Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem Elektronikus Eszközök Tanszéke MIKROELEKTRONIKA, VIEEA306 Integrált mikrorendszerek: MEMS-ek

Budapesti Műszaki és Gazdaságtudomanyi Egyetem Elektronikus Eszközök Tanszéke Integrált mikrorendszerek © Poppe András & Székely Vladimír, BME-EET MEMS-ek ► Áttekintés ► Különféle MEMS-ek

Budapesti Műszaki és Gazdaságtudomanyi Egyetem Elektronikus Eszközök Tanszéke Integrált mikrorendszerek © Poppe András & Székely Vladimír, BME-EET Szilárdságtani alapfogalmak Feszültség (mechanikai) “normális” (húzó, nyomó) [N/m 2 ] Relatív megnyúlás [ - ]

Budapesti Műszaki és Gazdaságtudomanyi Egyetem Elektronikus Eszközök Tanszéke Integrált mikrorendszerek © Poppe András & Székely Vladimír, BME-EET Szilárdságtani alapfogalmak  és  kapcsolata? Lineáris közelítés: Hooke törvény E anyagjellemző állandó Rugalmassági modulus Young modulus [N/m 2 ] Kristályos szerkezetnél E irányfüggő! Szilícium

Budapesti Műszaki és Gazdaságtudomanyi Egyetem Elektronikus Eszközök Tanszéke Integrált mikrorendszerek © Poppe András & Székely Vladimír, BME-EET Jellegzetes probléma: a hajlított rúd A hajlítási tengely helye ? A hajlítási tengely a súlyponton halad át!

Budapesti Műszaki és Gazdaságtudomanyi Egyetem Elektronikus Eszközök Tanszéke Integrált mikrorendszerek © Poppe András & Székely Vladimír, BME-EET Jellegzetes probléma: a hajlított rúd Mennyi a görbületi sugár ? Tisztán geometriai jellemző I a keresztmetszet “másodrendű nyomatéka” ahol

Budapesti Műszaki és Gazdaságtudomanyi Egyetem Elektronikus Eszközök Tanszéke Integrált mikrorendszerek © Poppe András & Székely Vladimír, BME-EET Jellegzetes probléma: a hajlított rúd Példa Mennyi a másodrendű nyomatéka egy téglalap keresztmetszetű rúdnak?

Budapesti Műszaki és Gazdaságtudomanyi Egyetem Elektronikus Eszközök Tanszéke Integrált mikrorendszerek © Poppe András & Székely Vladimír, BME-EET Jellegzetes probléma: a konzol (cantilever) Hajlításra terhelt konzol:

Budapesti Műszaki és Gazdaságtudomanyi Egyetem Elektronikus Eszközök Tanszéke Integrált mikrorendszerek © Poppe András & Székely Vladimír, BME-EET Hajlításra terhelt konzol (cantilever) S rugóengedékenység [m/N]

Budapesti Műszaki és Gazdaságtudomanyi Egyetem Elektronikus Eszközök Tanszéke Integrált mikrorendszerek © Poppe András & Székely Vladimír, BME-EET Hajlításra terhelt konzol (cantilever) Példa.Számoljuk ki a vázolt, Si egykristályból készült konzol rugó- engedékenységét! A kristály felülete az (100) síkba esik, a konzol tengelye (010) irányú. A méretek: a = 50  m b = 6  m l = 400  m. A diagramból E = 1,3  N/m 2

Budapesti Műszaki és Gazdaságtudomanyi Egyetem Elektronikus Eszközök Tanszéke Integrált mikrorendszerek © Poppe András & Székely Vladimír, BME-EET Hajlításra terhelt konzol (cantilever)

Budapesti Műszaki és Gazdaságtudomanyi Egyetem Elektronikus Eszközök Tanszéke Integrált mikrorendszerek © Poppe András & Székely Vladimír, BME-EET Gyorsulás érzékelő A működési elv: ahol a szenzor érzékenysége [s 2 ] MEMS kivitel (bulk):

Budapesti Műszaki és Gazdaságtudomanyi Egyetem Elektronikus Eszközök Tanszéke Integrált mikrorendszerek © Poppe András & Székely Vladimír, BME-EET Gyorsulás érzékelő MEMS kivitel (felületi):

Budapesti Műszaki és Gazdaságtudomanyi Egyetem Elektronikus Eszközök Tanszéke Integrált mikrorendszerek © Poppe András & Székely Vladimír, BME-EET Gyorsulás érzékelő Példa Számoljuk ki az érzékenységet és a rezonancia frekvenciát! A tömeg m =  V = 2330 kg/m 3  1,2  1,2  0,25  m 3 = 8,4  kg Egy hídra S =0,091 m/N Négy hídra S = 0,0227 m/N Az érzékenység K = 0,0227 m/N  8,4  kg = 1,9  s 2 10 g gyorsulás  1,9  m elmozdulás A sajátfrekvencia

Budapesti Műszaki és Gazdaságtudomanyi Egyetem Elektronikus Eszközök Tanszéke Integrált mikrorendszerek © Poppe András & Székely Vladimír, BME-EET Gyorsulás érzékelő Az elmozdulás érzékelés módja: 1. Piezorezisztív Az n-Si piezorezisztív együtthatói  m 2 /N 2. Kapacitív

Budapesti Műszaki és Gazdaságtudomanyi Egyetem Elektronikus Eszközök Tanszéke Integrált mikrorendszerek © Poppe András & Székely Vladimír, BME-EET Az elektrosztatikus erőhatás

Budapesti Műszaki és Gazdaságtudomanyi Egyetem Elektronikus Eszközök Tanszéke Integrált mikrorendszerek © Poppe András & Székely Vladimír, BME-EET Az elektrosztatikus erőhatás Példa Számítsuk ki egy síkkondenzátornak tekinthető mikroszerkezet két elektródája közötti erőhatást! Az elektródák felülete A=0,01 mm 2, távolságuk s=2  m, a feszültség 100V. A méretcsökkentéssel az elektrosztatikus erőhatás egyre hatékonyabbá válik!

Budapesti Műszaki és Gazdaságtudomanyi Egyetem Elektronikus Eszközök Tanszéke Integrált mikrorendszerek © Poppe András & Székely Vladimír, BME-EET A fésűs meghajtó (comb drive) Előnyök: felületi megmunkálás viszonylag nagy erő konstans erő w

Budapesti Műszaki és Gazdaságtudomanyi Egyetem Elektronikus Eszközök Tanszéke Integrált mikrorendszerek © Poppe András & Székely Vladimír, BME-EET A fésűs meghajtó (comb drive)

Budapesti Műszaki és Gazdaságtudomanyi Egyetem Elektronikus Eszközök Tanszéke Integrált mikrorendszerek © Poppe András & Székely Vladimír, BME-EET A fésűs meghajtó (comb drive)

Budapesti Műszaki és Gazdaságtudomanyi Egyetem Elektronikus Eszközök Tanszéke Integrált mikrorendszerek © Poppe András & Székely Vladimír, BME-EET A fésűs meghajtó (comb drive) 2D mozgatás

Budapesti Műszaki és Gazdaságtudomanyi Egyetem Elektronikus Eszközök Tanszéke Integrált mikrorendszerek © Poppe András & Székely Vladimír, BME-EET A termikus elvű effektív érték mérő

Budapesti Műszaki és Gazdaságtudomanyi Egyetem Elektronikus Eszközök Tanszéke Integrált mikrorendszerek © Poppe András & Székely Vladimír, BME-EET 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

Budapesti Műszaki és Gazdaságtudomanyi Egyetem Elektronikus Eszközök Tanszéke Integrált mikrorendszerek © Poppe András & Székely Vladimír, BME-EET A termikus elvű effektív érték mérő

Budapesti Műszaki és Gazdaságtudomanyi Egyetem Elektronikus Eszközök Tanszéke Integrált mikrorendszerek © Poppe András & Székely Vladimír, BME-EET 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 = V/W, R = 2 k , N = 12 Például U be = 10 V  U ki = 0,96 V

Budapesti Műszaki és Gazdaságtudomanyi Egyetem Elektronikus Eszközök Tanszéke Integrált mikrorendszerek © Poppe András & Székely Vladimír, BME-EET A termikus elvű effektív érték mérő Határfrekvencia Cv térfogategységre számolt hőkapacitás, [Ws/m3]

Budapesti Műszaki és Gazdaságtudomanyi Egyetem Elektronikus Eszközök Tanszéke Integrált mikrorendszerek © Poppe András & Székely Vladimír, BME-EET 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/m 3 Az első töréspont

Budapesti Műszaki és Gazdaságtudomanyi Egyetem Elektronikus Eszközök Tanszéke Integrált mikrorendszerek © Poppe András & Székely Vladimír, BME-EET A termikus elvű effektív érték mérő Egy gyakorlati alkalmazás: RF teljesítmény mérő

Budapesti Műszaki és Gazdaságtudomanyi Egyetem Elektronikus Eszközök Tanszéke Integrált mikrorendszerek © Poppe András & Székely Vladimír, BME-EET Termikus aktuátorok Alapjelenség: a hőtágulás Si 2,6 - 4,1 ppm/ o C ( K) Ni 12,7 - 16,8 ppm/ o C CTE - coefficient of thermal expansion (e)

Budapesti Műszaki és Gazdaságtudomanyi Egyetem Elektronikus Eszközök Tanszéke Integrált mikrorendszerek © Poppe András & Székely Vladimír, BME-EET Termikus aktuátorok Példa. A rúd méretei: 5  20  500  m, anyaga Si E =1,3  N/m 2 e = 3 ppm/ o C  T = 100 o C Egyik vége szabadon, a megnyúlás Mindkét végén befogva, az erő

Budapesti Műszaki és Gazdaságtudomanyi Egyetem Elektronikus Eszközök Tanszéke Integrált mikrorendszerek © Poppe András & Székely Vladimír, BME-EET Termikus aktuátorok „Megtört rudas” mechanikai transzformátor

Budapesti Műszaki és Gazdaságtudomanyi Egyetem Elektronikus Eszközök Tanszéke Integrált mikrorendszerek © Poppe András & Székely Vladimír, BME-EET Termikus aktuátorok „Bimetall” aktuátor

Budapesti Műszaki és Gazdaságtudomanyi Egyetem Elektronikus Eszközök Tanszéke Integrált mikrorendszerek © Poppe András & Székely Vladimír, BME-EET MEMS nyomásérzékelők