Wstęp do MikroSystemów MIKROSYSTEMY - następna rewolucja Wykład 5 Mikrosystemy

Komentarze

Transkrypt

Wstęp do MikroSystemów MIKROSYSTEMY - następna rewolucja Wykład 5 Mikrosystemy
Wstęp do MikroSystemów
Wykład 5
Mikrosystemy
dr inŜ. Zbigniew Pióro
Instytut Mikroelektroniki i Optoelektroniki PW
(C) Z.Pióro, WMS_w5, wiosna 2008, slajd 1
(C) Z.Pióro, WMS_w5, wiosna 2008, slajd 2
Miniaturyzacja ma inŜynierski sens!!!
MIKROSYSTEMY - następna rewolucja
Małe systemy poruszają i zatrzymują się szybciej dzięki małej
inercji. Są więc idealne dla precyzyjnego ruchu i szybkiej aktuacji.
Mikrosystem to zestaw
małych, inteligentnych
przyrządów, który potrafi
nie tylko myśleć, ale takŜe
wyczuwać, działać i
komunikować się. MoŜe
nawet wiedzieć, gdzie jest i
co się naokoło niego dzieje.
Zminiaturyzowane systemy doznają mniejszych zniekształceń
cieplnych i wibracji mechanicznych ze względu na małą masę.
Miniaturowe urządzenia są szczególnie dopasowane do zastosowań
biologicznych i kosmicznych dzięki swoim małym rozmiarom.
Mniejsze rozmiary systemów oznaczają mniejsze zapotrzebowanie
na przestrzeń. UmoŜliwia to upakowanie większej liczby
funkcjonalnych komponentów w jednym urządzeniu.
Mniejsze zapotrzebowanie na materiały oznacza niskie koszty
produkcji i transportu.
Gotowa produkcja masowa wsadowa taka jak układów scalonych.
(C) Z.Pióro, WMS_w5, wiosna 2008, slajd 3
(C) Z.Pióro, WMS_w5, wiosna 2008, slajd 4
Według:
What are MEMS/NEMS?
Mikrosystemy
MEMS/NEMS is a batch-fabricated integrated nano- and
microscale system performing sensing, computing and
actuating functions.
MEMS/NEMS is a way of “making things” - fabrication
technology.
Detekcja
(C) Z.Pióro, WMS_w5, wiosna 2008, slajd 5
Analiza
Akcja
MEMS/NEMS is a methodology – operation, design and
analysis of nano- and microsystems.
(C) Z.Pióro, WMS_w5, wiosna 2008, slajd 6
1
Mikrosystem
uŜytkownik
Interfejs człowiek/maszyna
MIKROSYSTEM
mikroaktuatory
układy
przetwarzania
sygnałów
Unikalne właściwości Mikrosystemów (1) - wielkie wyzwanie dla inŜynierów
Komponenty mają mikrometrowe wymiary i złoŜoną
geometrię:
Składa się z:
– mikrosensorów,
– mikroaktuatorów i
– mikroprocesorów.
Mikrosystem przetwarza takŜe
mikromechanizmy
mikrosensory
materię, nie tylko informacje.
Mikro-przekładnia z
Sandia National Laboratories
mikroświat
25 µm
Ew. indykatory - wskaźniki
(C) Z.Pióro, WMS_w5, wiosna 2008, slajd 7
(C) Z.Pióro, WMS_w5, wiosna 2008, slajd 8
Unikalne właściwości Mikrosystemów (2) - wielkie wyzwanie dla inŜynierów
Unikalne właściwości Mikrosystemów (3) - wielkie wyzwanie dla inŜynierów
Oczekuje się realizacji wyrafinowanych funkcji
elektromechanicznych:
Sieć światłowodowa 2-D:
Większość mikrosystemów potrzebuje przetwarzania
sygnałów – potrzeba integracji mikroelektroniki i mikrostruktur:
Mikroprzełącznik 2-D dla sieci
światłowodowych z Lucent Technologies:
µ-przyrządy
100 µm
sensor inercyjny:
2 mm x 3mm
Analog Devices
(C) Z.Pióro, WMS_w5, wiosna 2008, slajd 9
(C) Z.Pióro, WMS_w5, wiosna 2008, slajd 10
Unikalne właściwości Mikrosystemów (4) - wielkie wyzwanie dla inŜynierów
Unikalne właściwości Mikrosystemów (5) - wielkie wyzwanie dla inŜynierów
Niezbędny jest kontakt z roboczym medium
- często są to media nieprzyjazne środowiskowo
(ciepło, chemikalia, środowisko biologiczne, wilgotność, etc.)
Mikro-czujniki ciśnienia:
Większość mikrosystemów jest skonstruowanych z
wielu warstw róŜnych materiałów
- kompatybilność cieplna, ścinanie międzywarstwowe,
delaminacja, etc.
Przekrój mikrosilnika elektrostatycznego:
Czujnik ciśnienia dolotowego:
(C) Z.Pióro, WMS_w5, wiosna 2008, slajd 11
(C) Z.Pióro, WMS_w5, wiosna 2008, slajd 12
2
Pojęcia podstawowe
Sensory MEMS Boscha dla zastosowań motoryzacyjnych
śyroskopy
(poduszki, nawigacja)
Podstawowym elementem mikrosystemów - i w istocie
powodem ich powstania - są mikrosensory.
Czujniki szybkości obrotu
(dla systemów ESP)
Czujniki
inercyjne
MAP (Motronic)
Pojęcia podstawowe i ich definicje:
Przetwornik (ang. Transducer)
Akcelerometry
(poduszki, ESP)
Wysokie ciśnienie
(Motronic)
BAP
(Motronic, poduszki)
Czujniki
ciśnienia
Czujnik (ang. Sensor)
Aktuator (ang. Actuator)
(C) Z.Pióro, WMS_w5, wiosna 2008, slajd 13
i-Bolt (zajętość fotela)
Jakość oleju
> 600 milionów sensorów – 130m w 2006
(C) Z.Pióro, WMS_w5, wiosna 2008, slajd 14
Przetwornik (ang. Transducer)
Rodzaje przetworników
Przetwornik to przyrząd transformujący sygnał (energię)
z jednej postaci (dziedziny) w inną.
Przetworniki
Dziedziny:
1.
CO2, NO, T, H2O
Czujniki
mediów +
cięŜaru
Elektryczna - napięcie, prąd, ładunek, rezystancja, pojemność,
wejściowe
polaryzacja, ...
wyjściowe
2. Magnetyczna – natęŜenie pola, gęstość strumienia, moment
magnetyczny, przenikalność, ...
3. Mechaniczna - siła, ciśnienie, prędkość, przyspieszenie, pozycja, ...
Aktuatory
Czujniki
4. Termiczna - temperatura, entropia, ciepło, przepływ ciepła, ...
5. Chemiczna - koncentracja, skład, szybkość reakcji, ...
6. Radiacyjna – natęŜenie promieniowania elektromagnetycznego,
faza, długość fali, polaryzacja odbicia, transmitancja, ...
(C) Z.Pióro, WMS_w5, wiosna 2008, slajd 15
(C) Z.Pióro, WMS_w5, wiosna 2008, slajd 16
Czujniki (Sensory)
Kilka pojęć uŜywanych bywa zamiennie:
– przetwornik,
– sensor (czujnik) i
– detektor.
Dodatkowo pojawiają się dwa pojęcia:
Smart Sensor
Inteligent Sensor
Czasami mikrosystem to sam czujnik, ale wytwarzany
technologią przypisaną mikrosystemom.
Smart czy Inteligent to juŜ kategorie sticte mikrosystemowe.
(C) Z.Pióro, WMS_w5, wiosna 2008, slajd 17
Czujniki (Sensory)
Sensor (czujnik) a detektor (czujka)
Czujnik → czuć
Czujka → czuwać
Detektor (czujka) - urządzenie słuŜące do wykrywania
sygnałów, zdarzeń, itp.
Detektor zawiera czujnik (czujniki) + układ decyzyjny.
(C) Z.Pióro, WMS_w5, wiosna 2008, slajd 18
3
Czujnik a przetwornik
Sensor to przyrząd reagujący w odpowiedni sposób (wyczuwający
odpowiednio) na pewną wielkość fizyczną (wielkość wejściowa) i
wytwarzający inną wielkość fizyczną (wielkość wyjściowa), której
wartość zmienia się proporcjonalnie do zmiany wartości wielkości
wejściowej.
Bosch – definicja czujnika (sensora)
Uwzględniając zakłócenia Yi, czujnik przetwarza fizyczną lub
chemiczną (zazwyczaj nieelektryczną) wielkość wejściową Φ na
elektryczną wielkość wyjściową E. Często realizowane jest to z
pomocą nieelektrycznych stopni pośrednich. Elektryczna wielkość
wyjściowa czujnika występuje nie tylko w postaci prądu i
Przetwornik to przyrząd, który przetwarza energię z jednego
napięcia, ale moŜe być w postaci amplitud prądu czy napięcia,
systemu do drugiego systemu w tej samej lub innej postaci.
częstotliwości, fazy, czasu trwania impulsów, lub teŜ jako
Sensowne rozróŜnienie to uŜywanie określenia ‘sensor’ dla samego
wielkości elektryczne typu „Rezystancja”, „Pojemność”, i
elementu wyczuwającego a ‘przetwornik’ dla elementu
„Indukcyjność”.
wyczuwającego plus stowarzyszony układ. Wszystkie przetworniki
Jest to w istocie
element trójportowy.
I tak jest zawsze w
elektronice.
wejściowe zawierają sensory natomiast większość (ale nie
wszystkie) sensorów moŜe być przetwornikami.
(C) Z.Pióro, WMS_w5, wiosna 2008, slajd 19
Wielkość fizyczna/
chemiczna Φ
(nieelektryczna)
Sensor
Elektryczny
sygnał wyjściowy E
Zakłócenia Yi (temperatura,
fluktuacje napięcia zasilania, ...)
(C) Z.Pióro, WMS_w5, wiosna 2008, slajd 20
Inteligent i Smart
Inteligencja
O pewnych czujnikach i przetwornikach mówi się, Ŝe są
Inteligencja to zdolność do „kombinowania” - wiedza a priori
inteligentne i/lub „smart”.
(dostępna przed eksperymentem) oraz ew. adaptacyjne
uczenie się (z doświadczenia).
Co to jest?
To są określenia na to, co nie mieści się w prostych,
podanych poprzednio definicjach.
Sensor „inteligentny” jest w stanie modyfikować swoje
zachowanie dla zoptymalizowania zbierania danych z
zewnętrznego świata.
(C) Z.Pióro, WMS_w5, wiosna 2008, slajd 21
(C) Z.Pióro, WMS_w5, wiosna 2008, slajd 22
Inteligencja
Adaptacja i kompensacja to główne pojęcia dla filozofii
Inteligentnych Sensorów.
Smart
„Smart sensor” to sensor mający dodatkowe funkcje poza
niezbędnymi dla generacji właściwej reprezentacji
wielkości wyczuwanej lub kontrolowanej (IEEE 1451.2).
sygnału w jednym układzie scalonym.
Typowo te funkcje upraszczają integrację przetworników
w aplikacje w środowisku sieciowym.
Minimalne wymagania na procesor sygnału nie są jasne:
Przetwornik to coś, co przetwarza energię – na wyjściu
Inteligentny Sensor to przyrząd łączący sensor i procesor
- scalona podstawowa elektronika (kondycjonowanie sygnału, ADC),
daje energię w jakiejś postaci. W przypadku smart na
- mikroprocesor,
wyjściu jest transmisja informacji, np. cyfrowa, bądź
- funkcje logiczne i podejmowanie decyzji.
wyświetlanie wyniku. Nie jest to energia. Stąd pewnie
nazwa smart sensor a nie przetwornik.
(C) Z.Pióro, WMS_w5, wiosna 2008, slajd 23
(C) Z.Pióro, WMS_w5, wiosna 2008, slajd 24
4
Smart Devices
Hardware-architecture definition of “Smart Devices”
BILL of Things' rights (Things have right to):
• Have an identity – ma osobowość
Smart = intelligent
• Access other objects – moŜe pogadać z innymi
• Detect the nature of their environment – wie gdzie jest
Neil Gershenfeld, "When things start to think" , 1999
Sieć inteligentnych sensorów
Neil Gershenfeld
Director of the Physics and Media Group at MIT's
Media Lab.
Co-Director of the Things That Think consortium.
(C) Z.Pióro, WMS_w5, wiosna 2008, slajd 25
Ubiquitous Computing, 2005, Helmut Dispert
(C) Z.Pióro, WMS_w5, wiosna 2008, slajd 26
Sieci rozproszonych czujników
Smart Sensor
Architektura „smart” sensora
Ze względu na wymogi sieci rozproszonych czujników, sensory muszą
posiadać więcej funkcjonalności niŜ tylko pobieranie danych i ich
Ograniczona
pojemność
Ograniczona
Ŝywotność
ślepe przesyłanie do centralnego węzła. Inteligentne sensory są
Sensing
Przetwarzanie
Komunikacja
rozszerzeniem sensorów tradycyjnych o zaawansowane moŜliwości
uczenia się i adaptacji.
Zasi-
System (sieć) musi być takŜe rekonfigurowalny i wykonywać
lanie
S
e
n
s
o
r
y
niezbędną interpretację danych, łączyć (fuzja) dane z wielu sensorów
i walidować dane zebrane lokalnie i zdalnie. Dlatego teŜ inteligentne
sensory zawierają wbudowane moŜliwości przetwarzania danych
Wymaga
nadzoru
A
D
C
Wolne
przetwarzanie
Pamięć
Mikroprocesor
R
a
d
i
o
Algorytmy
Internet
RT OS
umoŜliwiające realizację skomplikowanych zadań (sensing i actuating)
wraz z realizacją aplikacji wysokiego poziomu.
(C) Z.Pióro, WMS_w5, wiosna 2008, slajd 27
Funkcje systemu inteligentnych sensorów mogą być opisane takimi kategoriami
jak: kompensacja, przetwarzanie informacji, komunikacja i integracja.
(C) Z.Pióro, WMS_w5, wiosna 2008, slajd 28
Kompensacja
Przetwarzanie informacji
Kompensacja - moŜliwość systemu do detekcji i reakcji na zmiany w
środowisku sieci poprzez procedury autodiagnostyki, autokalibracji i
adaptacji.
Inteligentny sensor musi być w stanie wykonać walidację zbieranych
danych, porównać je z danymi otrzymanymi od innych czujników i
potwierdzić dokładność kaŜdej zmiany danych.
Proces ten zawiera w sobie moŜliwość konfiguracji sensora.
Przetwarzanie informacji - zawiera przetwarzanie zorientowane na
zbierane dane mające na celu wzbogacenie i interpretację zbieranych
danych i maksymalizację efektywności systemu poprzez
kondycjonowanie sygnałów, redukcję danych, detekcję zdarzeń i
podejmowanie decyzji.
MoŜe zawierać zestaw technik filtracji i innych technik manipulacji
danymi oraz zaawansowane techniki uczenia się dla ekstrakcji i
klasyfikacji w celu dostarczania do interfejsu komunikacyjnego
najbardziej istotnych danych w efektywnej reprezentacji.
(C) Z.Pióro, WMS_w5, wiosna 2008, slajd 29
(C) Z.Pióro, WMS_w5, wiosna 2008, slajd 30
5
Integracja
Komunikacja
Elementy komunikacji systemu inteligentnych sensorów zawierają
standardowy protokół sieciowy łączący spójnie rozproszone sensory
Integracja w inteligentnych sensorach to połączenie na chipie
zapewniając efektywną komunikację i tolerancję na błędy.
sensora, przetwarzania i ew. komunikacji.
Tradycyjne, specjalizowane systemy sensorów często mają szereg
MoŜe to być realizowane technologiami MEMS, nanotechnologiami
ograniczeń związanych z kosztem, elastycznością i złoŜonością.
czy biotechnologiami.
Celem inteligentnych sensorów jest obejście tych ograniczeń poprzez
wykorzystanie standaryzowanych interfejsów przetworników oraz
protokołów komunikacyjnych dających w rezultacie autonomiczne,
rozproszone, rekonfigurowalne sensory.
(C) Z.Pióro, WMS_w5, wiosna 2008, slajd 31
(C) Z.Pióro, WMS_w5, wiosna 2008, slajd 32
Struktura warstwowa
Do opisu funkcjonalności systemu moŜe być wykorzystana struktura
hierarchiczna, w której:
Przykład
Wyobraźmy sobie inteligentne (smart) sensory wibracji monitorujące
fragment obrotowej maszyny (później będzie więcej!) - sygnały.
Specjalny algorytm moŜe obliczać FFT na rekordach zmierzonych
danych i – jeŜeli amplituda jakiegoś prąŜka będzie powyŜej jakiejś
•
najniŜsza warstwa realizuje funkcje przetwarzania sygnałów,
•
wyŜsza warstwa realizuje przetwarzanie informacji,
•
warstwa najwyŜsza realizuje przetwarzanie wiedzy i
Setki milionów pomiarów dotyczących procesu czy fragmentu maszyny
komunikację.
moŜe zostać sprowadzone do jednego bitu wiedzy (np. łoŜysko się
wartości granicznej – wysłać tę daną (informację) do systemu informacja.
zuŜyło, wymień je).
System nadrzędny podejmuje decyzje o serwisie – wiedza.
(C) Z.Pióro, WMS_w5, wiosna 2008, slajd 33
(C) Z.Pióro, WMS_w5, wiosna 2008, slajd 34
Mikrosystemy - mikrosensory
Mikrosystemy – mikrosensory c.d. ..
Z tego teŜ powodu procesy projektowania i rozwoju
Istnieje bardzo waŜny aspekt mikrosensorów:
mikrosensorów powinny zawierać jednocześnie aspekty
będąc małymi, i generalnie wytwarzając małe sygnały, nie
interfejsowania i obudowywania w celu skutecznego dojścia do
interfejsują się one trywialnie z makro-światem.
działającego systemu mikro-sensorowego.
Dlatego teŜ sensory mikromechaniczne nie mogą być
W pewnych przypadkach, gdzie nie moŜna polegać na
rozpatrywane jako niezaleŜne elementy - powinny być
standardowej technologii (tj. w postaci foundry-processes*),
rozpatrywane jako mikrosystemy zawierające nie tylko
moŜe być nawet konieczne zaprojektowanie procesów
strukturę mikrosensora ale równieŜ interfejs i obudowę.
mikroprodukcji jednocześnie z mikrosystemami.
(C) Z.Pióro, WMS_w5, wiosna 2008, slajd 35
Gijs Krijnen, „Micromechanical Sensors”, MESA+
Research Institute, Transducer Technology Laboratory,
University of Twente, Enschede, The Netherlands
*) Przykładem „foundry service” moŜe być proces MUMPS oferowany przez
Microelectronics Center of North Carolina (MCNC). Proces ten zawiera obecnie technologię
mikroobróbki powierzchniowej o 3 polikrzemowych warstwach strukturalnych w połączeniu z
wymaganymi warstwami ofiarnymi oraz warstwą azotku krzemu ( dla izolacji elektrycznej).
(C) Z.Pióro, WMS_w5, wiosna 2008, slajd 36
6
Mikrosystemy - mikrosensory c.d. ..
Mikrosystemy - mikrosensory c.d. ..
PowyŜsze pokazuje takŜe multidyscyplinarną naturę systemów
Co więcej, system sensorowy musi być obudowany. Mimo Ŝe
mikrosensorowych; istotne są nie tylko mechaniczne właściwości
obudowy elektronicznych układów scalonych nie są rzeczą
struktury, ale generalnie wszystkie dziedziny fizyczne biorące
trywialną, to obudowy mikrosensorów mogą być bez porównania
udział w przetwarzaniu mezurandu na wynikowy sygnał.
trudniejsze z tego powodu, Ŝe sensor musi w pewien sposób być
MoŜe to zawierać np. mechanikę, dla aktualnej odpowiedzi
sensora (np. ugięcia membrany), optykę (dla odczytu
przesunięcia), opto-elektroniczne przetwarzanie i elektronikę
„otwarty” na środowisko w celu pomiaru mezurandu. Oznacza to,
Ŝe oprócz połączenia elektrycznego potrzebuje on co najmniej
jednego innego połączenia - fizycznego.
TakŜe z tego punktu widzenia projektowanie i opracowywanie
dla dalszego przetwarzania sygnału.
systemów mikrosensorowych wymaga multidyscyplinarnych
zespołów i podejścia systemowego bardziej niŜ jedynie
monodyscyplinarnego pogłębiania wiedzy.
(C) Z.Pióro, WMS_w5, wiosna 2008, slajd 37
(C) Z.Pióro, WMS_w5, wiosna 2008, slajd 38
MICROSYSTEMY - nazewnictwo
MEMS
=
Micro
Electro
Mechanical
Systems
MST = Micro System Technology
Micro Machines
Skrót MEMS jest uŜywany powszechnie.
Oprócz nazwy MEMS pojawiły się nazwy pochodne, takie jak:
Stany
Zjednoczone
MEMS
⇒
⇒
MICROSYSTEMY - nazewnictwo
Europa
Japonia
⇒
⇒
– optyczne MEMS
BIO_MEMS
– biologiczne MEMS
RF_MEMS
– MEMS wielkiej częstotliwości.
Micro machines
MST
UŜywana głównie w USA
Podstawą jest technologia
układów scalonych =>
produkcja masowa
MOEMS
UŜywana głównie w Europie
Podejście systemowe,
obejmuje zarówno MEMS
jak i micro machines
⇒
UŜywana głównie w Japonii
⇒
Podstawą jest mechanika
precyzyjna
(C) Z.Pióro, WMS_w5, wiosna 2008, slajd 39
(C) Z.Pióro, WMS_w5, wiosna 2008, slajd 40
Geneza MEMS i Opto-MEMS
Fuzja trzech technologii
Laser 1960
Laser półprzewodnikowy
Światłowody
Mikro
Optyka
Mikrosystem – schemat ogólny
Bodźce
Dźwięk
Ciśnienie
OptoMechanika
Resonant Gate
Transistor
OptoElektronika
Chemiczne
Opto
MEMS
Nathanson, 1967
Mikro
Mechanika
MEMS
Temp.
Inne
Mikro
Elektronika
Akcje
Światło
S
E
N
S
O
R
Y
Analogowe
i Mieszane
Przetwarzanie
Sygnałów
Cyfrowe
Przetwarzanie
Sygnałów
Mieszane i
Analogowe
Przetwarzanie
Sygnałów
A
K
T
U
A
T
O
R
Y
Mechaniczne
Wyświetlanie
Moc
elektryczna
KOMUNIKACJA
Petersen, "Silicon as a
mechanical material,"
IEEE Trans. 70, 1982
Układ scalony
1958
Optyczna/Elektryczna/Radiowa
Pięć elementów systemowych/funkcjonalnych: sensory, analogowe przetwarzanie
sygnałów, cyfrowe przetwarzanie sygnałów, aktuatory, oraz komunikacja.
(C) Z.Pióro, WMS_w5, wiosna 2008, slajd 41
(C) Z.Pióro, WMS_w5, wiosna 2008, slajd 42
7
Mikrosystemy - wizja
Mikrosystemy – realizacja (jeszcze niepełna)
Druga rewolucja krzemowa:
Systemy, które wiedzą gdzie są i co się naokoło nich dzieje
Myśli
Obudowa
Czuje
mikroprocesory,
pamięci,
ASIC
Sensory,
radary, GPS
Działa
MEMS,
aktuatory,
mechanizmy,
mikromaszyny
Komunikuje się
Optycznie,
bezprzewodowo
Zasila się
(C) Z.Pióro, WMS_w5, wiosna 2008, slajd 43
Baterie, ogniwa paliwowe,
nuklearne, odzyskiwanie
energii
Według:
Źródło: Bosch
(C) Z.Pióro, WMS_w5, wiosna 2008, slajd 44
Mikrosystemy - dlaczego?
Mikrosystemy - alegoria
1. Redukcja kosztów
- Mniej elementów
- Produkcja wielkoseryjna – adaptacja technologii IC
3.Niezawodność
- adaptacja narzędzi – mniejsze inwestycje
- wykorzystanie „bezuŜytecznych” fabryk 6”
- Redukcja rozmiarów – więcej na płytce
- Mniej wtyczek i kabli
- Mniej elementów
5 waŜnych powodów
2.Rozmiary, waga, moc
- minimalnie inwazyjne
- wykorzystanie praw skalowania
4.Uniwersalność
- BIO MEMS, Optyczne MEMS,
http://www.delta.dk/mems/delt
a_microsystems/content.htm
(C) Z.Pióro, WMS_w5, wiosna 2008, slajd 45
Powód szósty
RF MEMS, Lab-on-Chip,
sensory chemiczne, fizyczne, etc.
(C) Z.Pióro, WMS_w5, wiosna 2008, slajd 46
5.Nowe funkcjonalności
- Krzem jest nie tylko półprzewodnikiem
- ZłoŜone struktury, matryce (np. DLP)
- Samotestowanie, sprawdzanie dokładności, itp.
- Funkcje/rozwiązania niemoŜliwe w skali makro
- Integracja z elektroniką → zmniejszenie
szumów i zakłóceń
Mikrosystemy – liczba elementów
Nie mamy wyboru!
„The Law of Accelerating Returns”
Evolution (sophistication) of life-forms or technology speeds up because
they are build on their own recorded degree of order. Ray Kurzweil calls
this The Law of Accelerating Returns*
This Law of Accelerating Returns gave us ever greater order in technology
which led to computation -- the essence of order.
For life-forms DNA provides the record. In the case of technology it is
the ever improving methods to record information.
Moore’s law (based on a temporary methodology i.e., lithography) is only an
example of the Law of Accelerating Returns. Beyond lithography we may
TI Micro-Mirror Display
Boeing 747
expect further progress in miniaturization based on DNA, quantum
devices, AFM lithography, nanotubes, etc.
> milion ruchomych części
> 50k ruchomych części
*Ray Kurzweil in The Age of Spiritual Machines
(C) Z.Pióro, WMS_w5, wiosna 2008, slajd 47
(C) Z.Pióro, WMS_w5, wiosna 2008, slajd 48
8
Mikrosystemy – Digital Light Processor
15 µµm
Ludzki włos
Technologie mikrosystemowe
DMD™ (Digital Micromirror Device) – technologia
mikroluster sterowanych cyfrowo
DLP™ (Digital Light Processing) – technologia cyfrowego
wyświetlania wykorzystywana w projektorach i TV
(C) Z.Pióro, WMS_w5, wiosna 2008, slajd 49
(C) Z.Pióro, WMS_w5, wiosna 2008, slajd 50
Kluczowe technologie miniaturyzacji
Micro Systems Technology
(MST)
(1 µm - 1 mm)*
Mikrotechnologie
Mimo, Ŝe termin MEMS nie jest ograniczony do mikroobróbki krzemu,
MY
to większość obecnych technologii MEMS bazuje na krzemie.
Podejście „top-down”
Budowanie rzeczy
coraz mniejszych
Miniaturowe przyrządy
(1 nm - 1 mm)
Wynika to z kilku waŜnych przyczyn.
mikro-/nanoobróbka
Płytka monokrystalicznego krzemu oferuje doskonałą kombinację
jakości, od idealnej elastyczności (brak efektu pełzania czy histerezy1)
nanochemia
do dobrego przewodnictwa cieplnego, od niskiej do średniej
Budowanie rzeczy
(0,1 nm - 1 µm)**
przewodności elektrycznej (zaleŜnie od rodzaju i poziomu
coraz większych
NanoTechnology (NT)
domieszkowania), od małego współczynnika rozszerzalności cieplnej do
Podejście „bottom-up”
* 1 µm = 10-6 m ≈ 0,1 średnicy ludzkiego włosa
** 1 nm = 10 -9 m ≈ 10 „średnic” atomu wodoru
Matka
Natura
A my próbujemy
(C) Z.Pióro, WMS_w5, wiosna 2008, slajd 51
stabilności aŜ do wysokich temperatur.
1
Pełzanie to zjawisko kontynuacji deformacji pod stałym obciąŜeniem. Histereza, z
drugiej strony, to efekt zaleŜności deformacji materiału od jej historii, będąc dla
przykładu inną dla zwiększania i zmniejszania obciąŜenia.
(C) Z.Pióro, WMS_w5, wiosna 2008, slajd 52
Mikrotechnologie
Mikrotechnologie
Co waŜniejsze, płytki krzemu są produkowane i wykorzystywane na
Powtarzanie sekwencji 4 procesów
fizyko-chemicznych:
ogromną skalę w scalonej mikroelektronice, co daje niską cenę i
nakładanie warstw, fotolitografia,
kompatybilne urządzenia.
trawienie i domieszkowanie.
Si
płytki wchodzą
nakładanie
warstwy
Dodatkowo - z pewnymi ograniczeniami technologicznymi - płytki
krzemowe umoŜliwiają integrację monolityczną funkcji mechanicznych
i elektrycznych w tym samym chipie oferując ogromny potencjał,
fotolitografia
domieszkowanie
zarówno dla tanich jak i zaawansowanych systemów sensorowych.
zestaw masek
Dlatego większość przyrządów MEMS jest wykonywana na płytkach
krzemowych jako podłoŜu startowym.
(C) Z.Pióro, WMS_w5, wiosna 2008, slajd 53
trawienie
Zasadnicza róŜnica w stosunku do
klasycznego procesu wytwarzania narzędzia maszynowe
(C) Z.Pióro, WMS_w5, wiosna 2008, slajd 54
płytki wychodzą
test/sortowanie
9
Mikrosystemy – technologie
Technologie wytwarzania MEMS
Bulk Micromachining
(Mikroobróbka objętościowa)
⇒Układ
Czujnikiscalony
ciśnienia to urządzenie dwuwymiarowe (?),
⇒ Akcelerometry
mikrosystem
to urządzenie trójwymiarowe.
⇒ Dysze drukujące
Technologie
mikroelektroniczne nie nadają się
Surface
Micromachining
(Mikroobróbka powierzchniowa)
do wytwarzania mikrosystemów –
⇒wprost
Czujniki ciśnienia
⇒ Akcelerometry
być dodane dodatkowe procesy.
⇒ Projektory cyfrowe
muszą
<100>
{111}
Trawienia
samoograniczane
Elektroda
górna
Szkło
Krzem
Elektroda gorąca
Membrana Si
domieszkowana Borem
200°C < T < 500°C
200 V < VS < 1000 V
Anizotropowe trawienie głębokie
Anodowy bonding płytek
Zawieszona
belka
Usunięta
warstwa
ofiarna
Zaczep
Promieniowanie X
LIGA
(High Aspect Ratio Micromachining)
⇒ Mechanizmy
Mikroobróbka powierzchniowa
(C) Z.Pióro, WMS_w5, wiosna 2008, slajd 55
LIGA
(C) Z.Pióro, WMS_w5, wiosna 2008, slajd 56
Bulk Micromachining, czyli ...
Anizotropowe trawienie mokre krzemu
{100}
“Jak rzeźbiono górę Rushmore”
{111}
Maska przednia
Membrana Si
domieszkowana
Borem
109.5°
{111
Skośne {111}
}
{111}
Maska tylna
1. Wystartowano z ogromnego
bloku
2. Usunięto wszystko, co nie
przypomina prezydentów
<100>
{111}
Bulk
Micromachining
70.5°
Skośne {111}
Widok z góry
Pionowe {111}
<110>
Membrana Si
domieszkowana
Borem
George Washington, Thomas Jefferson,
Theodore Roosevelt, and Abraham
Lincoln. South Dakota's Black Hills.
(C) Z.Pióro, WMS_w5, wiosna 2008, slajd 57
Trawienia
samoograniczane
(C) Z.Pióro, WMS_w5, wiosna 2008, slajd 58
Powierzchnia płytki
Rowek
Wgłębienie
Belki
Bulk Micromachining: trawienie i bonding płytek
Wytrawienie poŜądanych kształtów (właściwości) w podłoŜu
Mostek
Dysza
(opcjonalne) połączenie
(bonding) płytek ze sobą
Płaszczyzny (001)
Komora
Membrana
Membrana
Płaszczyzny (111)
Piezorezystor
Komórka elementarna
krzemu
(C) Z.Pióro, WMS_w5, wiosna 2008, slajd 59
Czujnik ciśnienia
(C) Z.Pióro, WMS_w5, wiosna 2008, slajd 60
10
Bulk Micromachining
Bulk Micromachining: kolumna chromatografii gazowej
Anizotropowe
trawienie
mokre krzemu
DRIE (Deep
Reactive Ion
Etching)
Odpowiada kolumnie o długości 1m
(C) Z.Pióro, WMS_w5, wiosna 2008, slajd 61
(C) Z.Pióro, WMS_w5, wiosna 2008, slajd 62
Bulk Micromachining
Surface Micromachining, czyli ...
Dissolved Wafer Si-on-Glass Process
Si
“Jak zbudowano most”
Szkło
1. Zbudowano warstwę ofiarną
(drewniane belki - szalunek).
p++
2. Na warstwę ofiarną nałoŜono
warstwę kamieni - warstwa
Widok z góry
strukturalna.
3. Usunięto warstwę ofiarną .
Przez szkło
(C) Z.Pióro, WMS_w5, wiosna 2008, slajd 63
(C) Z.Pióro, WMS_w5, wiosna 2008, slajd 64
Surface Micromachining - przykłady
Surface Micromachining: warstwy strukturalne i ofiarne
Im więcej poziomów mechanicznych, tym bardziej wyrafinowane przyrządy
2-poziomy
NałoŜenie i ukształtowanie
tlenku (warstwy ofiarnej)
10 µm
NałoŜenie i ukształtowanie
polikrzemu (warstwy strukturalnej)
Poli-Si
SiO2
Selektywne trawienie usuwające
warstwę ofiarną
(uwalniające warstwę strukturalną)
Zaczep
Belka
3-poziomy
Przekładnia ŁoŜysko
(C) Z.Pióro, WMS_w5, wiosna 2008, slajd 65
PodłoŜe Si
Silnik
ŁoŜysko
Przekładnia
Silnik
PodłoŜe krzemowe
PodłoŜe Si
5-poziomów
Mikrorezonator - silnik i czujnik elektrostatyczny
Warstwa #1
polikrzemu
PodłoŜe Si
4-poziomy
Czujniki
ŁoŜysko
Przekładnia
Cięgna
napędowe
Cięgna
napędowe
Silnik
Silnik
Ruchoma warstwa
PodłoŜe krzemowe
Warstwa #1 polikrzemu
Warstwa #2 polikrzemu
Zaawansowane
czujniki
Proste aktuatory
PodłoŜe krzemowe
Bolce
Warstwa #1 polikrzemu
Warstwa #2 polikrzemu
Warstwa #3 polikrzemu
Zaawansowane
aktuatory
PodłoŜe krzemowe
Warstwa #1 polikrzemu
Warstwa #2 polikrzemu
Warstwa #3 polikrzemu
Warstwa #4 polikrzemu
ZłoŜone systemy
(C) Z.Pióro, WMS_w5, wiosna 2008, slajd 66
11
LIGA Micromachining, czyli ...
LIGA Micromachining, czyli ...
LIthographie Galvanoformung Abformung
“Jak wytworzyć duŜo plastikowych Ŝołnierzyków”
Oddzielenie
metalu od PMMA
1.
Promieniowanie X
NałoŜenie PMMA
na metalową bazę
Wytworzyć formę
2. Wytworzyć Ŝołnierzyki poprzez
wtrysk plastiku do formy
Wywołanie PMMA
3. Wykorzystać formę powtórnie
Elektronakładanie
przez PMMA
(C) Z.Pióro, WMS_w5, wiosna 2008, slajd 67
(C) Z.Pióro, WMS_w5, wiosna 2008, slajd 68
LIGA Micromachining - przykłady
DENSO 1995 – zabawne i spektakularne
Miniaturowa wersja pierwszego samochodu osobowego
Toyoty model sedan AA z 1936 roku
Jego wymiary są zdumiewające 1/1000 wymiarów oryginalnych lub
wielkość ziarenka ryŜu.
Wymiary:
długość
- 4,785 mm,
szerokość - 1,73 mm,
Toyota AA’36
wysokość - 1,736 mm.
Struktura mechaniczna systemu
sprzęgania światłowodów
wytworzona technologią UVLIGA
Miniaturowa przekładnia epicykloidalna do
zastosowania w silnikach
elektromagnetycznych (Ni).
(C) Z.Pióro, WMS_w5, wiosna 2008, slajd 69
The Micro-Car składa się z 24 części 13 typów, wliczając w to korpus,
opony, oponę zapasową, koła, osie, łoŜyska, lampy przednie, lampy tylne,
zderzak przedni, zderzak tylny, stopnie, tablicę numeru i emblemat.
(C) Z.Pióro, WMS_w5, wiosna 2008, slajd 70
DENSO 1995 – zabawne i spektakularne
Miniaturowa wersja pierwszego samochodu osobowego
Toyoty model sedan AA z 1936 roku
Zderzak ze stali nierdzewnej:
te
ys
os
r
ik
grubość - 50 µm,
szerokość - 220 µm.
m?
tm
je s
o
t
AA’36
yToyota
Cz
Toyota AA’36
Koła:
średnica - 500 µm
Silnik elektryczny:
Back-up
średnica – 0,67 mm
zasilanie - prąd przemienny 3 V, 20 mA
przewody miedziane 18 µm, 600 obr./min. (5 – 6 mm/sek.)
(C) Z.Pióro, WMS_w5, wiosna 2008, slajd 71
Odpowiada to 20 km/godz. dla normalnego samochodu
(C) Z.Pióro, WMS_w5, wiosna 2008, slajd 72
12
OpAmp pod lupą
+U
5 zacisków
i 5 źródeł
szumów/zakłóceń
U2
V3
V1
3
7
U OUT
6
V5
2
U1
V1 – szumy
V2 – szumy
V4
RS
Wstawka o OpAmp
4
Cf
V3 – zasilanie
V2
R
L
V4 – zasilanie
V5 – sprzęŜenie
Rf
-U
U
cieplne
IN
Walt Jung, „Realizing High Performance: Buffers”, Analog Devices
(C) Z.Pióro, WMS_w5, wiosna 2008, slajd 73
(C) Z.Pióro, WMS_w5, wiosna 2008, slajd 74
Szumy zasilania
Szumy zasilania – MCP6042
Błędy V3, V4.
To wzmacniacz energooszczędny.
Źródłem są szumy zasilania i skończone PSRR (Power Supply Rejection
Ratio) wzmacniacza.
ZałóŜmy, Ŝe wzmacniacz tłumi szumy zasilania 80 dB dla częstotliwości 1 kHz.
(C) Z.Pióro, WMS_w5, wiosna 2008, slajd 75
(C) Z.Pióro, WMS_w5, wiosna 2008, slajd 76
Szumy zasilania
PSRR
-80dB
Szumy zasilania
Dla 15 V
~ - 90 dB
1mVp-p
f = 1 kHz
Standardowe, trójzaciskowe stabilizatory scalone, np. typu LM7815,
mają szum wyjściowy rzędu 100 µVrms, czyli rzędu 300 µVp-p (-95 dB).
Dodatkowo trzeba pamiętać, Ŝe stabilizator to dość dobre źródło
0.1 µVp-p
100 µVp-p
+
f1 = 10 MHz
1 Vp-p
napięciowe, zatem dokładanie pojemności „filtrujących” na wyjściu
60 dB
1 mVp-p
nic praktycznie nie daje. Tych szumów nie daje się odfiltrować.
0.1Ω × 100µF = 10-5 sek → 20 kHz
Ku = 10.000
7815
20V
80 dB
(C) Z.Pióro, WMS_w5, wiosna 2008, slajd 77
Tak naprawdę, to jeszcze –15V.
Dla 120 dB trzeba
zasilacz na
poziomie –150 dB,
czyli 2 µVp-p.
(C) Z.Pióro, WMS_w5, wiosna 2008, slajd 78
15V
Potrzebne 2 µVp-p
13
Szumy zasilania
Standardowe, trójzaciskowe stabilizatory scalone, np. typu LM7815,
mają szum wyjściowy rzędu 100 µVrms, czyli rzędu 300 µVp-p (-95 dB).
Dodatkowo trzeba pamiętać, Ŝe stabilizator to dość dobre źródło
napięciowe, zatem dokładanie pojemności „filtrujących” na wyjściu
nic praktycznie nie daje. Tych szumów nie daje się odfiltrować.
A więc uwaga Audiofile – konstruktorzy!!
-5
× 100µF
= 10 katalogowe!
sek → 20 kHz
Trzeba dokładnie czytać i 0.1Ω
rozumieć
karty
7815
20V
(C) Z.Pióro, WMS_w5, wiosna 2008, slajd 79
15V
Potrzebne 2 µVp-p
14

Podobne dokumenty