Az előadás letöltése folymat van. Kérjük, várjon

Az előadás letöltése folymat van. Kérjük, várjon

Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem Elektronikus Eszközök Tanszéke Porózus anyagok minősítése termikus tranziens vizsgálatokkal.

Hasonló előadás


Az előadások a következő témára: "Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem Elektronikus Eszközök Tanszéke Porózus anyagok minősítése termikus tranziens vizsgálatokkal."— Előadás másolata:

1 Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem Elektronikus Eszközök Tanszéke Porózus anyagok minősítése termikus tranziens vizsgálatokkal Vass-Várnai András Témavezető: Dr. Rencz Márta

2 Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem Elektronikus Eszközök Tanszéke március 6. Porózus anyagok minősítése termikus tranziens vizsgálatokkal 2 / 21 Áttekintés ► Motiváció ► Porózus anyagok minősítésének módszerei ► Termikus tranziens vizsgálatok ► A módszer alkalmazhatóságának bemutatása ► Mérési eredmények egy elkészült tesztstruktúrán ► Összefoglalás és további tervek

3 Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem Elektronikus Eszközök Tanszéke március 6. Porózus anyagok minősítése termikus tranziens vizsgálatokkal 3 / 21 Motiváció ► A porózus anyagok alkalmazása az iparban egyre jelentősebb szerepet tölt be ► A nagy felület kiválóan elősegíti az adszorpciót, így szűrők, levegőszárítók készíthetők ► Elektronikai alkalmazás is egyre elterjedtebb:  Gázérzékelés  Alacsony dielektromos állandójú rétegek (Low-K dielectrics)  Olvasztósablon nano-vezetékek készítéséhez ► Gyors és egyszerű eljárás kifejlesztése porózus rétegek vizsgálatára Forrás: C. Ji and P. C. Searson, "Fabrication of Nanoporous Gold Nanowires," Appl. Phys. Lett. 81, 4437 (2002).

4 Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem Elektronikus Eszközök Tanszéke március 6. Porózus anyagok minősítése termikus tranziens vizsgálatokkal 4 / 21 Minősítési módszerek ► Porózus anyagok minősítésére számos módszer létezik ► A legáltalánosabban elfogadott módszerek az IUPAC (International Union of Pure and Applied Chemistry) ajánlásában szerepelnek ► Sztereológia:  A porózus anyag metszetének direkt megfigyelése ► Röntgen szóródásos vizsgálatok:  A szórt sugárzás különböző szögtartományokban mért intenzitásából következtethetünk a szilárd anyagban való inhomogenitások jelenlétére ► Gázadszorpciós vizsgálatok  Különféle határfeltételek mellett, különféle gázok adszoprciós viselkedéséből következtethetünk a porózus felület minőségére és az adszorpció mechanizmusára ► Nedvesítési vizsgálatok  A porózus felület nedvesítésének vizsgálatából következtetni lehet az adszorpciós izotermákban fellelhető hiszterézisre

5 Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem Elektronikus Eszközök Tanszéke március 6. Porózus anyagok minősítése termikus tranziens vizsgálatokkal 5 / 21 Mikroszkópiás vizsgálatok I Átlagos pórusátmérő: kb. 10 nm SEM felvételek Felhasznált eszköz: LEO 1540XB Nanomegmunkáló Rendszer pásztázó elektronmikroszkópja (MFA)

6 Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem Elektronikus Eszközök Tanszéke március 6. Porózus anyagok minősítése termikus tranziens vizsgálatokkal 6 / 21 Röntgenszóródásos vizsgálatok ► Glazing-Incidence Small-Angle X-ray Scattering (GISAXS) ► A rétegben lévő inhomogenitások (elektron sűrűség változások) a beérkező röntgensugár szóródását okozzák ► A sík különböző tartományaiban felvett szóródási görbe alakjából következtetni lehet az inhomogenitások (pórusok) orientációjára és méretére: r=8.6 Å

7 Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem Elektronikus Eszközök Tanszéke március 6. Porózus anyagok minősítése termikus tranziens vizsgálatokkal 7 / 21 Gázadszorpciós vizsgálatok ► Felhasznált eszköz : Hydrosorb vízgőz adszorpciós analizátor  Vízgőz adszorpciós izotermák felvétele  A rendszer a nyomás megváltozásának alapján méri a megkötött anyagmennyiséget ► Adszorbens: 0,1 gramm Al 2 O 3 por ► Kétféle kifűtés: 2,7 Pa nyomás mellett egyszer 20, egyszer 200 °C-on, 2 napig ► Mindkét izoterma 20°C-on lett felvéve 2 mm

8 Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem Elektronikus Eszközök Tanszéke március 6. Porózus anyagok minősítése termikus tranziens vizsgálatokkal 8 / 21 Az adszorpciós izotermák fajtái ► A különféle adszorpciós izotermák alakjából következtethetünk az adszoprció mechanizmusára, valamint magára az adszorbens anyagra ► Az ilyen karakterisztikák felvétele méréstechnikailag bár jól megoldott (nyomásmérésre vezethető vissza), drága és bonyolult műszereket igényel

9 Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem Elektronikus Eszközök Tanszéke március 6. Porózus anyagok minősítése termikus tranziens vizsgálatokkal 9 / 21 Termikus tranziens mérések A mért ugrásválasz alapján meghatározhatók a chip, a tok és a környezet tulajdonságai Egy létrahálós impedancia modellel írjuk le a hőutat, amely hőellenállásokból és hőkapacitásokból áll. Van-e a nedvességnek valamilyen hatása a hőútra?

10 Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem Elektronikus Eszközök Tanszéke március 6. Porózus anyagok minősítése termikus tranziens vizsgálatokkal 10 / 21 A nedvesség hatása a termikus tulajdonságokra ► A levegő relatív páratartalmának megváltozásával a hővezetés és a fajhő nagyon csekély mértékben változik ► A levegő a legtöbb esetben nem része a fő hővezetési útnak a rendszerben ► Ezen jelenségek miatt nagyon nehéz relatív nedvességtartalom változást mérni termikus tulajdonságok megváltozása alapján ► Adszorbeált molekulák jelenléte a porózus rendszerben megnöveli a porózus réteg hővezetését, mivel a víz hővezetési együtthatója (0.56 W/mK) kb. 24-szer nagyobb, mint a levegőé (0.026 W/mK).

11 Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem Elektronikus Eszközök Tanszéke március 6. Porózus anyagok minősítése termikus tranziens vizsgálatokkal 11 / 21 Egy modellkísérlet ► Egy bipoláris teljesítménytranzisztor szerepel fűtőelemként ► CB átmenet szolgál melegítésre, az EB átmenet érzékelésre ► A gipsz réteget egy csepp vízzel átnedvesítettem és száradás közben termikus tranzienseket vettem fel ► Al hűtőbordát használtam, hogy a hőáram minél nagyobb részét átkényszerítsem a gipsz rétegen. Hőút Teljesítmény tranzisztor Gipsz Hűtőborda

12 Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem Elektronikus Eszközök Tanszéke március 6. Porózus anyagok minősítése termikus tranziens vizsgálatokkal 12 / 21 Változás a hőellenállásban Száradás

13 Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem Elektronikus Eszközök Tanszéke március 6. Porózus anyagok minősítése termikus tranziens vizsgálatokkal 13 / 21 Kísérleti mikro eszköz I ► A mérésekhez egy 350 µm hosszú fűtőszálat használtam ► A meander fűtőellenállás anyaga platina, ellenállás értéke kb. 130 Ω ► A fűtőellenállás alatti eredetileg áldozati rétegnek szánt porózus szilícium nem lett kimarva A mikro fűtőszál az MFA laboratóriumában készült

14 Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem Elektronikus Eszközök Tanszéke március 6. Porózus anyagok minősítése termikus tranziens vizsgálatokkal 14 / 21 Kísérleti mikro eszköz II ► Ez a struktúra nagyon hasonló az előző kísérletben bemutatottakhoz ► A Pt fűtőellenállás/ hőmérséklet-érzékelő 200 nm vastag, alacsony a hőkapacitása, így időállandója is relatíve alacsony ► A Pt ideális hőmérő eszköz, mivel érzékenysége széles tartományok közt lineáris Package base Silicon Porous silicon Platinum

15 Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem Elektronikus Eszközök Tanszéke március 6. Porózus anyagok minősítése termikus tranziens vizsgálatokkal 15 / 21 Mérési összeállítás I  Szenzorárammal hajtottam az ellenállást, hogy egy minimális, még mérhető küszöbfeszültséget tarthassak fent rajta  A teljesítményugrást a meghajtó-áramforrás „gyors” lekapcsolásával értem el  A hőmérsékletváltozás hatására bekövetkező feszültségváltozást a T3Ster segítségével mértem Driving current source Sensor current source Electric resistance of the Pt, about 130  T3Ster Transient capture 12  V voltage and 1  s time resolutions Electronic switch 4mA/1  s

16 Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem Elektronikus Eszközök Tanszéke március 6. Porózus anyagok minősítése termikus tranziens vizsgálatokkal 16 / 21 Mérési összeállítás II ► Hűlési tranzienseket vettem fel az eszközökön ► A teljesítménylépcsőt 4 mA meghajtóáram 1 μs alatti lekapcsolásával értem el ► Megmértem a Pt ellenállás hőfüggését, ez 4 mA szenzoráram mellett mV/K –re adódott. ► Az érzékenység jó közelítéssel lineáris ► A szenzorokat 4 különböző páratartalmú térbe helyeztem: 30%, 75%, 83%, 95%

17 Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem Elektronikus Eszközök Tanszéke március 6. Porózus anyagok minősítése termikus tranziens vizsgálatokkal 17 / 21 A felvett tranziens válaszok Nedvességtartalom emelkedése

18 Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem Elektronikus Eszközök Tanszéke március 6. Porózus anyagok minősítése termikus tranziens vizsgálatokkal 18 / 21 Változás a hőellenállásban Nedvességtartalom emelkedése

19 Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem Elektronikus Eszközök Tanszéke március 6. Porózus anyagok minősítése termikus tranziens vizsgálatokkal 19 / 21 A szenzor struktúra termikus szimulációja ► A szimulációk SUNRED segítségével készültek ► Pórusokat alakítottam ki az oxid rétegben ► Két határesetet vizsgáltam:  Minden pórus vízzel volt kitöltve  Minden pórus levegővel volt kitöltve ► A külső hőmérséklet az egyszerűség kedvéért 0 °C. ► A tranziens szimuláció 1μs időpillanatban kezdődtek, logaritmikus mintavételezés mellett

20 Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem Elektronikus Eszközök Tanszéke március 6. Porózus anyagok minősítése termikus tranziens vizsgálatokkal 20 / 21 DC szimulációs eredmények ► Legnagyobb hőmérséklet száraz esetben: °C ► Legnagyobb hőmérséklet nedves esetben: °C

21 Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem Elektronikus Eszközök Tanszéke március 6. Porózus anyagok minősítése termikus tranziens vizsgálatokkal 21 / 21 ► A két tranziens válasz kb. 100 µs időpillanatig együtt fut ► A teljes hőellenállás nagyon nagy, mivel a hőterjedés a fűtőszál felfüggesztésein nem jelentős, a fő hővezetési út a porózus struktúrán keresztül vezet. Tranziens szimulációs eredmények

22 Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem Elektronikus Eszközök Tanszéke március 6. Porózus anyagok minősítése termikus tranziens vizsgálatokkal 22 / 21 Lehetséges tézispont ► Eljárást dolgoztam ki a relatív nedvességtartalom megváltozásának termikus tranziens tesztelésen alapuló gyors vizsgálatára. Mérések és szimulációs eredmények alapján egyértelműen bizonyítottam, hogy a nagy felületű, porózus anyagok hővezetése a környezet relatív páratartalmának megváltozásával arányosan nő vagy csökken. Ezt a jelenséget kihasználva egy a hővezetési útba iktatott porózus réteg hőellenálásának megváltozásából következtetni lehet a környezet relatív nedvességtartalmának változására és a változás irányára.

23 Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem Elektronikus Eszközök Tanszéke március 6. Porózus anyagok minősítése termikus tranziens vizsgálatokkal 23 / 21 Összefoglalás és további tervek ► A porózus rétegek hő ellenállása függ a környezet relatív páratartalmától ► A fűtőelem megfelelő elhelyezése mellett a különböző RH tartományú terekben mért hőmérsékletkülönbségek mérhetőek ► Szükséges feladat a rétegek viselkedésének vizsgálata jóval több RH érték mellett ► A kapott tranziensek maximális emelkedését az RH függvényében megrajzolni ► Megpróbálkozni mérésekkel más gázelegyek esetén is ► A módszer alkalmazhatóságának feltárása:  Rétegminősítés  RH mérés  Tok hermeticitás mérés

24 Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem Elektronikus Eszközök Tanszéke március 6. Porózus anyagok minősítése termikus tranziens vizsgálatokkal 24 / 21 Az időkonstansok összehasonlítása

25 Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem Elektronikus Eszközök Tanszéke március 6. Porózus anyagok minősítése termikus tranziens vizsgálatokkal 25 / 21 Mikroszkópiás vizsgálatok II A vizsgálat a pórusok kimutatására nem alkalmas, egyedül a felületi érdességről nyújt némi információt AFM felvételek


Letölteni ppt "Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem Elektronikus Eszközök Tanszéke Porózus anyagok minősítése termikus tranziens vizsgálatokkal."

Hasonló előadás


Google Hirdetések