Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem Elektronikus Eszközök Tanszéke Termikus kérdések, termikus elvű alrendszerek.

Az előadások a következő témára: "Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem Elektronikus Eszközök Tanszéke Termikus kérdések, termikus elvű alrendszerek."— Előadás másolata:

1 Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem Elektronikus Eszközök Tanszéke http://www.eet.bme.hu Termikus kérdések, termikus elvű alrendszerek

2 Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem Elektronikus Eszközök Tanszéke BME-VIK villamosmérnöki szak MIKROMECHANIKA Mizsei - Székely - Zólomy: Integrált mikrorendszerek 2 Hőmérséklet érzékelők Ellenállás hőmérő PN átmenet mint hőmérő PTAT hőmérséklet érzékelő MOS kompatibilis kőmérséklet érzékelő

3 Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem Elektronikus Eszközök Tanszéke BME-VIK villamosmérnöki szak MIKROMECHANIKA Mizsei - Székely - Zólomy: Integrált mikrorendszerek 3 Hőmérséklet érzékelők Ellenállás hőmérő Pt Ni, Cu, W

4 Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem Elektronikus Eszközök Tanszéke BME-VIK villamosmérnöki szak MIKROMECHANIKA Mizsei - Székely - Zólomy: Integrált mikrorendszerek 4 Hőmérséklet érzékelők Félvezető ellenállás hőmérő

5 Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem Elektronikus Eszközök Tanszéke BME-VIK villamosmérnöki szak MIKROMECHANIKA Mizsei - Székely - Zólomy: Integrált mikrorendszerek 5 Hőmérséklet érzékelők A pn átmenet mint hőmérő -1,5 … 2 mV/K A PTAT elv

6 Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem Elektronikus Eszközök Tanszéke BME-VIK villamosmérnöki szak MIKROMECHANIKA Mizsei - Székely - Zólomy: Integrált mikrorendszerek 6 Hőmérséklet érzékelők Áram kimenetű PTAT szenzor, BJT-vel T3 = n T4 n+1 EGYFORMA dióda ill. npn tranzisztor!

7 Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem Elektronikus Eszközök Tanszéke BME-VIK villamosmérnöki szak MIKROMECHANIKA Mizsei - Székely - Zólomy: Integrált mikrorendszerek 7 Hőmérséklet érzékelők Hőmérséklet különbség (gradiens) mérés A Seebeck effektust használjuk ki Az integrált termoelem

8 Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem Elektronikus Eszközök Tanszéke BME-VIK villamosmérnöki szak MIKROMECHANIKA Mizsei - Székely - Zólomy: Integrált mikrorendszerek 8 CMOS kompatibilis termikus szenzor esettanulmány Az igények: kis fogyasztás kis helyigény elfogadható pontosság lehetőleg digitális kimenet ne kelljen többlet technológiai lépés

9 Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem Elektronikus Eszközök Tanszéke BME-VIK villamosmérnöki szak MIKROMECHANIKA Mizsei - Székely - Zólomy: Integrált mikrorendszerek 9  VT =  1.6 mV/K,   =  0.54%/K. MOS jellemzők

10 Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem Elektronikus Eszközök Tanszéke BME-VIK villamosmérnöki szak MIKROMECHANIKA Mizsei - Székely - Zólomy: Integrált mikrorendszerek 10 Áram kimenetű hőmérséklet szenzor

11 Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem Elektronikus Eszközök Tanszéke BME-VIK villamosmérnöki szak MIKROMECHANIKA Mizsei - Székely - Zólomy: Integrált mikrorendszerek 11 Az érzékenység

12 Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem Elektronikus Eszközök Tanszéke BME-VIK villamosmérnöki szak MIKROMECHANIKA Mizsei - Székely - Zólomy: Integrált mikrorendszerek 12 V C tápfeszültség függése

13 Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem Elektronikus Eszközök Tanszéke BME-VIK villamosmérnöki szak MIKROMECHANIKA Mizsei - Székely - Zólomy: Integrált mikrorendszerek 13 Frekvencia kimenetű változat

14 Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem Elektronikus Eszközök Tanszéke BME-VIK villamosmérnöki szak MIKROMECHANIKA Mizsei - Székely - Zólomy: Integrált mikrorendszerek 14 Frekvencia a hőmérséklet függvényében

15 Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem Elektronikus Eszközök Tanszéke BME-VIK villamosmérnöki szak MIKROMECHANIKA Mizsei - Székely - Zólomy: Integrált mikrorendszerek 15 Experiment No. 1 2 3 4 5 Process ES2 ECPD10 AMS AMS AMS AMS Feature size,  m 1 0.8 1.2 1.2 0.8 Number of samples 4 5 120 24 1 10 m(  )  10 -3 7.79 7.90 7.815 7.896 7.703  rel (  ) 0.0205 0.021 0.0161 0.00906 0.021 m(f), kHz 2 1132.5 854.78 855.71 824.2 953.86  rel (f) 0.0252 0.059 0.0391 0.0367 0.0583 V DD dependence o C/V 1.44 0.6 1.47 no data 2.95 1 on the same chip 2 V DD =5V, T=20 o C Stabilitás, statisztika

16 Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem Elektronikus Eszközök Tanszéke BME-VIK villamosmérnöki szak MIKROMECHANIKA Mizsei - Székely - Zólomy: Integrált mikrorendszerek 16 Vizsgálat széles hőmérséklet tartományban

17 Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem Elektronikus Eszközök Tanszéke BME-VIK villamosmérnöki szak MIKROMECHANIKA Mizsei - Székely - Zólomy: Integrált mikrorendszerek 17 Beépített termikus teszt a BS áramkörrel

18 Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem Elektronikus Eszközök Tanszéke BME-VIK villamosmérnöki szak MIKROMECHANIKA Mizsei - Székely - Zólomy: Integrált mikrorendszerek 18 Beépített termikus teszt a BS áramkörrel

19 Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem Elektronikus Eszközök Tanszéke BME-VIK villamosmérnöki szak MIKROMECHANIKA Mizsei - Székely - Zólomy: Integrált mikrorendszerek 19 Beépített termikus teszt a BS áramkörrel

20 Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem Elektronikus Eszközök Tanszéke BME-VIK villamosmérnöki szak MIKROMECHANIKA Mizsei - Székely - Zólomy: Integrált mikrorendszerek 20 Felhasználás egy termikus teszt chipben

21 Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem Elektronikus Eszközök Tanszéke BME-VIK villamosmérnöki szak MIKROMECHANIKA Mizsei - Székely - Zólomy: Integrált mikrorendszerek 21 A termikus elvű effektív érték mérő

22 Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem Elektronikus Eszközök Tanszéke BME-VIK villamosmérnöki szak MIKROMECHANIKA Mizsei - Székely - Zólomy: Integrált mikrorendszerek 22 A termikus elvű effektív érték mérő A Seebeck effektus S a Seebeck állandó [V/K] S értéke félvezetőkre kimagaslóan nagy! Például Si/Al kontaktusnál ~ 1 mV/K

23 Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem Elektronikus Eszközök Tanszéke BME-VIK villamosmérnöki szak MIKROMECHANIKA Mizsei - Székely - Zólomy: Integrált mikrorendszerek 23 A termikus elvű effektív érték mérő

24 Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem Elektronikus Eszközök Tanszéke BME-VIK villamosmérnöki szak MIKROMECHANIKA Mizsei - Székely - Zólomy: Integrált mikrorendszerek 24 A termikus elvű effektív érték mérő Példa. Számítsuk ki az effektív érték mérő érzékenységét az alábbi adatokkal: a = 100  m, b = 5  m, L = 120  m, = 150 W/mK, S = 10 -3 V/K, R = 2 k , N = 12 Például U be = 10 V  U ki = 0,96 V

25 Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem Elektronikus Eszközök Tanszéke BME-VIK villamosmérnöki szak MIKROMECHANIKA Mizsei - Székely - Zólomy: Integrált mikrorendszerek 25 A termikus elvű effektív érték mérő Határfrekvencia C v térfogategységre számolt hőkapacitás, [Ws/Km 3 ]

26 Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem Elektronikus Eszközök Tanszéke BME-VIK villamosmérnöki szak MIKROMECHANIKA Mizsei - Székely - Zólomy: Integrált mikrorendszerek 26 A termikus elvű effektív érték mérő Határfrekvencia Pólusok a negatív valós tengelyen. Az első: Példa. Számítsuk ki az imént tárgyalt effektív érték mérő határfrekvenciáját! Adatok: a = 100  m, b = 5  m, L = 120  m, c v = 1,6  10 6 Ws/Km 3 Az első töréspont

27 Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem Elektronikus Eszközök Tanszéke BME-VIK villamosmérnöki szak MIKROMECHANIKA Mizsei - Székely - Zólomy: Integrált mikrorendszerek 27 A termikus elvű effektív érték mérő Egy gyakorlati alkalmazás: RF teljesítmény mérő

28 Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem Elektronikus Eszközök Tanszéke BME-VIK villamosmérnöki szak MIKROMECHANIKA Mizsei - Székely - Zólomy: Integrált mikrorendszerek 28 Termikus aktuátorok Alapjelenség: a hőtágulás Si 2,6 - 4,1 ppm/ o C (300 - 800 K) Ni 12,7 - 16,8 ppm/ o C CTE - coefficient of thermal expansion (e)

29 Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem Elektronikus Eszközök Tanszéke BME-VIK villamosmérnöki szak MIKROMECHANIKA Mizsei - Székely - Zólomy: Integrált mikrorendszerek 29 Termikus aktuátorok Példa. A rúd méretei: 5  20  500  m, anyaga Si E =1,3  10 11 N/m 2 e = 3 ppm/ o C  T = 100 o C Egyik vége szabadon, a megnyúlás Mindkét végén befogva, az erő

30 Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem Elektronikus Eszközök Tanszéke BME-VIK villamosmérnöki szak MIKROMECHANIKA Mizsei - Székely - Zólomy: Integrált mikrorendszerek 30 Termikus aktuátorok - a hőeloszlás számítása Hosszegységre eső disszipáció: A határfeltételekből Ha hőátadással is számolunk: h hőátadási együttható “HTC” W/m 2 K K kerület

31 Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem Elektronikus Eszközök Tanszéke BME-VIK villamosmérnöki szak MIKROMECHANIKA Mizsei - Székely - Zólomy: Integrált mikrorendszerek 31 Termikus aktuátorok „Megtört rudas” mechanikai transzformátor

32 Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem Elektronikus Eszközök Tanszéke BME-VIK villamosmérnöki szak MIKROMECHANIKA Mizsei - Székely - Zólomy: Integrált mikrorendszerek 32 „Megtört rudas” mechanikai transzformátor Példa  = 1 o  ds/dA=28,6

33 Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem Elektronikus Eszközök Tanszéke BME-VIK villamosmérnöki szak MIKROMECHANIKA Mizsei - Székely - Zólomy: Integrált mikrorendszerek 33 Hőtáguláson alapuló “kétrudas” meghajtó Hot arm width, WHOT (nm) 350 Hot arm length, LHOT (  m) 38 Cold arm width, WCOLD (  m) 1.5 Cold arm length, LCOLD (  m) 28.5 Flexure width, WFLEX (nm) 350 Flexure width, WFLEX (  m) 9.5

34 Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem Elektronikus Eszközök Tanszéke BME-VIK villamosmérnöki szak MIKROMECHANIKA Mizsei - Székely - Zólomy: Integrált mikrorendszerek 34 Termikus hatáson alapuló mikrorendszerek Hőtáguláson alapuló “kétrudas” meghajtó

35 Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem Elektronikus Eszközök Tanszéke BME-VIK villamosmérnöki szak MIKROMECHANIKA Mizsei - Székely - Zólomy: Integrált mikrorendszerek 35 A kihajlás (buckling) A leíró differenciálegyenlet A megoldás Illesztés a határfeltételekhez

36 Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem Elektronikus Eszközök Tanszéke BME-VIK villamosmérnöki szak MIKROMECHANIKA Mizsei - Székely - Zólomy: Integrált mikrorendszerek 36 A kihajlás (buckling) Példa. A rúd méretei: 5  20  500  m, anyaga Si E =1,3  10 11 N/m 2 e = 3 ppm/ o C  T = 100 o C F 0 =3,9  10 -3 N Vagyis a két végén befogott rúd csak kb. 27 o C fűtést bírna ki!

37 Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem Elektronikus Eszközök Tanszéke BME-VIK villamosmérnöki szak MIKROMECHANIKA Mizsei - Székely - Zólomy: Integrált mikrorendszerek 37 Termikus aktuátorok „Bimetall” aktuátor

38 Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem Elektronikus Eszközök Tanszéke BME-VIK villamosmérnöki szak MIKROMECHANIKA Mizsei - Székely - Zólomy: Integrált mikrorendszerek 38 Termikus aktuátorok: a tintasugaras nyomtató Teljesítmény ~ W, néhány  s időre Frekvencia ~ 1 kHz

39 Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem Elektronikus Eszközök Tanszéke BME-VIK villamosmérnöki szak MIKROMECHANIKA Mizsei - Székely - Zólomy: Integrált mikrorendszerek 39 Hősugárzás érzékelő 1. Az érzékenység számítása Si - = 100 W/mK Ha  U D = 1  V mérhető    T = 0,001 o C észlelhető 23 nW  3,7 mW/cm 2 Valóban ez a felső határ?

40 Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem Elektronikus Eszközök Tanszéke BME-VIK villamosmérnöki szak MIKROMECHANIKA Mizsei - Székely - Zólomy: Integrált mikrorendszerek 40 Hősugárzás érzékelő A korlát: a zaj NEP = Noise Equivalent Power Például I=16  A,  f=10 Hz esetén NEP < 1 nW ideális esetben (I zajtalan, erősítő zajtalan)

41 Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem Elektronikus Eszközök Tanszéke BME-VIK villamosmérnöki szak MIKROMECHANIKA Mizsei - Székely - Zólomy: Integrált mikrorendszerek 41 Hősugárzás érzékelő 2. Az időállandó számítása Közelítés: koncentrált paraméteres modell

42 Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem Elektronikus Eszközök Tanszéke BME-VIK villamosmérnöki szak MIKROMECHANIKA Mizsei - Székely - Zólomy: Integrált mikrorendszerek 42 Hősugárzás érzékelő 1D array készíthető - infra kamera! Négyzetes pixelek termoelem érzékelővel

43 Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem Elektronikus Eszközök Tanszéke BME-VIK villamosmérnöki szak MIKROMECHANIKA Mizsei - Székely - Zólomy: Integrált mikrorendszerek 43 Termikus elvű gázáramlás mérő 1 cm/s - 5 m/s

44 Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem Elektronikus Eszközök Tanszéke BME-VIK villamosmérnöki szak MIKROMECHANIKA Mizsei - Székely - Zólomy: Integrált mikrorendszerek 44 Pirani elvű vákuummérő Ha a gázatomok szabad úthossza nagyobb, mint az izzított felület és az edény falának hideg felülete közötti távolság, a gázatomok által elhordott energia arányos a gáznyomással 100 Pa alatt jó Szabályozás állandó hőfokra, a szükséges teljesítmény mérése

45 Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem Elektronikus Eszközök Tanszéke BME-VIK villamosmérnöki szak MIKROMECHANIKA Mizsei - Székely - Zólomy: Integrált mikrorendszerek 45 Termikusan vezérelt optikai iránycsatoló Az optikai hullámvezetők törésmutatója hőmérsékletfüggő Lassú kapcsoló