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

Az előadások a következő témára: "Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem Elektronikus Eszközök Tanszéke MIKROELEKTRONIKA, VIEEA306 Integrált mikrorendszerek:"— Előadás másolata:

1 http://www.eet.bme.hu Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem Elektronikus Eszközök Tanszéke MIKROELEKTRONIKA, VIEEA306 Integrált mikrorendszerek: MEMS-ek http://www.eet.bme.hu/~poppe/miel/hu/22-MEMS.ppt

2 Budapesti Műszaki és Gazdaságtudomanyi Egyetem Elektronikus Eszközök Tanszéke 2008-12-8 Integrált mikrorendszerek © Poppe András & Székely Vladimír, BME-EET 2008 2 MEMS-ek ► Áttekintés ► Különféle MEMS-ek

3 Budapesti Műszaki és Gazdaságtudomanyi Egyetem Elektronikus Eszközök Tanszéke 2008-12-8 Integrált mikrorendszerek © Poppe András & Székely Vladimír, BME-EET 2008 3 Szilárdságtani alapfogalmak Feszültség (mechanikai) “normális” (húzó, nyomó) [N/m 2 ] Relatív megnyúlás [ - ]

4 Budapesti Műszaki és Gazdaságtudomanyi Egyetem Elektronikus Eszközök Tanszéke 2008-12-8 Integrált mikrorendszerek © Poppe András & Székely Vladimír, BME-EET 2008 4 Szilárdságtani alapfogalmak  és  kapcsolata? Lineáris közelítés: Hooke törvény E anyagjellemző állandó Rugalmassági modulus Young modulus [N/m 2 ] Kristályos szerkezetnél E irányfüggő! Szilícium

5 Budapesti Műszaki és Gazdaságtudomanyi Egyetem Elektronikus Eszközök Tanszéke 2008-12-8 Integrált mikrorendszerek © Poppe András & Székely Vladimír, BME-EET 2008 5 Jellegzetes probléma: a hajlított rúd A hajlítási tengely helye ? A hajlítási tengely a súlyponton halad át!

6 Budapesti Műszaki és Gazdaságtudomanyi Egyetem Elektronikus Eszközök Tanszéke 2008-12-8 Integrált mikrorendszerek © Poppe András & Székely Vladimír, BME-EET 2008 6 Jellegzetes probléma: a hajlított rúd Mennyi a görbületi sugár ? Tisztán geometriai jellemző I a keresztmetszet “másodrendű nyomatéka” ahol

7 Budapesti Műszaki és Gazdaságtudomanyi Egyetem Elektronikus Eszközök Tanszéke 2008-12-8 Integrált mikrorendszerek © Poppe András & Székely Vladimír, BME-EET 2008 7 Jellegzetes probléma: a hajlított rúd Példa Mennyi a másodrendű nyomatéka egy téglalap keresztmetszetű rúdnak?

8 Budapesti Műszaki és Gazdaságtudomanyi Egyetem Elektronikus Eszközök Tanszéke 2008-12-8 Integrált mikrorendszerek © Poppe András & Székely Vladimír, BME-EET 2008 8 Jellegzetes probléma: a konzol (cantilever) Hajlításra terhelt konzol:

9 Budapesti Műszaki és Gazdaságtudomanyi Egyetem Elektronikus Eszközök Tanszéke 2008-12-8 Integrált mikrorendszerek © Poppe András & Székely Vladimír, BME-EET 2008 9 Hajlításra terhelt konzol (cantilever) S rugóengedékenység [m/N]

10 Budapesti Műszaki és Gazdaságtudomanyi Egyetem Elektronikus Eszközök Tanszéke 2008-12-8 Integrált mikrorendszerek © Poppe András & Székely Vladimír, BME-EET 2008 10 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  10 11 N/m 2

11 Budapesti Műszaki és Gazdaságtudomanyi Egyetem Elektronikus Eszközök Tanszéke 2008-12-8 Integrált mikrorendszerek © Poppe András & Székely Vladimír, BME-EET 2008 11 Hajlításra terhelt konzol (cantilever)

12 Budapesti Műszaki és Gazdaságtudomanyi Egyetem Elektronikus Eszközök Tanszéke 2008-12-8 Integrált mikrorendszerek © Poppe András & Székely Vladimír, BME-EET 2008 12 Gyorsulás érzékelő A működési elv: ahol a szenzor érzékenysége [s 2 ] MEMS kivitel (bulk):

13 Budapesti Műszaki és Gazdaságtudomanyi Egyetem Elektronikus Eszközök Tanszéke 2008-12-8 Integrált mikrorendszerek © Poppe András & Székely Vladimír, BME-EET 2008 13 Gyorsulás érzékelő MEMS kivitel (felületi):

14 Budapesti Műszaki és Gazdaságtudomanyi Egyetem Elektronikus Eszközök Tanszéke 2008-12-8 Integrált mikrorendszerek © Poppe András & Székely Vladimír, BME-EET 2008 14 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  10 -9 m 3 = 8,4  10 -7 kg Egy hídra S =0,091 m/N Négy hídra S = 0,0227 m/N Az érzékenység K = 0,0227 m/N  8,4  10 -7 kg = 1,9  10 -8 s 2 10 g gyorsulás  1,9  m elmozdulás A sajátfrekvencia

15 Budapesti Műszaki és Gazdaságtudomanyi Egyetem Elektronikus Eszközök Tanszéke 2008-12-8 Integrált mikrorendszerek © Poppe András & Székely Vladimír, BME-EET 2008 15 Gyorsulás érzékelő Az elmozdulás érzékelés módja: 1. Piezorezisztív Az n-Si piezorezisztív együtthatói  10 -11 m 2 /N 2. Kapacitív

16 Budapesti Műszaki és Gazdaságtudomanyi Egyetem Elektronikus Eszközök Tanszéke 2008-12-8 Integrált mikrorendszerek © Poppe András & Székely Vladimír, BME-EET 2008 16 Az elektrosztatikus erőhatás

17 Budapesti Műszaki és Gazdaságtudomanyi Egyetem Elektronikus Eszközök Tanszéke 2008-12-8 Integrált mikrorendszerek © Poppe András & Székely Vladimír, BME-EET 2008 17 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!

18 Budapesti Műszaki és Gazdaságtudomanyi Egyetem Elektronikus Eszközök Tanszéke 2008-12-8 Integrált mikrorendszerek © Poppe András & Székely Vladimír, BME-EET 2008 18 A fésűs meghajtó (comb drive) Előnyök: felületi megmunkálás viszonylag nagy erő konstans erő w

19 Budapesti Műszaki és Gazdaságtudomanyi Egyetem Elektronikus Eszközök Tanszéke 2008-12-8 Integrált mikrorendszerek © Poppe András & Székely Vladimír, BME-EET 2008 19 A fésűs meghajtó (comb drive)

20 Budapesti Műszaki és Gazdaságtudomanyi Egyetem Elektronikus Eszközök Tanszéke 2008-12-8 Integrált mikrorendszerek © Poppe András & Székely Vladimír, BME-EET 2008 20 A fésűs meghajtó (comb drive)

21 Budapesti Műszaki és Gazdaságtudomanyi Egyetem Elektronikus Eszközök Tanszéke 2008-12-8 Integrált mikrorendszerek © Poppe András & Székely Vladimír, BME-EET 2008 21 A fésűs meghajtó (comb drive) 2D mozgatás

22 Budapesti Műszaki és Gazdaságtudomanyi Egyetem Elektronikus Eszközök Tanszéke 2008-12-8 Integrált mikrorendszerek © Poppe András & Székely Vladimír, BME-EET 2008 22 A termikus elvű effektív érték mérő

23 Budapesti Műszaki és Gazdaságtudomanyi Egyetem Elektronikus Eszközök Tanszéke 2008-12-8 Integrált mikrorendszerek © Poppe András & Székely Vladimír, BME-EET 2008 23 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

24 Budapesti Műszaki és Gazdaságtudomanyi Egyetem Elektronikus Eszközök Tanszéke 2008-12-8 Integrált mikrorendszerek © Poppe András & Székely Vladimír, BME-EET 2008 24 A termikus elvű effektív érték mérő

25 Budapesti Műszaki és Gazdaságtudomanyi Egyetem Elektronikus Eszközök Tanszéke 2008-12-8 Integrált mikrorendszerek © Poppe András & Székely Vladimír, BME-EET 2008 25 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/W, R = 2 k , N = 12 Például U be = 10 V  U ki = 0,96 V

26 Budapesti Műszaki és Gazdaságtudomanyi Egyetem Elektronikus Eszközök Tanszéke 2008-12-8 Integrált mikrorendszerek © Poppe András & Székely Vladimír, BME-EET 2008 26 A termikus elvű effektív érték mérő Határfrekvencia Cv térfogategységre számolt hőkapacitás, [Ws/m3]

27 Budapesti Műszaki és Gazdaságtudomanyi Egyetem Elektronikus Eszközök Tanszéke 2008-12-8 Integrált mikrorendszerek © Poppe András & Székely Vladimír, BME-EET 2008 27 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

28 Budapesti Műszaki és Gazdaságtudomanyi Egyetem Elektronikus Eszközök Tanszéke 2008-12-8 Integrált mikrorendszerek © Poppe András & Székely Vladimír, BME-EET 2008 28 A termikus elvű effektív érték mérő Egy gyakorlati alkalmazás: RF teljesítmény mérő

29 Budapesti Műszaki és Gazdaságtudomanyi Egyetem Elektronikus Eszközök Tanszéke 2008-12-8 Integrált mikrorendszerek © Poppe András & Székely Vladimír, BME-EET 2008 29 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)

30 Budapesti Műszaki és Gazdaságtudomanyi Egyetem Elektronikus Eszközök Tanszéke 2008-12-8 Integrált mikrorendszerek © Poppe András & Székely Vladimír, BME-EET 2008 30 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

31 Budapesti Műszaki és Gazdaságtudomanyi Egyetem Elektronikus Eszközök Tanszéke 2008-12-8 Integrált mikrorendszerek © Poppe András & Székely Vladimír, BME-EET 2008 31 Termikus aktuátorok „Megtört rudas” mechanikai transzformátor

32 Budapesti Műszaki és Gazdaságtudomanyi Egyetem Elektronikus Eszközök Tanszéke 2008-12-8 Integrált mikrorendszerek © Poppe András & Székely Vladimír, BME-EET 2008 32 Termikus aktuátorok „Bimetall” aktuátor

33 Budapesti Műszaki és Gazdaságtudomanyi Egyetem Elektronikus Eszközök Tanszéke 2008-12-8 Integrált mikrorendszerek © Poppe András & Székely Vladimír, BME-EET 2008 33 MEMS nyomásérzékelők