!rozdzial 1-podstawy mechatroniki - wiak.imsi.pl · pdf fileopto-mechaniczne. zwykle, optyczne...

of 67/67

Post on 15-Feb-2018

218 views

Category:

Documents

3 download

Embed Size (px)

TRANSCRIPT

  • SAWOMIR WIAK (redakcja)

    Akademicka Oficyna Wydawnicza EXIT

  • Recenzenci: Prof. Janusz Turowski Politechnika dzka

    Prof. Ewa Napieralska Juszczak University Lille Nord de France, LSEE, UA, Francja

    Autorzy rozdziaw: Prof. Sawomir Wiak (rozdz. 1, 2, 10) Dr in. Krzysztof Smka (rozdz. 1, 2, 10) Mgr in. Anna Firych-Nowacka (rozdz. 2) Prof. Zbigniew Koaciski (rozdz. 3, 5, 6, 13) Mgr in. Andrzej Kubiak (rozdz. 4) Prof. Zbigniew Lisik (rozdz. 4) Dr hab. in. Jacek Gobiowski, prof. P (rozdz. 7) Dr in. Micha Szermer (rozdz. 8, 9) Dr in. Przemysaw Skalski (rozdz. 8, 9) Prof. Andrzej Napieralski (rozdz. 8, 9) Dr hab. in. Zbigniew Gmyrek (rozdz. 11) Dr hab. in. Pawe Witczak, prof. P (rozdz. 12)

    Podrcznik akademicki przygotowany w ramach projektu "Innowacyjna dydaktyka bez ogranicze - zintegrowany rozwj Politechniki dzkiej - zarzdzanie Uczelni, nowoczesna oferta edukacyjna i wzmacniania zdolnoci do zatrudniania, take osb niepenosprawnych", wspfinansowanego przez Uni Europejsk w ramach europejskiego Funduszu Spoecznego - Programu Operacyjnego Kapita Ludzki "Priorytet IV, poddziaanie 4.1.1. Wzmocnienie potencjau dydakty-cznego uczelni". Utwr w caoci ani we fragmentach nie moe by powielany ani rozpowszechniany za pomoc urzdze elektronicznych, mechanicznych, kopiujcych, nagrywajcych i innych, w tym rwnie nie moe by umieszczany ani rozpowszechniany w postaci cyfrowej zarwno w Internecie, jak i w sieciach lokalnych bez pisemnej zgody posiadacza praw autorskich. ISBN 978-83-60434-68-0 Copyright by EXIT, Politechnika dzka d 2009

  • 7. MIKROSENSORY I MIKROAKTUATORY

    191

    Jacek Gobiowski

    7. Mikrosensory i Mikroaktuatory

    7.1. Dziedziny zastosowa mikrosensorw i mikroaktuatorw w mechatronice

    Rynek mikrosensorw i mikroaktuatorw osign obroty rzdu kilkunastu miliardw USD i utrzyma ponad 20% wzrost w nadcho-dzcej dekadzie.

    Mikroelektromechaniczne systemy (MEMS) wykorzystywane w sensorach i aktuatorach wskazuj silny wzrost zastosowa w przemyle motoryzacyjnym, medycznym, bezpieczestwa, multimediw, telekomu-nikacyjnym i wytwrczym.

    Jest wiele produktw, ktre zawieraj miniaturowe sensory i aktuatory oraz mikrosystemy czce zarwno elementy pomiarowe, wykonawcze i sterujce.

    Podstawowe grupy produktw na rynku komercyjnym to m.in. gowice drukarek atramentowych, czujniki cinienia (wiele gazi przemysu m.in. motoryzacja), krzemowe mikrofony, akcelerometry, mikrobolometry, yroskopy, miniaturowe wywietlacze, mikro-systemy do przepywu pynw (przemys farmaceutyczny), mikroogniwa paliwowe.

    Pewna liczba urzdze jest w fazie testowania i wprowadzania do produkcji np. systemy bezpieczestwa aktywnego w samochodach (zastosowanie miniaturowych przetwornikw optoelektronicznych, kamer, radarw), nowe systemy bezpieczestwa dotyczce wykrywania materiaw wybuchowych i zagroe terorystycznych, systemy diagnostyczne dla monito-rowania stanu zdrowia pacjenta. W przemyle lotniczym i kosmicznym stosowanych jest wiele mikrosystemw MEMS i MOEMS do pomiarw i sterownia podzespoami samolotw i rakiet.

  • 7. MIKROSENSORY I MIKROAKTUATORY

    192

    Rys. 7.1 Wartoci rynkowe MEMS dla grupy najwaniejszych produktw [15]

    W przemyle motoryzacyjnym zastosowanie MEMS osigno due rozmiary i o ile warto samych produktw nie jest znaczca w cenie pojazdu to ich niezawodno ma czsto decydujce znaczenie. Uszkodzenie mikrosenosra lub mikroaktuatora moe spowodowa powane straty ekonomiczne lub prawno-finansowe (odszkodowania). Uwaa si, e stosunek strat do wartoci wynosi rednio 100:1.

    Podstawowe zastosowanie struktur MEMS w pojazdach to: 1. pomiary cinienia, przyspieszenia, pooenia, przepywu

    powietrza i paliwa, 2. siowniki i silniki do przepywu cieczy oraz powietrza, pompy,

    zawory.

    7.2. Klasyfikacja mikroczujnikw i mikroaktuatorw

    MEMS jest mikrosystemem, zintegrowanym urzdzeniem mikroelektromechanicznym wykonanym z podstawowych materiaw krzemu i szka [19]. Skada si on z przestrzennych i powierzchniowych mikro konstrukcji mechanicznych wykonanych metodami technologii mikromechanicznej i z ukadw elektronicznych ktre mog wystpowa w formie ukadw planarnych zintegrowanych, hybrydowych lub dyskretnych.

    Podzespoy mikromechaniczne mog wykonywa prac (aktuator, siownik, silnik) lub otrzymuj sygnay z otoczenia i zamieniaj je na sygnay elektryczne (optyczne dla MOMES )[14].

  • 7. MIKROSENSORY I MIKROAKTUATORY

    193

    Ukady elektroniczne wzmacniaj i przetwarzaj sygnay elektryczne, steruj i kontroluj podzespoy mikromechniczne, zapewniaj komunikacj z innymi urzdzeniami.

    MEMSy wykorzystuj doskonae mechaniczne waciwoci krzemu i szka, oraz znane od lat i szeroko wykorzystywane elektroniczne waciwoci krzemu.

    Cechy charakterystyczne MEMS-w to m.in.: mae wymiary, wysoka precyzja wykonania, masowe i tanie wytwarzanie, czenie funkcji sensorw i aktuatorw.

    W mikrokonstrukcjach wyrni mona wiele elementw mikromechanicznych zawierajcych belki (pojedynczo i podwjnie zamocowanych), membrany, otwory, kanay, wykonanych z krzemu. Do struktury krzemowej mog by doczone warstwy i detale szklane, tak poczone podzespoy mog by zintegrowane on-chip z planarnym ukadem mikroelektronicznym.

    W technologii MEMS stosuje si dwie grupy procesw:

    procesy mikroelektroniki planarnej, grubowarstwowej, cienko-warstwowej,

    procesy obrbki mikromechanicznej. Pierwsze z nich formuj ukady elektroniczne dla MEMS,

    a drugie przestrzenne i powierzchniowe struktury mikromecha-niczne.

    Krzem jest materiaem anizotropowym. Poprzez umiejtny dobr wzorw masek fotolitograficznych, odpowiednie ich ustawienie z wybranymi kierunkami krystalograficznymi na podou krzemowym (np. orientacji ), oraz waciwy dobr roztworw trawicych anizotropowo krzem, moliwe jest powtarzalne, precyzyjne formo-wanie przestrzennych struktur krzemowych metod mokr. Procedur powysz okrela si nazw- gboka obrbka mikro-mechaniczna krzemu.

    W przeciwiestwie do gbokiego trawienia krzemu, moliwa jest take obrbka powierzchniowa. W tym przypadku mechaniczne struktury s wytworzone w cienkich warstwach (filmach) osadzonych na powierzchni pytki krzemowej.

    W przypadku mikroobrbki powierzchni wystpuje kilka procesw technologicznych. Pierwszym s zagadnienia termiczne, niektre z cienkich warstw mog wymaga wygrzewania (naprenia termiczne). Problemem jest take brak pasko powierzchni pytki spowodowany przez wielokrotne usuwanie warstw.

  • 7. MIKROSENSORY I MIKROAKTUATORY

    194

    W mikroobrbce powierzchni jest zwykle konieczne, by wybir-czo usun jedn z warstw, by otrzyma swobodn ruchom struktur i ta warstwa nazywana jest jako warstwa ofiarna (powicona) (sacrifical).

    W tym procesie jest wane, eby podczas usuwania ofiarnej warstwy nie uszkodzi pozostaych mechanicznych warstw albo elektroniki.

    W wielu przypadkach rodek trawicy moe uszkodzi podzespoy elektroniczne. W ostatnich latach alternatywne techniki mikroobrbki byy rozwijane, jedn z bardziej znanych jest proces LIGA. Rne rodzaje MEMS i NEMS znalazy zastosowanie w mikroczujnikach i mikroaktuatorach.

    W zalenoci od zastosowa rne rodzaje przetwornikw s wykorzystawane: elektromechaniczne, elektro-magneto-mechaniczne, elektro-opto-mechaniczne czy nawet elektro-chemo-opto-mechaniczne. Zwykle, optyczne systemy dziaaj szybciej s prostsze i bardziej efektywne od systemw elektromechanicznych.

    Jednake, optyczne systemy s zaprojektowane dla rnych aplikacji mikroczujnikw i nie mog by zastosowane jako samo-dzielne elementy wykonawcze.

    W zastosowaniach istotne s wymagania dotyczce wpywu zakce elektromagnetycznych, wpywu temperatury, drga, promieniowania. Wielko elementw wykonawczych (mikro-, nano- skala) jest okrelona przez si albo moment obrotowy oraz wybr odpowiednich materiaw.

    Wybr materiaw pozwala uzyska odpowiednie gstoci energii pl elektromagnetycznych, co ogranicza wymiary elementw wykonawczych.

    Obecne badania i rozwj NEMS oraz molekularnej nanotechnologii s w pierwszym rzdzie skoncentrowane na projektowaniu, modelowaniu i symulacji oraz wytwarzaniu urzdze w nano skali.

    Dla kontrastu urzdzenia MEMS zwykle s wytwarzane przy uyciu technologii CMOS [1], mikroobrbki powierzchni (technologia LIGA) oraz technologii mokrego i suchego trawienia.

    Czsto wane jest zasilanie MEMS w energi np. elektromagnetyczny MEMS integralne poczony z ruchom mikrostruktur albo mikroprzetworniki mog by sterowane przez ICs wykorzystujcych energii elektromagnetyczn promieniowania.

  • 7. MIKROSENSORY I MIKROAKTUATORY

    195

    Zastpujc technologi pocze drutowych pomidzy sensorami, aktuatorami i ukadami sterujcymi technologi scalonych pocze przestrzennych (flip-chip) wewntrz ukadu scalonego eliminuje si wpyw pasoytniczych rezystancji, pojemnoci i indukcyjnoci.

    W rezultacie pozwala to zwikszy niezawodno pracy, trwao, redukujc wymiary i mas. Na przykad mikro-przetwornik moe by montowany z polami kontaktowych dla elektrycznych i mechanicznych pocze w podou chipu. Chip z umieszczonymi sensorem i aktuatorem zosta pokazany na Rys. 7.2.

    Rys. 7.2 Monolityczny chip z sensorami i aktuatorami [18]

    Dla duej skali integracji MEMS (pojedynczy chip, moe zosta tanio wyprodukowany w skali masowej przy uyciu technologii CMOS, mikroobrbki, LIGA i innych technologii) mona zintegrowa ukady:

    mikroprzetwornikw (elementw wykonawczych, sensorw i inteligentnych struktur),

    ukadw scalonych IC,

    urzdze telekomunikacyjnych,

    ukadw optycznych,

    procesorw, pamici,

    ukadami wejcia-wyjcia (IO). W ten sposb, w oprcz moliwoci wytwarzania siy, momentu

    (aktuator) i wykrywania (sensor) (wykonywanych przez mikro-przetworniki zintegrowane z IC i komunikujcych si np. drog radiow), realizowane s procesy obliczania, komunikacji, pocze sieciowych, przetwarzania sygnaw