Wstęp do MikroSystemów MIKROSYSTEMY - następna rewolucja Wykład 5 Mikrosystemy

Transkrypt

Wstęp do MikroSystemów
Wykład 5
Mikrosystemy
dr inŜ. Zbigniew Pióro
Instytut Mikroelektroniki i Optoelektroniki PW
(C) Z.Pióro, WMS_w5, wiosna 2008, slajd 1
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.
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
Analiza
Akcja
MEMS/NEMS is a methodology – operation, design and
analysis of nano- and microsystems.
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
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
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:
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)
i-Bolt (zajętość fotela)
Jakość oleju
> 600 milionów sensorów – 130m w 2006
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, ...
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.
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.
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.
Wielkość fizyczna/
chemiczna Φ
(nieelektryczna)
Sensor
Elektryczny
sygnał wyjściowy E
Zakłócenia Yi (temperatura,
fluktuacje napięcia zasilania, ...)
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.
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.
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.
Ubiquitous Computing, 2005, Helmut Dispert
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.
Funkcje systemu inteligentnych sensorów mogą być opisane takimi kategoriami
jak: kompensacja, przetwarzanie informacji, komunikacja i integracja.
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.
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.
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.
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.
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).
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.
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
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.
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
Baterie, ogniwa paliwowe,
nuklearne, odzyskiwanie
energii
Według:
Źródło: Bosch
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
Powód szósty
RF MEMS, Lab-on-Chip,
sensory chemiczne, fizyczne, etc.
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
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
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
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.
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.
trawienie
Zasadnicza róŜnica w stosunku do
klasycznego procesu wytwarzania narzędzia maszynowe
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
LIGA
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.
Trawienia
samoograniczane
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
Czujnik ciśnienia
10
Bulk Micromachining
Bulk Micromachining: kolumna chromatografii gazowej
Anizotropowe
trawienie
mokre krzemu
DRIE (Deep
Reactive Ion
Etching)
Odpowiada kolumnie o długości 1m
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
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
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
Zaawansowane
czujniki
Proste aktuatory
PodłoŜe krzemowe
Bolce
Zaawansowane
aktuatory
PodłoŜe krzemowe
ZłoŜone systemy
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
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).
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.
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.)
Odpowiada to 20 km/godz. dla normalnego samochodu
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
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.
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
Tak naprawdę, to jeszcze –15V.
Dla 120 dB trzeba
zasilacz na
poziomie –150 dB,
czyli 2 µVp-p.
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
15V
Potrzebne 2 µVp-p
14

Wstęp do MikroSystemów MIKROSYSTEMY - następna rewolucja Wykład 5 Mikrosystemy

Transkrypt

Podobne dokumenty

SoC