Download - !Rozdzial 1-Podstawy mechatroniki - wiak.imsi.pl · PDF fileopto-mechaniczne. Zwykle, optyczne systemy działają szybciej są prostsze i bardziej efektywne od systemów elektromechanicznych

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 dydakty-cznego 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

191

Jacek Gołębiowski

7. Mikrosensory i Mikroaktuatory

7.1. Dziedziny zastosowań mikrosensorów i mikroaktuatorów w mechatronice

Rynek mikrosensorów i mikroaktuatorów osiągnął obroty rzędu kilkunastu miliardów USD i utrzyma ponad 20% wzrost w nadcho-dzącej 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, mikro-systemy 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 monito-rowania stanu zdrowia pacjenta. W przemyśle lotniczym i kosmicznym stosowanych jest wiele mikrosystemów MEMS i MOEMS do pomiarów i sterownia podzespołami samolotów i rakiet.


192

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, przyspieszenia, położenia, przepływu

powietrza i paliwa, 2. siłowniki i silniki do przepływu cieczy oraz powietrza, pompy,

zawory.

7.2. 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].


193

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, cienko-warstwowej,

− procesy obróbki mikromechanicznej. Pierwsze z nich formują układy elektroniczne dla MEMS,

a drugie przestrzenne i powierzchniowe struktury mikromecha-niczne.

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 formo-wanie przestrzennych struktur krzemowych metodą mokrą. Procedurę powyższą określa się nazwą- głęboka obróbka mikro-mechaniczna 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.


194

W mikroobróbce powierzchni jest zwykle konieczne, by wybiór-czo 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-magneto-mechaniczne, elektro-opto-mechaniczne czy nawet elektro-chemo-opto-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 samo-dzielne elementy wykonawcze.

W zastosowaniach istotne są wymagania dotyczące wpływu zakłóceń elektromagnetycznych, wpływu temperatury, drgań, promieniowania. Wielkość elementów wykonawczych (mikro-, nano- skala) 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.


195

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 wykonawczych, sensorów i inteligentnych struktur),

• układów scalonych IC,

• urządzeń telekomunikacyjnych,

• układów optycznych,

• procesorów, pamięci,

• układami wejścia-wyjścia (IO). W ten sposób, w oprócz możliwości wytwarzania siły, momentu

(aktuator) i wykrywania (sensor) (wykonywanych przez mikro-przetworniki 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


196

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


197

(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 elektro-magnetycznych - mechanicznych- chemicznych i optycznych zjawiskach oraz procesach.

Podstawowe parametry charakteryzujące czujniki to: 1. zakres pomiarowy wejściowy i zakres sygnału wyjściowego, 2. wyjściowy sygnał niezrównoważenia przy braku sygnału

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. Podstawowe rodzaje czujników: 1. Czujniki do pomiaru wielkości mechanicznych:

Przemieszczenia, drgań, prędkości, przyspieszenia, ciśnienia, przepływu,

2. Czujniki do pomiaru temperatury, różnicy temperatur, strumienia cieplnego,

3. Czujniki do pomiar pola magnetycznego, elektrycznego, 4. Czujniki do pomiaru wielkości optycznych, natężenia,

przesunięcia fazowego, widma optycznego, 5. Czujniki do pomiaru wielkości chemicznych:

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:


198

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 pod-łożach 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.


199

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 opty-

czne 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 płaszczy-zny <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.


200

Rys. 7.4 System oznaczeń dla kierunków i płaszczyzn krystalograficznych [5]

Wiele procesów mikroelektronicznych znalazło zastosowanie w produkcji MEMS, takich jak epitaksja (wytwarzanie piezo-rezystywnych 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]

Materiał Tempe-ratura

topnienia (0C)

Współ- czynnik rozsze-

rzalności termicznej (×10-6/0C)

Gęstość (g/cm3 )

Moduł Younga (1011Pa)

Naprę-żenie grani-czne

(109 Pa)

Krzem 1415 2,5 2,4 1,3-1,69 6,9 Azotki krzemu

1900 2,8 1,48 2,43 14,0

Dwutlenek Krzemu

1600 0,5 2,27 0,73 8,4

Aluminium 660 25 2,70 0,70 0,17


201

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].


202

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 fluorowodo-


203

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 powierzchnio-wego trawienia może być uzupełniona procesem trawienia suchego (plazmowego). Trawienie plazmowe jest procesem izotropowym, w którym materiał podlega reakcji z jonami gazu. Stosowane gazy to


204

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 wytwarza-nia 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 pomia-ru 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


205

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 powierzch-niowymi 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 kierun-kach 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 właściwo-ści elementu piezorezystora, ma charakter anizotropowy i jest różny dla materiału typu n i p.

(7.1)

Gdzie: ε - odkształcenie, π - współczynnik piezorezystywności σ - naprężenia, ρ - rezystywność

σρσρπ 1)(

0

Δ=


206

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 krystalograficz-nych 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:

(7.2)

Parametrem pozwalającym porównać różne piezorezystory wytwarzane w różnych materiałach jest współczynnik czułości odkształceniowej G:

ε1

0RRG Δ= (7.3)

Gdzie: ΔR/R0 jest względną zmianą rezystancji wywołaną odkształceniem ε.

Ważnym parametrem jest temperaturowy współczynnik

rezystancji TCR (typowe wartości ok. 2500 ppm/ºC):

TRRTCRT Δ

Δ= 1

0

(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).

ttllRR σπσπ +=Δ


207

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)


208

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:

(7.5) p

Rr

hR

r Δ+−+= ])3()1[(83

2

2

2

2

ννσ


209

(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 poprze-cznie Rt do powstających naprężeń, które wynoszą odpowiednio:

EhzRR

tt

π32=Δ (7.7)

EhzRR

ll

π32=Δ (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 ):

pRr

hR

t Δ+−+= ])31()1[(83

2

2

2

2

ννσ


210

lFbhR

Rt

t

π2

6=Δ (7.9)

lFbhR

Rl

l

π2

6=Δ (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:

(7.11)

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 prostopadło-

ściennej k = Ebh3/4l3 ) D - współczynnik tłumienia

Równania (7.11) w postaci operatorowej ma postać:

(7.12)

Transmitancja K(s)=Z(s)/X(s) wynosi:

2

2

2

2

2

2

dtxda

dtxdmkz

dtdzD

dtzdm

=

−=++

)()( 2 sXkBsms

msZ &&++

−=


211

20

20

2

2)(

ss

ssK++

−=ξωω

(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 ω0

2, oznacza to że zbyt duża wartość częstotliwości drgań własnych f0 (częstotliwość rezonansowa belki

wynosi dE

lhf

3452,3 20 π

≅ , d - gęstość krzemu) ograniczy czułość

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 przetworni-ków 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 piezoelektrycz-nego.

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.


212

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 pojemno-ściowych 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)


213

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 zwię-kszenia 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:


214

zLxL

xC yx )()(

−= ε (7.14)

Dla przesunięcia prostopadłego elektrod, mamy:

zLL

zC yxε=)( (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 pojemno-ściowym.

Rys. 7.20 Przepływomierz gazowy z pojemnościowym przetwornikiem


215

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).

(7.16)

(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

pct

mx Δ=Δ

Δ''

pcCC Δ=Δ '


216

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 naprę-żeń występujących w podłożu.

Stosowanie układów mostkowych (Rys. 7.12) pozwala ograniczyć ten wpływ.

Wykorzystanie złącza p-n umożliwia pomiar temperatury zgodnie ze znaną zależnością:

)1(exp0 −=kTqUII (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]


217

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 aluminium- polikrzem (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


218

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 po-miaru 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 elektromoto-ryczna V3 pomiędzy elektrodami przetwornika (Rys. 7.24). Pod wpły-


219

wem działania siły rozciągającej następuje wydłużenie y1 piezo-elektryka. 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:

3111 eVy

sf E −= (7.19)

31 Vceyq S+= (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 składo-wymi wektorowymi W ogólnym przypadku własności piezo-elektryczne 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 piezoelektrycz-nych charakteryzują się następującymi parametrami:


220

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 termi-

cznych. 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, piezo-elektrycznych lub elektromagnetycznych. Do analizy drgań wykorzy-stuje się przetworniki piezorezystancyjne, piezoelektryczne, pojem-nościowe, optyczne.

Dla belki zamocowanej jednostronnie, częstotliwość rezonansowa dla modu podstawowego wynosi:


221

ρν )1( 220 −= E

lhcf (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 piezore-zystorami. Grzejnik rezystorowy zasilany jest impulsowo co powo-duje 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 powierz-chniowej, 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]


222

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 Kierunek przemieszczeń w stosunku do

kierunku propagacji

Kierunek przemieszczeń w

stosunku do powierzchni

czujnika TSM Objętościowy Poprzeczny Równoległy

Rayleigha Powierzchniowy Poprzeczny Prostopadły Love Powierzchniowy Poprzeczny Równoległy

Lamba FPW

Płytowy Poprzeczny Prostopadły

SH-APM Płytowy Poprzeczny Równoległy

Gdzie d- grubość ośrodka, λ- długość fali.

Tab. 7.3 Właściwości fal ultradźwiękowych stosowanych w mikroczujnikach [8]

Rodzaj fali

Badane otocze-

nie

Grubość ośrodka

Czynniki określające częstotliwość

Typowy zakres częstotliwości

(MHz)

TSM Gaz, ciecz d=λ/2 Grubość ośrodka 5-10

Rayleigha Gaz d>>λ Parametry

Przetwornika 30-300

Love Gaz, ciecz d>>λ Parametry

przetwornika 30-300

Lamba FPW

Gaz, ciecz d<<λ Grubość, parametry

przetwornika 2-10

SH-APM

Gaz, ciecz d=(3-10) λ Grubość, parametry

przetwornika 20-200


223

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 umieszczo-

nymi polu magnetycznym.


224

Tab. 7.4 Zastosowania mikroczujników z falami ultradźwiękowymi [8]

Rodzaj fali

Mechanizm przetwarzania Masa Napręże

nia Wewnę-

trzne

Lepkość spręży-stość

Zjawiska elektro-

akustyczne, magnetyczne

Gęstość i lepkość cieczy

TSM czujniki chemicz

ne gazów i cieczy;

detektory cząstek; pomiary grubości

filmu

pomiary ciśnień,

przyspie-szeń

pomiary przemiany

polime-rowe;

elektro-chemi-czne

Nie ma zastosowań ze

względu na elektryczną

izolację piezoelektryka

pomiary gęstości

i lepkości

SAW detektory cząstek; czujniki chemicz

ne gazów

pomiary sił

przemiany polime-rowe;

wykrywa-nie par (gazów)

przewodność elektronowa

(czujniki gazów); wolne dipole

(pomiar wilgotności)

pomiary gęstości

i lepkości

FPW czujniki chemicz

ne gazów i cieczy

pomiary ciśnień,

sił, przyspie-

szeń

przemiany polime-rowe;

wykrywa-nie par (gazów)

nie ma zastosowań ze

względu na separację

elektryczną piezoelektryka,

pomiary natężenia pola

magnetycznego

pomiary lepkości

i gęstości

APM czujniki chemicz

ne cieczy

nie ma zastosowania

lepkość dla w.cz., polime-rowe

utwardza-nie

jonowa przewodność, (pomiary w cieczach)

pomiary lepkości


225

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 genero-wana 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, ZnO- warstwa piezoelektryczna z tlenku cynku, Si, SiO2, Si3N4 - materiał membrany

(czujnik z generowaną falą typu płytowego )

Prędkość fazową fali Vn można wyznaczyć:

(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

( ) ⋅⎥⎥⎦

⎤

⎢⎢⎣

⎡

−⋅

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛+= 2

32

0 11221

νλπ hET

mV

nxn


226

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 współczyn-

niku 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.:

(7.23)

Gdzie: fn0 - częstotliwość przy braku obciążenia, fn,Δm- częstotliwość przy obciążeniu Δm.

Dokładne wyznaczenie gęstości wymaga znajomości prędkości

fali akustycznej w płynie.

0,0, // nmnnmn VVff ΔΔ =


227

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 η = 0,9 cP [0,1 Ns/m2]).

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


228

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.


229

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 przetwor-nikiem elektromagnetycznym generującym ultradźwiękową falę płytową. Konstrukcja przetwornika i jego rozmieszczenie na powie-rzchni membrany oraz parametry membrany są tak dobrane, że ge-nerowana 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


230

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:

(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: (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 pojedyn-czego 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

0

1

1 mff

n ϑρ

=Δ

nm

n

ZK

RZ21

1 )( +=ω


231

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 jed-nym 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 stoso-


232

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.


233

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.

)]cos(1[01 osVII φφ −−= (7.27)

)]cos(1[02 osVII φφ −+= (7.28)

Gdzie: I0 - natężenie promieniowania głównej wiązki φs, φo - przesunięcia fazowe strumienia sygnałowego

i strumienia odniesienia V - współczynnik kontrastu interferencyjnego


234

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:

)]cos(1[)( 0 φVIlI += (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.


235

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 skoko-wy 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


236

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 optyczno-geometrycznych 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:

22sin clcoa nnNA −== θ (7.30)


237

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 Współczyn-nik tłumienia

(dB/km)

Współczyn-nik

załamania

Temp. topnienia (stop C)

Zastosowania

SiO2

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

ZBLAN Szkło

domieszkowane fluorka

mi

3,9 (λ=1,55 μm)

1,48-1,54 600 Sensory

chemiczne

PPMA Polimetylometakrylan

60 (λ=0,560 μm)

1,492 (λ=0,633 μm) 210-240 Tanie sensory

natężeniowe

Szafir Kryształy Al203

500(λ=0,9 -2,8 μm)

1,763 (λ=0,633 μm) 2020

Wysoko-temperaturowe

sensory


238

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 światło-wodem o długości fali 1,3 μm.

Zastosowanie sensora i transmisji światłowodowej eliminuje wpływ zakłóceń elektromagnetycznych co ze względów na bezpie-czeństwo 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 mikro-zgięć 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.


239

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


240

7.6. Mikroaktuatory krzemowe

7.6.1. 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 mikro-aktautorach wykrzystuje się również przetworniki termiczne rzadziej chemiczne.

Największą grupę stanowią przetworniki elektrostatyczne i piezoelektryczne oraz magnetyczne w zastosowaniach mikro-aktuatorów.

W skali makro decydującą role pełnią aktuatory magnetyczne. W mikroskali oba rodzaje przetworników występują w podobnej liczbie zastosowań. Osiągnięcie przewagi jednej z grup przetwor-ników 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


241

elektrostatycznych przetworników z ruchem w kierunku prostopadłym i równoległym do powierzchni elektrod.

Energia potencjalna pola elektrycznego zmagazynowana w pojemności wynosi:

2

21 CUWE = (7.31)

Siła działająca Fz w kierunku prostopadłym (Rys. 7.19) będzie określona wzorem:

222

1)( Uz

LLz

WzF yxEz

ε=

∂∂−= (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:

2

21)( U

zL

xWxF yE

x

ε=

∂∂−= (7.33)

W tym przypadku siła Fx nie zależy od długości elektrod Lx w kierunku osi X, zatem siła działająca ma wartość stałą niezależnie


242

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 wytwarza-jącego 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.


243

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, przy którym następuje przebicie wynosi około 9*108 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 zgod-nie z wzorami:

TsdES E+= (7.34)


244

dTED T += ε (7.35)

Gdzie: 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]


245

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 przetwor-ników 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 prze-tworników 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):

xSzIHWM

20

20 )(

21

21 μμ == (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:

220 )(

21)( zI

xS

xWxFx μ=∂

∂−= (7.37)

Siła działająca na jednostkę powierzchni wynosi 20 )(

21

xzIF μ=

Przetworniki elektromagnetyczne znajdują częste zastoso-wania w mikrosilnikach z magnesami trwałymi (Rys. 7.48). Momenty elektromagnetyczne Mem wytwarzane w takich silnikach są zależne


246

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.


247

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:

2

2

2 hUSFe

ε= (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 2

2UFe

ε≈ w mikroaktuatorach nie zależą od efektu skali

(miniaturyzacji) i są zatem odpowiednie do stosowania w mikro-aktuatorach.

Podstawowa zależność sił Fm dla pola magnetycznego wynosi:

SBFm μ2

2

= (7.39)


248

We wzorze (7.39) S ~ x2, to oznacza, że siły 2xFm ≈ w mikro-aktuatorach maleją ze skalą miniaturyzacji. Nie oznacza to, prze-tworniki z polem magnetycznym nie są stosowane w mikroaktu-atorach. 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


249

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 stęże-niach 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 elemen-


250

tów, a wyniki powinny być weryfikowane za pomocą metod analitycznych (dla prostszych przypadków) oraz badań doświad-czalnych.

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 od-kształceń oraz modele 3D. Zastosowanie modeli 2D daje często do-bre 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 prosto-kątna, 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].


251

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]


252

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


253

Rys. 7.57 Przestrzenny rozkład linii sił pola magnetycznego generowanego

przez cewkę płaską przetwornika

7.9. Literatura

[1] Baltes H.: CMOS as a sensor technology, Sensors&Actuators, A37-38, 1993, pp.51-56

[2] Bean K.E.: Anisotropic etching of silicon, IEEE Trans Electron Devices, ED-25, 1978, pp.1185-1193,

[3] Cook R. D.: Finite element modeling for stress analysis, John Wiley &Sons, inc., New York, 1995

[4] Dziuban J.A.: Technologia i zastosowanie mikromechanicznych struktur krzemowych i krzemowo-szklanych w technice mikrosystemów, Oficyna Wydawnicza Pol. Wrocławskiej, Wrocław 2004

[5] Fukuda T. and Arai F.: Microrobotics- approach to the realization, Micro System Technology, 1992, pp.15-24

[6] Fukuda T., Menz W.: Micro Mechanical Systems, Principles and technology, Elsevier, 2001

[7] Gardner J.W.: Microsensors: principles and applications, John Wiley &Sons, inc., New York, 1994

[8] Gołębiowski J.: Modele mikroczujników membranowych z falami typu Lamba, ZN Politechniki Łódzkiej nr.879, Łódź, 2001

[9] Gołębiowski J., Prohuń T., Rybak M.: Modelling of the Silicon Membrane Vibrations Generated by Means of Electromagnetic


254

Forces. WSEAS Transaction on Systems, Issue 7, vol.3, 2004, pp.2538-2540

[10] 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

[11] Hatch M.R.: Vibration simulation using Matlab and Ansys, CRC Press, Boca Raton, 2001

[12] Judy J.W., Muller R.S.: Magnetically Actuated, Addressable Microstructures. Journal of Microelectromechanical Systems, vol. 6, no. 3, 1997., pp. 249-256

[13] Karnopp D. C.: System dynamics, John Wiley &Sons, inc., New York, 2000

[14] Kovacs G.T.A.: Micromachined transducers sourcebook, WCB McGraw-Hill, Boston, 1998

[15] Les Caren B.: Growth spurt seen for MEMS, Photonics Spectra, november 2008,

[16] Lopez-Higuera J.M.: Optical fibre sensing technology, John Wiley &Sons, inc., Chichester, England, 2002

[17] Lyshevski S.E.: Electromechanical systems, electric machines and applied mechatronics, CRC Press, Boca Raton, 1999

[18] Lyshevski S.E.: MEMS and NEMS, Systems, Devices and Structures, CRC Press, Washington 2002,

[19] Nawrocki W.: Sensory i systemy pomiarowe, Wyd. Politechniki Poznańskiej, Poznań, 2006.

[20] 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

[21] Stemme G.:Resonant silicon sensors, J. Micromech. Microeng., 1, 1991, pp.113-125

[22] Sidor T.: Elektroniczne przetworniki pomiarowe, AGH Uczelniane Wyd. Naukowo-Dydaktyczne, Kraków, 2006,.

[23] Tumański Sł.:Thin Film Magnetoresistive Sensors, IOP Publication, Bristol, 2001,

[24] LabVIEW, Measurement Manual, National Instruments 2001. [25] Hamamatsu, news, 2008, vol. 2

Download - !Rozdzial 1-Podstawy mechatroniki - wiak.imsi.pl · PDF fileopto-mechaniczne. Zwykle, optyczne systemy działają szybciej są prostsze i bardziej efektywne od systemów elektromechanicznych

Top Related