termicznie trawienia krzemu w 40% roztworze KOH o temperaturze 80oC, pocieniano o 15
µm membranę, cofając jednocześnie czoło wyspy. Uformowano strukturę membrany
krzemowej z wyspą – ruchomą okładkę kondensatora o wymiarach 2,6 x 2,6 mm2
umiejscowioną na środku membrany o grubości 50 µm i wymiarach 6,5 x 6,5 mm2. Na tylną
stronę podłoża krzemowego, po uprzednim usunięciu SiO2, naniesiono w procesie
naparowania próżniowego, warstwę Ti/Ni/Au (20 nm/100 nm/100 nm), będącą kontaktem
elektrycznym do mikromechanicznej, ruchomej okładki kondensatora. Lico podłoża
krzemowego pokryto w procesie zmiennoprądowego rozpylania magnetronowego, warstwą
___________________________________________________________________________
www.memslab.pl
SiO2 o grubości 0,3 µm. W kolejnym kroku technologicznym, 3” podłoże krzemowo
podzielono na pojedyncze struktury krzemowe (rys. 2b).
Podłoże szklane (Borofloat 3.3) o średnicy 3” i grubości 2 mm, po uprzednim oczyszczeniu,
pokryto, w procesie naparowania próżniowego, warstwą Cr/Au (100 nm/100 nm). W procesie
fotolitografii, prowadzonej na pokrytej metaliczną warstwą stronie podłoża, uformowano
kształt dolnej, nieruchomej okładki kondensatora o wymiarach 5 x 5 mm2 i wyprowadzenia
elektryczne tej okładki do pola kontaktowego. Następnie, stosując szybkoobrotowa wiertarkę
(20000 obr/min) i wiertło pokryte SiC, wykonano w szkle, obok okładki kondensatora, otwór
o średnicy 0,8 mm. Po umyciu podłoża szklanego, pocięto je za pomocą piły diamentowej, na
pojedyncze struktury szklane o wymiarach 11 x 13 mm2 (rys. 2b).
Łączenie struktury krzemowej i szklanej, poprzedzone procedurami odtłuszczania i
hydrofilizacji powierzchni tych struktur, prowadzono w procesie selektywnego bondingu
anodowego w temperaturze 450oC i napięciu 1,5 kV przez 30 minut, za pomocą odpowiednio
uformowanej metalowej katody. Krzemowo-szklaną strukturę czujnika (rys. 2c)
zamontowano w plastikowej obudowie. W procesie termokompresji wykonywano drutowe
połączenia pomiędzy polami kontaktowymi struktury czujnika a wyprowadzeniami obudowy,
a następnie, zamknięto obudowę (rys. 2d).
Rys. 2. Technologia (flow chart) krzemowo-szklanego, pojemnościowego czujnika ciśnienia
Widok komponentów czujnika oraz struktura po montażu w plastikowej obudowie
przedstawiono na rysunku 3.
___________________________________________________________________________
www.memslab.pl
a)
c)
b)
d)
Rys. 3. Krzemowo-szklany, pojemnościowy czujnik ciśnienia: a) fragment 3” podłoża krzemowego po trawieniu
EMSi, b) pojedyncza struktura krzemowa (po lewej) i szklana (po prawej), c) struktura czujnika po procesie
bondingu anodowego części krzemowej i szklanej, d) czujnik w plastikowej obudowie
Wyznaczono charakterystykę wyjściową czujnika - zależności pojemności czujnika od
różnicowego ciśnienia (C=f(p)). W zastosowanym układzie pomiarowym wykorzystano
zadajnik ciśnienia (typ ZC-1). Ciśnieniem referencyjnym dla czujnika było ciśnienie
atmosferyczne. Wyprowadzenia elektryczne czujnika podłączono przewodami, o łącznej
pojemności ~35 pF (odejmowanej od wskazań miernika), do uniwersalnego miernika Metex
3640D o zakresie pomiarowym pojemności od 20 pF do 2 µF z dokładnością 3%.
Charakterystykę wyjściową czujnika zmierzono w zakresie różnicowych ciśnień od 0 kPa do
40 kPa i porównano z teoretyczną krzywą, wyznaczoną jako suma pojemności CC i CP(p) (rys.
4).
Rys. 4. Krzemowo-szklany, pojemnościowy czujnik ciśnienia: charakterystyka wyjściowa – pojemność czujnika
C w zależności od przyłożonego ciśnienia różnicowego p
___________________________________________________________________________
www.memslab.pl
Przebieg ćwiczenia
Ćwiczenie składa się z czterech etapów:
• etap 1 – zaprojektowanie struktury czujnika ciśnienia w programie AutoCAD,
• etap 2 – wstępne zamodelowanie zaprojektowanej struktury w programie Comsol
Multiphysics,
• etap 3 – określenie granicznych parametrów pracy membrany typu bossed –
naprężenia i ciśnienia
• etap 4 - obliczenie pojemności kondensatora o zmiennej pojemności C, wyznaczenie
zależności C w funkcji ciśnienia działającego na membrane czujnika, prezentacja
wyników.
1. Projekt AutoCAD.
W projekcie AutoCAD mikromechanicznego czujnika ciśnienia należy zatem przyjąć, że:
• struktura czujnika wykonana jest w podłoży krzemowym o orientacji
krystalograficznej (100) stosując mokre anizotropowe trawienie krzemu,
• grubość podłoża krzemowego 380 µm,
• wymiar struktury krzemowej czujnika: 7 x 7 mm2,
• wymiary membrany: 3,82 x 3,82 mm2,
• grubość membrany 50 µm,
• wymiary bossed’a: 1,8 x 1,8 mm2.
•
Uwaga: Prowadzący może indywidualnie zmienić wymiary membrany krzemowej.
2. Symulacja.
Przeprowadzenie poprawnej symulacji wymaga:
• wybrania odpowiedniego modułu do symulacji,
• zaimportowania z pliku DXF zaprojektowanej struktury - modelu,
• określenia materiału, z jakiego zbudowany jest model,
• określenia warunków brzegowych,
• zadania odpowiedniej siatki – podział modelu na trójkąty (do obliczeń
wykorzystywana jest metoda elementów skończonych),
• obliczenie pojemności kondensatora powietrznego utworzonego przez boosed
membrany i powierzchnię dolna, umiejętna prezentacja wyników.
Zadaniem realizującego ćwiczenie jest wykonanie kilkunastu symulacji gdzie parametrem
będzie siła działająca na membranę krzemową przy jej stałej grubości.
3. Prezentacja wyników.
Realizujący ćwiczenie przygotowuje zwarty raport, w którym zawarty jest cel ćwiczenia,
krótki opis modelowanego obiektu oraz wyniki modelowania w formie obrazów graficznych
2D i 3D, przekrojów i wykresów.
___________________________________________________________________________
www.memslab.pl
Opis symulacji w programie COMSOL Multiphisics
1. Wybranie modułu do symulacji.
1. Uruchom program COMSOL Multiphysics,
2. W oknie dialogowym Model Nawigator, zakładce New, wybierz:
Space dimension: 2D
Application Modes / MEMS Module / Structural Mechanics / Plane Stress / Static
analysis
Wybór zatwierdź przyciskiem OK. Po zatwierdzeniu pojawi się “czyste” okno programu.
2. Importowanie pliku AutoCAD do programu Comsol Multiphisics
2.1. Import pliku.
Zaimportuj odpowiedni plik z rozszerzeniem DXF wykorzystując ścieżkę:
File / Import / CAD Data From File …
2.2. Skalowanie.
Zaznacz obiekt.
Dopasuj wymiary obiektu (skalowanie) wykorzystując ścieżkę: Draw / Modify / Scale lub
przycisk (skrót) menu pionowego, wpisując odpowiednie wartości.
Po skalowaniu wykorzystaj funkcję szybkiego dostosowywania wymiarów obiektu do
wielkości ekranu (Zoom Extents).
2.3. „Rozbijanie” obiektu.
Zaznacz obiekt.
„Rozbij” obiekt wykorzystując ścieżkę: Draw / Split Object lub przycisk (skrót) menu
pionowego.
2.4. Tworzenie obiektu Solid.
Zaznacz obiekt.
Utwórz obiekt (Solid) wykorzystując ścieżkę: Draw / Coerce To / Solid lub przycisk (skrót)
menu pionowego.
___________________________________________________________________________
www.memslab.pl
3. Zadanie parametrów obiektu i symulacji.
3.1. Przypisanie materiału z jakiego zbudowany jest obiekt.
Wybierz opcję Subdomain Settings wykorzystując ścieżkę:
Phisics / Subdomain Settings
W oknie dialogowym Subdomain selection zaznacz numer obiektu.
Określ materiał (MEMS -> Silicon (single-crystal)) obiektu wybierając go z bazy materiałów.
Wybór zatwierdź przyciskiem Apply, a następnie OK.
3.2. Ustalenie warunków brzegowych.
Wybierz opcję Boundary Settings wykorzystując ścieżkę: Physics / Boundary Settings
W oknie dialogowym Boundary selection zaznacz odpowiednie odcinki. W zakładce
Constraint określ warunki brzegowe:
Fixed – dla odcinków nieruchomych,
Free – dla odcinków ruchomych, na które siła działa bezpośrednio oraz dla odcinków
ruchomych, na które siła działa pośrednio.
W zakładce Load dla odcinków, na które siła działa bezpośrednio, określ wartość tej siły.
Uwaga: 1 Pa=1 N/m2, zaznacz odpowiedni rodzaj obciążenia!
3.3. Podział obiektu na trójkąty (funkcja mesh).
Wybierz opcję Mesh wykorzystując przycisk (skrót) menu podstawowego.
Zagęść siatkę wykorzystując przycisk (skrót) menu podstawowego.
Uwaga: Nie zagęszczaj siatki do przeprowadzenia pierwszej symulacji. Nie zagęszczaj
zbytnio siatki w kolejnych próbach, gdyż może to znacząco obciążyć komputer.
Podczas symulacji stosuj zawsze tę sama gęstość siatki – jednakowe warunki
symulacji i otrzymanych wyników.
Jeśli to konieczne, zagęść siatkę lokalnie wykorzystując przycisk (skrót) menu odstawowego:
Uwaga: Nie zagęszczaj siatki do przeprowadzenia pierwszej symulacji. Nie zagęszczaj
zbytnio siatki w kolejnych próbach, gdyż może to znacząco obciążyć komputer.
Podczas symulacji stosuj zawsze tę sama gęstość siatki – jednorodność
wyników.
3.4. Przeprowadzenie symulacji.
Wybierz opcję Solve problem wykorzystując ścieżkę: Solve / Solve problem
3.5. Prezentacja wyników symulacji.
Wybierz opcję Plot Parameters wykorzystując ścieżkę: Postprocessing / Plot Parameters
W zakładce Surface, w opcji Predefined quantities wybierz odpowiedni rodzaj odkształceń
(displacement) lub naprężeń (von Mises stress).
Wybór zatwierdź przyciskiem Apply a następnie OK.
___________________________________________________________________________
www.memslab.pl
Deformacje struktury można zobaczyć wybierając opcję Postprocessing / Plot Parameters,
a następnie w zakładce Deform zaznacz Deformed shape plot.
4. Określenie maksymalnych naprężeń oraz ugięcia membray
Na podstawie symulacji określić maksymalne ciśnienie (pgraniczne) dla jakiego
otrzymamy naprężenia (von Mises stress) nieniszczące membranę. Należy przyjąć, że
dopuszczalne naprężenia nie mogą przekraczać 1/3 maksymalnych naprężeń Tmax niszczących
membranę wykonaną z krzemu monokrystalicznego (wartość Tmax należy znaleźć
samodzielnie na podstawie danych literaturowych !!!).
Następnie dla określonego ciśnienia pgraniczne proszę sprawdzić wygięcie membrany.
Krok należy powtórzyć dla kilku innych cieśnień mniejszych od pgraniczne. Wyniki proszę
przedstawić w postaci tabeli:
Lp.
1
2
3
4
5
6
7
8
ciśnienie [kPa]
pgraniczne
…
…
…
…
…
…
10 kPa
wygięcie [µm]
…
…
…
…
…
…
…
…
5. Wyznaczenie zależności C=f(P)
Wykorzystując wzór na pojemność kondensatora płaskiego powietrznego o zmiennej
odległości okładek wyznaczyć zależność pojemności czujnika od ciśnienia działającego na
membranę czujnika. Proszę utworzyć jedną krzywą z uwzględnieniem offsetu (krzywa
praktyczna) i drugą bez jego uwzględniania (krzywa teoretyczna). Należy określić rodzaj
otrzymanej charakterystyki.
Obliczenie pojemności kondensatora C - proszę znaleźć wartość względnej
przenikalności elektrycznej krzemu; parametr d – proszę podać odległości między okładkami
uzyskane dla symulacji, gdzie zadano ciśnienie w zakresie 10 kPa – pgraniczne - Tabela.
___________________________________________________________________________
www.memslab.pl