µ 2009 µ - na. · pdf fileseries 52 pressure sensor , ......
TRANSCRIPT
1
“Ολοκληρωµένοι θερµικοί αισθητήρες – Αρχές λειτουργίας, πρωτότυπες ανεπτυγµένες διατάξεις”
01 Απριλίου 2009
ργ ς, ρ ς γµ ς ξ ς
∆ηµήτριος Νικόλαος Παγώνης∆ρ. Ηλεκτρολόγος Μηχανικός
Κύκλος σεµιναριακών διαλέξεων 2009
ΤΕΙ Αθηνών - Τµήµα Ναυπηγικής
Οργάνωση της παρουσίασηςΚύρια χαρακτηριστικά λειτουργίας αισθητήρων – τύποι αισθητήρωνΜικροσυστήµατα (MEMs) / Ολοκληρωµένοι θερµικοί αισθητήρες – βασικές αρχές
“Ολοκληρωµένοι θερµικοί αισθητήρες – Αρχές λειτουργίας, πρωτότυπες ανεπτυγµένες διατάξεις”
ρ ήµ ( ) ηρ µ ρµ η ήρ ς β ς ρχ ςλειτουργίαςΟλοκληρωµένος θερµικός αισθητήρας ροής αερίων
• Τεχνολογία θερµικής µόνωσης πορώδους πυριτίου - διάκενου αέρα• Κατασκευή του αισθητήρα• Στατικός και δυναµικός χαρακτηρισµός του αισθητήρα
Ανάπτυξη ολοκληρωµένων θερµικών αισθητήρων µικρο-ροής• Χρήση της τεχνολογίας πορώδους πυριτίου – διάκενου αέρα για την ανάπτυξη µικρο-καναλιών• Κ ή λ λ έ θ ή ή
ΤΕΙ Αθηνών – Τµήµα Ναυπηγικής, Κύκλος σεµιναριακών διαλέξεων 2009
• Κατασκευή ολοκληρωµένου αισθητήρα µικρο-ροής
Ολοκληρωµένοι αισθητήρες ροής σε υπόστρωµα τυπωµένων κυκλωµάτων (PCB)• Πλεονεκτήµατα, διαδικασία κατασκευής-αρχικά αποτελέσµατα
∆υνητικές εφαρµογές ολοκληρωµένων αισθητήρων σε πλοία – Συζήτηση
2
Η «έννοια» του αισθητήρα :
Οι συσκευές εκείνες που µετρούνµια φυσική ποσότητα και τη
έ έ έ θ
Κύρια χαρακτηριστικά λειτουργίας αισθητήρων –τύποι αισθητήρων
µετατρέπουν σε ένα µέγεθος(σήµα) που µπορεί να το διαβάσειένας παρατηρητής.[Handbook of Modern sensors, Physics, Design and Applications, J. Fraden]
Series 52 Pressure Sensor, Red Valve Co. Inc.
ΤΕΙ Αθηνών – Τµήµα Ναυπηγικής, Κύκλος σεµιναριακών διαλέξεων 2009
Τυπικά οι σύγχρονοι αισθητήρες νοούνται ως οι συσκευές πουδέχονται ένα ερέθισµα και αποκρίνονται σε αυτό µε ένα ηλεκτρικό σήµα.(µετατροπή ενός φυσικού µεγέθους εισόδου σε ένα σήµα συµβατό µε ταηλεκτρονικά κυκλώµατα).
,
Χαρακτηριστικά λειτουργίας αισθητήρων:
Συνάρτηση µετάθεσης (transfer function)
συνδέει την έξοδο του αισθητήρα µε το µετρούµενο µέγεθος
Μαθηµατική σχέση που εκφράζει την εξάρτηση του ηλεκτρικού σήµατος
Κύρια χαρακτηριστικά λειτουργίας αισθητήρων –τύποι αισθητήρων
Μαθηµατική σχέση που εκφράζει την εξάρτηση του ηλεκτρικού σήµατοςεξόδου (Τ) από το ερέθισµα (s): T = f (s)
Ευαισθησία (sensitivity)
Το µέτρο της µεταβολής εξόδου για µια δεδοµένη µεταβολή του µεγέθουςυπό µέτρηση
dT
ΤΕΙ Αθηνών – Τµήµα Ναυπηγικής, Κύκλος σεµιναριακών διαλέξεων 2009
Εµπεριέχει τη συνάρτηση µετάθεσης, T = f(s)
Για γραµµική συνάρτηση µετάθεσης:
T = a + b · sossds
dTS=
=
S = b
3
Χαρακτηριστικά λειτουργίας αισθητήρων:
Ανάλυση (resolution) / διακριτική ικανότητα (discrimination)
ελάχιστη ποσότητα µετρούµενου µεγέθους που δύναται ναµετρηθεί, R
Κύρια χαρακτηριστικά λειτουργίας αισθητήρων –τύποι αισθητήρων
Μετρητικό πεδίο (measurement range)
ορίζεται από την ελάχιστη έως την µέγιστη τιµή του µετρούµενου
SnR L=
nL : το επίπεδο θορύβου - ελάχιστη δυνατήανιχνεύσιµη µεταβολή στοµετρούµενο µέγεθος
S : η ευαισθησία
ΤΕΙ Αθηνών – Τµήµα Ναυπηγικής, Κύκλος σεµιναριακών διαλέξεων 2009
µεγέθους που είναι σε θέση να καταγραφεί µε αποδεκτή ακρίβεια
Επαναληψιµότητα (repeatability)
αναφέρεται στο κατά πόσο ένας αισθητήρας είναι σε θέση να παράγει τοίδιο σήµα εξόδου για δεδοµένη τιµή του µετρούµενου µεγέθους και υπόταυτόσηµες συνθήκες
Χαρακτηριστικά λειτουργίας αισθητήρων:
Θόρυβος (noise)
ανεπιθύµητο χαρακτηριστικό όλων των ηλεκτρονικών κυκλωµάτων
η βασική κατηγοριοποίηση των ειδών θορύβου γίνεται µε βάση την
Κύρια χαρακτηριστικά λειτουργίας αισθητήρων –τύποι αισθητήρων
προέλευσή τους:
• έµφυτος θόρυβος (inherent noise) - προκύπτει εντός τουκυκλώµατος
• µεταδιδόµενος θόρυβος (transmitted noise) - µεταδίδεταιστο κύκλωµα από εξωτερικές πηγές
Λόγος σήµατος προς θόρυβο N – (Signal to Noise Ratio)
ΤΕΙ Αθηνών – Τµήµα Ναυπηγικής, Κύκλος σεµιναριακών διαλέξεων 2009
⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛=
n
mR V
VN 10log20
Λόγος σήµατος προς θόρυβο, NR (Signal to Noise Ratio)
Vm : το µέσο επίπεδο της τιµής της τάσης του σήµατος
Vn : το µέσο επίπεδο της τιµής θορύβου τάσης.
4
Τύποι αισθητήρων
Γενική κατηγοριοποίηση ως παθητικοί ή ενεργοί (passive – active)[Handbook of Modern sensors, Physics, Design and Applications, J. Fraden]
• παθητικοί αισθητήρες : δεν απαιτείται εξωτερική πηγή ενέργειας για τηνλειτουργία τους - παράγουν ένα ηλεκτρικό σήµα σε ανταπόκριση
Κύρια χαρακτηριστικά λειτουργίας αισθητήρων –τύποι αισθητήρων
λειτουργία τους - παράγουν ένα ηλεκτρικό σήµα σε ανταπόκρισητου εξωτερικού ερεθίσµατος
• ενεργοί αισθητήρες : απαιτείται εξωτερική πηγή ενέργειας για τηλειτουργία τους
οµαδοποίηση µε βάση τη φύση του µετρούµενου µεγέθους(π.χ. αισθητήρες µετατόπισης / displacement sensors)
ΤΕΙ Αθηνών – Τµήµα Ναυπηγικής, Κύκλος σεµιναριακών διαλέξεων 2009
οµαδοποίηση µε βάση την αρχή λειτουργίας τους( π.χ. χωρητικοί αισθητήρες / capacitive sensors)
Φυσικοί αισθητήρες Χηµικοί αισθητήρες
Φαινόµενα µετατροπής που χρησιµοποιούνταιΜέσα ανίχνευσης που αξιοποιούνται προςί ύ έθ
Αισθητήρες : στηρίζουν τη λειτουργία τους στη µετατροπή ενέργειας από µιαµορφή σε κάποια άλλη, η οποία είναι πιο άµεση στην «ανάγνωσή» της.
Κύρια χαρακτηριστικά λειτουργίας αισθητήρων –τύποι αισθητήρων
Θερµότητα & Θερµοκρασία Χηµικά
ΗλεκτρικάΜαγνητικά &
ηλεκτροµαγνητικά κύµατα
Μηχανική µετατόπιση Μηχανικό κύµα
Ραδιενέργεια Ακτινοβολία (διάφορες
Φυσικοί αισθητήρες Χηµικοί αισθητήρεςΘερµοηλεκτρικό Χηµικός µετασχηµατισµός
Φωτοηλεκτρικό Φυσικός µετασχηµατισµός
Μαγνητοηλεκτρικό Ηλεκτροχηµική διαδικασία
Ηλεκτροµαγνητικό Φασµατοσκοπία
Θερµοελαστικό Άλλα
Ηλεκτροελαστικό Βιολογικοί αισθητήρες
Θερµοµαγνητικό Βιοχηµικός µετασχηµατισµός
ανίχνευση του µετρούµενου µεγέθους
ΤΕΙ Αθηνών – Τµήµα Ναυπηγικής, Κύκλος σεµιναριακών διαλέξεων 2009
Ραδιενέργεια µορφές)
Άλλα Βιολογικά
Θερµοοπτικό Επίδραση σε οργανισµούς
Πιεζοηλεκτρικό Φασµατοσκοπία
Άλλα Άλλα
[R.W. White, A sensor classification scheme. In: Microsensors. IEEE Press, New York,1991]
5
Μικροσυστήµατα (MEMs) / Ολοκληρωµένοι θερµικοί αισθητήρες-βασικές αρχές λειτουργίας
1947 : κατασκευή του πρώτου τρανζίστορ απόJ.Bardeen, W. Brattain and W. Shockley - Belllabs [Circuit element utilizing semiconducting material, W.
Τεχνολογία ολοκληρωµένων κυκλωµάτων - ICs
[ g g ,Shockley, U.S. Patent No 2,569,347 , issued at 25/09/1951]
[http://stochastix wordpress com/2007/12/17/transistor
1963 : ανάπτυξη τεχνολογίας ολοκληρωµένων κυκλωµάτων CMOS από F Wanlass
ΤΕΙ Αθηνών – Τµήµα Ναυπηγικής, Κύκλος σεµιναριακών διαλέξεων 2009
[http://stochastix.wordpress.com/2007/12/17/transistor-60th-anniversary]
κυκλωµάτων CMOS από F. Wanlass [Low Stand-By Power Complementary Field Effect Circuitry, F.Wanlass, U.S. Patent No 3,356,858, issued at 05/12/1967 ]
1947 : κατασκευή του πρώτου τρανζίστορ απόJ.Bardeen, W. Brattain and W. Shockley - Belllabs [Circuit element utilizing semiconducting material, W.
Τεχνολογία ολοκληρωµένων κυκλωµάτων - ICs
Μικροσυστήµατα (MEMs) / Ολοκληρωµένοι θερµικοί αισθητήρες-βασικές αρχές λειτουργίας
[ g g ,Shockley, U.S. Patent No 2,569,347 , issued at 25/09/1951]
[http://stochastix wordpress com/2007/12/17/transistor
σήµερα : εκατοµµύρια τρανζίστορ σε µίαψηφίδα (die)
ΤΕΙ Αθηνών – Τµήµα Ναυπηγικής, Κύκλος σεµιναριακών διαλέξεων 2009
[http://stochastix.wordpress.com/2007/12/17/transistor-60th-anniversary]
AMD Phenom II X4, quad-core processor No τρανζίστορ : ~758,000,000 [http://www.anandtech.com/printarticle.aspx?i=3512]
6
Στην δεκαετία του ’80, η ραγδαία ανάπτυξη της τεχνολογίαςολοκληρωµένων κυκλωµάτων ώθησε στην ανάπτυξη συσκευώνµειωµένων διαστάσεων µε βάση το πυρίτιο – µικροσυστηµάτων
Μικροαισθητήρας : αισθητήρας που έχει µια τουλάχιστον φυσική
Μικροσυστήµατα (MEMs) / Ολοκληρωµένοι θερµικοί αισθητήρες-βασικές αρχές λειτουργίας
Η µείωση των διαστάσεων στουςαισθητήρες επέφερε αντίστοιχη µείωσηστις τιµές του µετρούµενου µεγέθους, σεβελτίωση όσον αφορά στην ακρίβεια και
άλ ή
Μικροαισθητήρας : αισθητήρας που έχει µια τουλάχιστον φυσικήδιάσταση σε επίπεδο µικρότερο του 1mm[Microsensors, MEMS and Smart Devices, J. W. Gardner, V. K. Varadan, O.O. Awadelkarim, Wiley (2001)]
ΤΕΙ Αθηνών – Τµήµα Ναυπηγικής, Κύκλος σεµιναριακών διαλέξεων 2009
στην ανάλυση της συσκευής
Αριθµός τρανζίστορ/µP (Intel) παράλληλα µε τηνεξέλιξη των µικροσυστηµάτων (MEMs)[Trends and Frontiers of MEMs, W.H. Ko, Sensors andActuators A 136 (2007)]
Η δυνατότητα µαζικής επεξεργασίας(butch processing) οδηγεί σε µείωσηκόστους παραγωγής
Στην δεκαετία του ’80, η ραγδαία ανάπτυξη της τεχνολογίαςολοκληρωµένων κυκλωµάτων ώθησε στην ανάπτυξη συσκευώνµειωµένων διαστάσεων µε βάση το πυρίτιο – µικροσυστηµάτων
Μικροαισθητήρας : αισθητήρας που έχει µια τουλάχιστον φυσική
Μικροσυστήµατα (MEMs) / Ολοκληρωµένοι θερµικοί αισθητήρες-βασικές αρχές λειτουργίας
Η µείωση των διαστάσεων στουςαισθητήρες επέφερε αντίστοιχη µείωσηστις τιµές του µετρούµενου µεγέθους, σεβελτίωση όσον αφορά στην ακρίβεια και
άλ ή
Μικροαισθητήρας : αισθητήρας που έχει µια τουλάχιστον φυσικήδιάσταση σε επίπεδο µικρότερο του 1mm[Microsensors, MEMS and Smart Devices, J. W. Gardner, V. K. Varadan, O.O. Awadelkarim, Wiley (2001)]
ΤΕΙ Αθηνών – Τµήµα Ναυπηγικής, Κύκλος σεµιναριακών διαλέξεων 2009
στην ανάλυση της συσκευής
60 µm
[http://dev.emcelettronica.com/micro-electro-mechanical-systems-technology-mems]
Η δυνατότητα µαζικής επεξεργασίας(butch processing) οδηγεί σε µείωσηκόστους παραγωγής
Φωτογραφία ηλεκτρονικού µικροσκοπίουσάρωσης (SEM) µικροσυστήµατος (κεραίας)
7
Ολοκληρωµένοι θερµικοί αισθητήρες
Μικροσυστήµατα (MEMs) / Ολοκληρωµένοι θερµικοί αισθητήρες-βασικές αρχές λειτουργίας
Εµπλέκεται ο προσδιορισµός της θερµοκρασίας σε συγκεκριµένα σηµείαή περιοχές και η µετέπειτα εξαγωγή της τιµής του µετρούµενου µεγέθους ωςσυνάρτηση αυτής.
Μέθοδοι ανίχνευσης «θερµικής ροής» (thermal flow sensing) :[Silicon flow sensors, B.W. van Oudheusden, Sensors and Actuators A 30 (1992)]
Οι ανιχνευόµενες µεταβολές στη θερµοκρασία προκύπτουν ωςαποτέλεσµα της επίδρασης των µηχανισµών διάδοσης της θερµότητας,δηλαδή της αγωγής, της διαγωγής και της ακτινοβολίας.
ΤΕΙ Αθηνών – Τµήµα Ναυπηγικής, Κύκλος σεµιναριακών διαλέξεων 2009
• Ψύξη ενός θερµού σώµατος• Μεταφορά θερµότητας• Θερµική ανίχνευση (thermal tracing)
∆ιαγωγή µεταξύ ρευστού και θερµαντήρα
Πτώση θερµοκρασίας θερµαντήρα, ∆Τ= f (Uροής)
Μικροσυστήµατα (MEMs) / Ολοκληρωµένοι θερµικοί αισθητήρες-βασικές αρχές λειτουργίας
Ολοκληρωµένοι θερµικοί αισθητήρες
Εµπλέκεται ο προσδιορισµός της θερµοκρασίας σε συγκεκριµένα σηµείαή περιοχές και η µετέπειτα εξαγωγή της τιµής του µετρούµενου µεγέθους ωςσυνάρτηση αυτής.
Οι ανιχνευόµενες µεταβολές στη θερµοκρασία προκύπτουν ωςαποτέλεσµα της επίδρασης των µηχανισµών διάδοσης της θερµότητας,δηλαδή της αγωγής, της διαγωγής και της ακτινοβολίας.
Μέθοδοι ανίχνευσης «θερµικής ροής» (thermal flow sensing) :[Silicon flow sensors, B.W. van Oudheusden, Sensors and Actuators A 30 (1992)]
ΤΕΙ Αθηνών – Τµήµα Ναυπηγικής, Κύκλος σεµιναριακών διαλέξεων 2009
• Ψύξη ενός θερµού σώµατος• Μεταφορά θερµότητας• Θερµική ανίχνευση (thermal tracing)
Ροή ρευστού
Ανίχνευση ροής µέσω της νέας κατανοµής
Ανοµοιόµορφηκατανοµήθερµοκρασίας
21
)()( ρρθ U⋅Τ−Τ∞∆Τ
8
Μικροσυστήµατα (MEMs) / Ολοκληρωµένοι θερµικοί αισθητήρες-βασικές αρχές λειτουργίας
Ολοκληρωµένοι θερµικοί αισθητήρες
Εµπλέκεται ο προσδιορισµός της θερµοκρασίας σε συγκεκριµένα σηµείαή περιοχές και η µετέπειτα εξαγωγή της τιµής του µετρούµενου µεγέθους ωςσυνάρτηση αυτής.
Μέθοδοι ανίχνευσης «θερµικής ροής» (thermal flow sensing) :[Silicon flow sensors, B.W. van Oudheusden, Sensors and Actuators A 30 (1992)]
Οι ανιχνευόµενες µεταβολές στη θερµοκρασία προκύπτουν ωςαποτέλεσµα της επίδρασης των µηχανισµών διάδοσης της θερµότητας,δηλαδή της αγωγής, της διαγωγής και της ακτινοβολίας.
ΤΕΙ Αθηνών – Τµήµα Ναυπηγικής, Κύκλος σεµιναριακών διαλέξεων 2009
• Ψύξη ενός θερµού σώµατος• Μεταφορά θερµότητας• Θερµική ανίχνευση (thermal tracing)
Ανίχνευση ροής µέσω της χρονικής διάρκειας
Μέτρηση χρονικής διάρκειαςµετάβασης ενός θερµικούπαλµού µεταξύ δύο σηµείων
Μέτρηση θερµοκρασιακής διαφοράς µεταξύ δύο σηµείων
Ανοµοιόµορφη κατανοµή 5
ΤΘ
Μέταλλο Α Μέ αλλο Β5
Θερµοζεύγος Βασική αρχή λειτουργίας
Ολοκληρωµένος θερµικός αισθητήρας ροής αερίων
Ροή ρευστού
Ανίχνευση ροής µέσω της νέας κατανοµής
Ανοµοιόµορφη κατανοµήθερµοκρασίας (στη θερµικάµονωµένη επιφάνεια)
21
)()( ρρθ U⋅Τ−Τ∞∆Τ
ΤΨ4ΤΨ
1 2
3
ΤΑΤΑ
Μέταλλο Α Μέταλλο Β
Μέταλλο Γ
5
ΤΕΙ Αθηνών – Τµήµα Ναυπηγικής, Κύκλος σεµιναριακών διαλέξεων 2009
Αναγκαία η εύρεση τηςθερµοκρασιακής διαφοράς, ∆Τµεταξύ δύο συµµετρικώνσηµείων της νέας κατανοµής
Τθ > Tψ > ΤΑ όπου :Tθ : Θερµοκρασία θερµής περιοχήςΤψ : Θερµοκρασία ψυχρής περιοχής ΤΑ : Θερµοκρασία αναφοράς
9
5
ΤΘ
Μέταλλο Α Μέ αλλο Β5∫Θ
=T
dTaVV )(α
∆ιαφορά δυναµικού µεταξύ επαφών 1 & 2 Θερµοζεύγος
Μέτρηση θερµοκρασιακής διαφοράς µεταξύ δύο σηµείων
Ολοκληρωµένος θερµικός αισθητήρας ροής αερίων
ΤΨ4ΤΨ
1 2
3
ΤΑΤΑ
Μέταλλο Α Μέταλλο Β
Μέταλλο Γ
5∫Ψ
−=−T
BA dTaVV )(12 α
όπου : αΑ , αΒ οι συντελεστές seebeck των µετάλλων A & B αντίστοιχα
Για µικρή θερµοκρασιακή διαφορά µεταξύτης “θερµής” και “ψυχρής” περιοχής:
ΤΕΙ Αθηνών – Τµήµα Ναυπηγικής, Κύκλος σεµιναριακών διαλέξεων 2009
Τθ > Tψ > ΤΑ όπου :Tθ : Θερµοκρασία θερµής περιοχήςΤψ : Θερµοκρασία ψυχρής περιοχής ΤΑ : Θερµοκρασία αναφοράς
2 1 ( ) ( )
( )AB
ύVV V
aερµοζε γους α αΑ Β Θ Ψ
Θ
Θ
Ψ
− = = − ⋅ Τ − Τ
= ⋅ Τ − Τ
όπου : αΑΒ ο διαφορικός συντελεστής seebeck των δύο µετάλλων
5
ΤΘ
Μέταλλο Α Μέ αλλο Β5
Θερµοστοιχείο: (n) όµοια θερµοζεύγησυνδεµένα σε σειρά
Θερµοζεύγος
Μέτρηση θερµοκρασιακής διαφοράς µεταξύ δύο σηµείων
Ολοκληρωµένος θερµικός αισθητήρας ροής αερίων
ΤΨ4ΤΨ
1 2
3
ΤΑΤΑ
Μέταλλο Α Μέταλλο Β
Μέταλλο Γ
5
ό λ έ b k
[( ) ( )]ί ύ
A
V n V
n T Tερµοστοιχε ου ερµοζε γους
ψα αΘ Θ
Β Θ
= ⋅
= ⋅ − ⋅ −
Tn AB ∆⋅⋅= α
ΤΕΙ Αθηνών – Τµήµα Ναυπηγικής, Κύκλος σεµιναριακών διαλέξεων 2009
Τθ > Tψ > ΤΑ όπου :Tθ : Θερµοκρασία θερµής περιοχήςΤψ : Θερµοκρασία ψυχρής περιοχής ΤΑ : Θερµοκρασία αναφοράς
όπου : αΑ , αΒ οι συντελεστές seebeck των µετάλλων A & B αντίστοιχα
αΑΒ ο διαφορικός συντελεστής seebeck των δύο µετάλλων
10
Αρχή λειτουργίαςΘερµικά µονωµένη περιοχή
Θερµαντήρας (poly-Si)
Ωµικές έ (Al) ΤA ΤB
Ολοκληρωµένος θερµικός αισθητήρας ροής αερίων
Θερµοστοιχεία
επαφές (Al) ΤA ΤB
∆Vtherm1 ∆VTherm2
ΤΕΙ Αθηνών – Τµήµα Ναυπηγικής, Κύκλος σεµιναριακών διαλέξεων 2009
ΤA = ΤB ∆Vtherm1= ∆Vtherm2
(Al / poly-Si)Αντίσταση αναφοράς ΤθΤsub
Ροή αερίου
Τ’A ≠ Τ’
B ∆V’therm1 ≠ ∆V’
therm2
Τεχνολογία θερµικής µόνωσης πορώδους πυριτίου – ∆ιάκενου αέρα
Απαραίτητη η αύξηση τηςθερµοκρασίας τοπικά στουπόστρωµα κατά τη διάρκεια
Αναγκαιότητα µείωσης θερµικών απωλειών - επιλεκτικού σχηµατισµού µιας θερµικά µονωµένης περιοχής στο
Ολοκληρωµένος θερµικός αισθητήρας ροής αερίων
ρ µ η ρλειτουργίας του αισθητήρα
µ ς ρµ µ µ ης ρ χήςυπόστρωµα
Πορώδηςαιωρούµενηµεµβράνη
Θερµικά µονωµένη περιοχή
ΤΕΙ Αθηνών – Τµήµα Ναυπηγικής, Κύκλος σεµιναριακών διαλέξεων 2009
Si
Φωτογραφία οπτικού µικροσκοπίου ∆ιαστάσεις µονωµένης περιοχής : ~100 µm x 700 µm
Σχηµατική αναπαράσταση τοµής θερµικά µονωµένης περιοχής
11
Τεχνολογία θερµικής µόνωσης πορώδους πυριτίου – ∆ιάκενου αέρα
Θερµικές αγωγιµότητες : 150 Wm-1Κ-1 για κρυσταλλικό πυρίτιο (υπόστρωµα) ≈ 1.2 Wm-1K-1 για poSi 2.62 x 10-2 Wm-1K-1 για αέρα
Ολοκληρωµένος θερµικός αισθητήρας ροής αερίων
ΑιωρούµενηµεµβράνηpoSi
poSi
∆ιασφάλιση υψηλής τοπικής θερµικής µόνωσης στο υπόστρωµα
ΤΕΙ Αθηνών – Τµήµα Ναυπηγικής, Κύκλος σεµιναριακών διαλέξεων 2009
Si
Φωτογραφία οπτικού µικροσκοπίου ∆ιαστάσεις µονωµένης περιοχής : ~100 µm x 700 µm
poSi∆ιάκενο αέρα
Φωτογραφία ηλεκτρονικού µικροσκοπίου σάρωσης(SEM) Πάχος po-Si : ~ 10 µm, ∆ιακένου: ~ 2 µm
Εξίσωση διάχυσης θερµότητας (Heat Diffusion equation)
tTcq
zTk
zyTk
yxTk
x p ∂∂⋅⋅=+⎟
⎠⎞
⎜⎝⎛
∂∂
∂∂
+⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛∂∂
∂∂
+⎟⎠⎞
⎜⎝⎛
∂∂
∂∂ •
ρ
Τεχνολογία θερµικής µόνωσης πορώδους πυριτίου – ∆ιάκενου αέρα
Ολοκληρωµένος θερµικός αισθητήρας ροής αερίων
όπου :: ο καθαρός ρυθµός παραγωγής ή απώλειας ενέργειας (W/m3)
ρ : η πυκνότητα του υλικού (Kgr/m3)cp : η θερµοχωρητικότητα του υλικού (J/Kg/K)k : η θερµική αγωγιµότητα του υλικού (W/m/K)
•
q
όταν: , k σταθερό0=∂∂
tT
TqTTT ∂∂∂∂•
1222
όταν: k σταθερό
ΤΕΙ Αθηνών – Τµήµα Ναυπηγικής, Κύκλος σεµιναριακών διαλέξεων 2009
kq
zT
yT
xT
•
−=∂∂
+∂∂
+∂∂
2
2
2
2
2
2
Eξίσωση Poisson
∂ttT
akq
zT
yT
xT
∂∂⋅=+
∂∂
+∂∂
+∂∂ 1
222
pcka⋅
=ρ
όπου:, θερµική διαχυτότητα (thermal diffusivity)
12
Θερµαντήρας poly-Si
Αιωρούµενη µεµβράνη po-Si
Θεωρητική εκτίµηση της προσφερόµενης θερµικής µόνωσης
Εξάρτηση της θερµικής µόνωσης απότις διαστάσεις της τελικής Εξάρτηση θερµικής µόνωσης από
ά ώ Si (βάθ
(χρήση λογισµικού ανάλυσης πεπερασµένων στοιχείων Coventorware της Coventor)
Τεχνολογία θερµικής µόνωσης πορώδους πυριτίου – ∆ιάκενου αέρα
Ολοκληρωµένος θερµικός αισθητήρας ροής αερίων
Εξάρτηση θερµικής µόνωσης από βάθος διάκενου αέρα (πάχος
∆ιάκενο αέρα
µικροµηχανικής δοµής πάχος στρώµατος po-Si (βάθος κοιλότητας αέρα : 20 µm)
200220240260280300320340360380400420440460
ολή
θερ
µοκρασ
ίας
ν θερµαντήρα
(Κ
) Βάθος κοιλότητας : 20 µm
Οριακές συνθήκες:• Θερµοκρασία υποστρώµατος ίση µε
300 K
• ∆ιαστάσεις θερµικά µονωµένηςπεριοχής : 420 µm x 100 µm
• ∆ιαστάσεις θερµαντήρα πολύ-κρυσταλλικού πυριτίου : 20 µm x 100
βάθος διάκενου αέρα (πάχος στρώµατος po-Si : 5 µm)
βολή
θερ
µοκρασ
ίας
ν θερµαντήρα
(Κ
)
400
450
500
550
600
650
700
750
Πάχος αιωρούµενης ε βρά ης 5 m
ΤΕΙ Αθηνών – Τµήµα Ναυπηγικής, Κύκλος σεµιναριακών διαλέξεων 2009
Si10 15 20 25 30 35 40
100120140160180200
Μεταβ
στον
Πάχος αιωρούµενης µεµβράνης πορώδους πυριτίου (µm)
κρυσταλλικού πυριτίου : 20 µm x 100µm x 0.5 µm
• Εφαρµοζόµενη ροή θερµότητας στοθερµαντήρα ίση µε : 8.57 x 106 W/m2
(αντιστοιχεί σε ~71 mW)
Μεταβ
στον
5 10 15 20 25 30 35 40 45 50300
350
400 µεµβράνης : 5 µm
Βάθος κοιλότητας κάτω από τη µεµβράνη poSi (µm)
Θερµαντήρας
Θερµή επαφή θερµοστοιχείων
ΟξείδιοΟ έ θή
Προσοµοίωση θερµοκρασιακήςκατανοµής στην επιφάνεια τουολοκληρωµένου αισθητήρα ροής
Κατασκευή του αισθητήρα
Ολοκληρωµένος θερµικός αισθητήρας ροής αερίων
∆ιάκενο αέρα
Μεµβράνη po-Si
Οξείδιο
Θερµοστοιχεία Al/poly-Si
Οριακές συνθήκες:• Θερµοκρασία υποστρώµατος ίση µε 300 K
• ∆ιαστάσεις θερµικά µονωµένης περιοχής :100 µm x 100 µm
• Πάχος αιωρούµενης µεµβράνης / βάθοςκοιλότητας αέρα : 10 µm /10 µm
• ∆ιαστάσεις θερµαντήρα πολύ-κρυσταλλικούπυριτίου : 20 µm x 100 µm x 0.5 µm
Οξ ίδ (TEOS) ά 100 ά θ
ΤΕΙ Αθηνών – Τµήµα Ναυπηγικής, Κύκλος σεµιναριακών διαλέξεων 2009
Si
x
y z
300Κ 384Κx
y z
Παρεχόµενη ισχύς = 35 mW
• Οξείδιο (TEOS) πάχους 100 nm άνωθεν τηςσχηµατισµένης δοµής
• Θερµοστοιχεία Αλουµινίου /πολυκρυσταλλικού πυριτίου (πλάτους 20 µmκαι πάχους 0.5 µm) σε απόσταση 20 µm απότον θερµαντήρα
13
Αύξηση της θερµοκρασίας τουθερµαντήρα συναρτήσει τηςπαρεχόµενης ισχύος :
Κατασκευή του αισθητήρα
Ολοκληρωµένος θερµικός αισθητήρας ροής αερίων
άνεια
(Κ)
50 mW (poSi)35 mW (poSi/∆ιάκενο)35 mW (poSi)
380
390
= 1.67 Κ /mW
(εφαρµογή µόνο po-Si πάχους 40 µm)
= 2.4 K/mW
µενηεισερχ
ραθερµαντ
ό
ή
P∆Τ
ραθερµαντ ή'∆Τ
οκρασία στην
µονω
µένη
επιφά
320
330
340
350
360
370
ΤΕΙ Αθηνών – Τµήµα Ναυπηγικής, Κύκλος σεµιναριακών διαλέξεων 2009
(εφαρµογή τεχνολογίας poSi / ∆ιάκενοαέρα)
µενηεισερχόPΘερ
µο
ΤΘ2ΤΘ1Απόσταση από το θερµαντήρα (µm)
-100 -50 0 50 100300
310
Σχηµατισµός θερµικάµονωµένης περιοχήςΠολυκρυσταλλικό
∆ιαδικασία κατασκευής (συµβατή µε CMOS)
Κατασκευή του αισθητήρα
Ολοκληρωµένος θερµικός αισθητήρας ροής αερίων
µονωµένης περιοχής
Σχηµατισµός πρώτου µέρουςθερµοστοιχείων / θερµαντήρα
Θερµικάµονωµένη περιοχή
πυρίτιο
Αλουµίνιο
(2)
(3)
(4)
Κρυσταλλικό πυρίτιο (1)
ΤΕΙ Αθηνών – Τµήµα Ναυπηγικής, Κύκλος σεµιναριακών διαλέξεων 2009
Ολοκληρωµένος θερµικός αισθητήρας ροής αερίων(1) - υπόστρωµα(2) - θερµικά µονωµένη περιοχή (poSi-∆ιάκενο αέρα)(3) - θερµαντική αντίσταση και πρώτο µέρος των θερµοστοιχείων(4) - δεύτερο µέρος των θερµοστοιχείων και ωµικές επαφές
Σχηµατισµός δεύτερουµέρους θερµοστοιχείων/ ωµικών επαφών
14
Κατασκευή του αισθητήρα
Ολοκληρωµένος θερµικός αισθητήρας ροής αερίων
Φωτογραφίες οπτικού µικροσκοπίου τουολοκληρωµένου θερµικού αισθητήρα ροής
Αιωρούµενη µεµβράνη
Si
ΤΕΙ Αθηνών – Τµήµα Ναυπηγικής, Κύκλος σεµιναριακών διαλέξεων 2009
Μέρος της θερµικά µονωµένηςαιωρούµενης δοµής
100 µm
Κατασκευή του αισθητήρα
Ολοκληρωµένος θερµικός αισθητήρας ροής αερίων
Θερµαντήρας (poly-Si)
Θερµοστοιχεία (Al/poly-Si)
Φωτογραφίες οπτικού µικροσκοπίου τουολοκληρωµένου θερµικού αισθητήρα ροής
ΤΕΙ Αθηνών – Τµήµα Ναυπηγικής, Κύκλος σεµιναριακών διαλέξεων 2009
Θερµοστοιχεία Αλουµινίου/poly-Siεκατέρωθεν της θερµαντικήςαντίστασης100 µm
15
Φωτογραφίες οπτικού µικροσκοπίου τουολοκληρωµένου θερµικού αισθητήρα ροής
Κατασκευή του αισθητήρα
Ολοκληρωµένος θερµικός αισθητήρας ροής αερίων
ΘερµαντήραςΘερµαντήρας (poly-Si) Al
Αιωρούµενη µεµβράνη
ΤΕΙ Αθηνών – Τµήµα Ναυπηγικής, Κύκλος σεµιναριακών διαλέξεων 2009
Κάτω τµήµα θερµικής αντίστασης . ∆ιακρίνεταιη διεπαφή αλουµίνιου – πολυκρυσταλλικούπυριτίου
100 µm
Αύξηση της θερµοκρασίας στην επιφάνεια του θερµαντήρα συναρτήσει της παρεχόµενης ισχύος
Ρυθµός αύξησης της
Ολοκληρωµένος θερµικός αισθητήρας ροής αερίων
Λειτουργία και χαρακτηρισµός του αισθητήρα
2100
2200 Νέα τεχνολογία θερµικής µόνωσης Υπάρχουσα τεχνολογία θερµικής µόνωσης
Ω)
Τεχνολογία poSi / ∆ιάκενο αέραΣυµπαγής µεµβράνη poSi
(Ω)
µ ς ξη ης ηςηλεκτρικής αντίστασηςτου θερµαντήρασυναρτήσει της αύξησηςτης θερµοκρασίας του :
1.64 Ω / Κκαι για τις δύοπεριπτώσεις θερµικής
1700
1800
1900
2000
Αντίσταση
Θερ
µαντήρα
(ΩΑντίσ
ταση
θερ
µαντήρα
ΤΕΙ Αθηνών – Τµήµα Ναυπηγικής, Κύκλος σεµιναριακών διαλέξεων 2009
περιπτώσεις θερµικήςµόνωσης
40 60 80 100 120 140 160 180 200
1600
Θερµοκρασία θερµαντήρα (οC)Θερµοκρασία θερµαντήρα (oC)
16
Ρυθµός αύξησης τηςηλεκτρικής αντίστασηςτου θερµαντήρα
Νέα τεχνολογία poSi/∆ιάκενο αέραΥπάρχουσα τεχνολογία poSi)
2100 Νέα τεχνολογία θερµικής µόνωσης Υπάρχουσα τεχνολογία θερµικής µόνωσηςΤεχνολογία poSi/∆ιάκενο αέραΣυµπαγής µεµβράνη poSi
Αύξηση της θερµοκρασίας στην επιφάνεια του θερµαντήρα συναρτήσει της παρεχόµενης ισχύος
Ολοκληρωµένος θερµικός αισθητήρας ροής αερίων
του θερµαντήρασυναρτήσει τηςπαρεχόµενης ισχύος σεαυτόν:
2.69 Ω / mW(συµπαγής µεµβράνη poSi)
Αντίσ
ταση
θερ
µαντήρα
(Ω)
1700
1800
1900
2000
ντίσταση
Θερ
µαντήρα
(Ω)
ντίσταση
θερ
µαντήρα
(Ω)
ΤΕΙ Αθηνών – Τµήµα Ναυπηγικής, Κύκλος σεµιναριακών διαλέξεων 2009
Θερµοκρασία θερµαντήρα (oC)
Α
0 5 10 15 20 25 30 35 40 451500
1600Αν
Παρεχόµενη Ισχύς (mW)Παρεχόµενη Ισχύς (mW)
Αν 3.69 Ω / mW(τεχνολογία poSi/∆ιάκενο αέρα)
250
300
α (Κ
) Τεχνολογία Πορώδους πυριτίου άνωθεν ∆ιάκενου Αέρα Υπάρχουσα τεχνολογία Πορώδους πυριτίουΤεχνολογία poSi/∆ιάκενο αέραΣυµπαγής µεµβράνη poSi
ρα (Κ
)
Ρυθµός αύξησης τηςθερµοκρασίας τουθερµαντήρα στην µονωµένη
ή ή
Αύξηση της θερµοκρασίας στην επιφάνεια του θερµαντήρα συναρτήσει της παρεχόµενης ισχύος
Ολοκληρωµένος θερµικός αισθητήρας ροής αερίων
100
150
200
250
η θερµοκρασίας
θερ
µαντήρα
θερµοκρασίας
θερ
µαντήρ περιοχή συναρτήσει της
παρεχόµενης ισχύος σεαυτόν:
1.64 K / mW(συµπαγής µεµβράνη poSi)
2.25 K / mW
ΤΕΙ Αθηνών – Τµήµα Ναυπηγικής, Κύκλος σεµιναριακών διαλέξεων 2009
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 1300
50
Παρεχόµενη Ισχύς (mW)
Αύξησ
η
Παρεχόµενη Ισχύς (mW)
Αύξησ
η (τεχνολογία poSi/∆ιάκενο αέρα)
Θερµ. προσοµοιώσεις :• 1.67 K/mW• 2.4 K/mW αντίστοιχα
17
Συσκευασία (packaging) του ολοκληρωµένου αισθητήρα ροής αερίων
Κοπή της ψηφίδας µικρο-αισθητήρα (διαδικασία dicing saw)
Συγκόλληση σε φορέα από PCB
∆ιασύνδεση της διάταξης (διαδικασία
Ολοκληρωµένος θερµικός αισθητήρας ροής αερίων
∆ιασύνδεση της διάταξης (διαδικασίαwire bonding) – επικοινωνία µε τονµακρόκοσµο
ΤΕΙ Αθηνών – Τµήµα Ναυπηγικής, Κύκλος σεµιναριακών διαλέξεων 2009
Τυπικό δισκίο πυριτίου 3 ιντσών στο τέλοςτης διαδικασίας ανάπτυξης των µικρο-αισθητήρων
Συσκευασία (packaging) του ολοκληρωµένου αισθητήρα ροής αερίων
Κοπή της ψηφίδας µικρο-αισθητήρα (διαδικασία dicing saw)
Συγκόλληση σε φορέα από PCB
∆ιασύνδεση της διάταξης (διαδικασία
Ολοκληρωµένος θερµικός αισθητήρας ροής αερίων
Σύρµα αλουµινίουΈξοδος αερίου
Προσαρµογή PCB σε κατάλληλοηµικυλινδρικό κανάλι
∆ιασύνδεση της διάταξης (διαδικασίαwire bonding) – επικοινωνία µε τονµακρόκοσµο Ηµικυλινδρικό κανάλι
ΤΕΙ Αθηνών – Τµήµα Ναυπηγικής, Κύκλος σεµιναριακών διαλέξεων 2009
Επαφές Cu
Είσοδος αερίου
18
Απόκριση (responsivity) των θερµοστοιχείων του αισθητήρα
7
8
9 Τεχνολογία Πορώδους πυριτίου άνωθεν ∆ιάκενου Αέρα Υπάρχουσα τεχνολογία Πορώδους πυριτίουΤεχνολογία poSi/∆ιάκενο αέραΣυµπαγής µεµβράνη poSi
Αναπτυσσόµενη τάση σταάκρα κάθε θερµοζεύγουςσυναρτήσει της
ό ύ
Ολοκληρωµένος θερµικός αισθητήρας ροής αερίων
2
3
4
5
6
7
VΘερ
µοζεύγος
(mV
)Vθερµοζεύγος(m
V)
παρεχόµενης ισχύος:
0.081 V / W(συµπαγής µεµβράνη poSi)
0.110 V / W(τεχνολογία poSi/∆ιάκενο αέρα)
ΤΕΙ Αθηνών – Τµήµα Ναυπηγικής, Κύκλος σεµιναριακών διαλέξεων 2009
0 10 20 30 40 50 60 70 800
1
Ισχύς(mW)Παρεχόµενη Ισχύς (mW)
~36% αύξηση για τηνίδια παρεχόµενη ισχύ
∆υναµικός χαρακτηρισµός του αισθητήρα σε συνθήκες ροής αερίου αζώτου
• Αέριο : Άζωτο (Ν50)
• Στρωτή ροή στο κανάλι : 0 - 2000 sccm (0 - 9.4313 m/sec ταχύτητα αερίου)
Ολοκληρωµένος θερµικός αισθητήρας ροής αερίων
Συσκευή ελέγχου
Αέριο Ν2
Ελεγκτής ροής
∆ιάταξη διαµόρφωσης ροής / Αισθητήρας
Βαλβίδες
ΤΕΙ Αθηνών – Τµήµα Ναυπηγικής, Κύκλος σεµιναριακών διαλέξεων 2009
Η/Υ Ηλεκτρόµετρο Πολύµετρο Πηγή Ρεύµατος
19
Ε θ ί ά ύ
Αναπτυσσόµενη διαφορά δυναµικού ανάµεσα στα δύο θερµοστοιχεία συναρτήσει της διερχόµενης ροής
∆υναµικός χαρακτηρισµός του αισθητήρα σε συνθήκες ροής αερίου αζώτου
Ολοκληρωµένος θερµικός αισθητήρας ροής αερίων
0,2
0,4
0,6
0,8
1,0
φορά
θερ
µοστοιχέιων
(mV)
Tεχνολογία poSi/∆ιάκενο αέρα Συµπαγής µεµβράνη poSi
Ευαισθησία ανά ισχύθέρµανσης (sensitivity perheating power):
Sp = 6.86
S ’ = 14
PU
VS ά
p⋅
= ςδιαφορ σε WmmV
⋅sec)/(
WmmV
⋅sec)/(
mV0,2
0,4
0,6
0,8
1,0
φορά
θερ
µοστοιχέιων
(mV
) Τεχνολογία poSi/∆ιάκενο αέρα Συµπαγής µεµβράνη poSi
Ευαισθησία (sensitivity):
U
VS άςδιαφορ= sec)/(m
mVσε
S = 0.24
S’= 0.49
sec)/(mmV
sec)/(mmV
ΤΕΙ Αθηνών – Τµήµα Ναυπηγικής, Κύκλος σεµιναριακών διαλέξεων 2009
1,5 2,0 2,5 3,0 3,50,0
∆ιαφ
Ροή αερίου ⎟⎠⎞⎜
⎝⎛
secm
Sp = 14 WmmV
⋅sec)/(
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 100,0
∆ιαφ
Ροή αερίου (m/sec)
Ισχύς στον θερµαντήρα : 35 mW
1,0
Αναπτυσσόµενη διαφορά δυναµικού ανάµεσα στα δύο θερµοστοιχεία συναρτήσει της διερχόµενης ροής Ισχύς στον θερµαντήρα :
∆υναµικός χαρακτηρισµός του αισθητήρα σε συνθήκες ροής αερίου αζώτου
Ολοκληρωµένος θερµικός αισθητήρας ροής αερίων
0 4
0,6
0,8
,
ερµοστοιχέιων
(mV
)
Tεχνολογία poSi/∆ιάκενο αέρα, 35 mWΣυµπαγής µεµβράνη poSi, 48 mWΣυµπαγής µεµβράνη, 40 mWΣυµπαγής µεµβράνη, 35 mW
• 35 mW (τεχνολογίαpoSi/∆ιάκενο αέρα)
• 40-60 mW (συµπαγής µεµβράνη poSi)
Μείωση της παρεχόµενηςισχύος περίπου κατά :
ΤΕΙ Αθηνών – Τµήµα Ναυπηγικής, Κύκλος σεµιναριακών διαλέξεων 2009
2 3 4 5 6 7 8 9 10
0,2
0,4
∆ιαφο
ρά θε
Ροή αερίου (m/sec)
37 %
σε σύγκριση µε χρήσησυµπαγούς µεµβράνηςpoSi
20
Αρχή λειτουργίας αισθητήρα
Υπόστρωµα SiSι
Ανάπτυξη ολοκληρωµένων θερµικών αισθητήρων µικρο-ροής
(Α)
Έξοδος ρευστού Μικρο-κανάλι ΑντιστάσειςΠορώδες επίπεδο Επαφές
Είσοδος ρευστού
(1)
ΤΕΙ Αθηνών – Τµήµα Ναυπηγικής, Κύκλος σεµιναριακών διαλέξεων 2009
(Β) Υπόστρωµα Si(2) Si
Κάτοψη (1) και τοµή (2) του αισθητήρα
Χρήση τεχνολογίας poSi/∆ιάκενου αέρα για τη δηµιουργία µικροκαναλιών στο υπόστρωµα Si
Ανάπτυξη ολοκληρωµένων θερµικών αισθητήρων µικρο-ροής
Κ λό
Μεµβράνη poSi
∆ιάκενο αέρα
Προσαρµογή της τεχνολογίας ως προς :
∆ιαστάσεις αιωρούµενων µεµβρανών (πλάτος < 30 µm)
Βάθος της κοιλότητας (>20 µm)
Μορφολογία του πυθµένα της
ΤΕΙ Αθηνών – Τµήµα Ναυπηγικής, Κύκλος σεµιναριακών διαλέξεων 2009
Φωτογραφία ηλεκτρονικού µικροσκοπίου σάρωσης (SEM)τοµής αιωρούµενης µεµβράνης poSi στο κρυσταλλικόυπόστρωµα
Κοιλότητα ρφ γ µ ηςκοιλότητας
21
Βάθος κοιλότητας αέρα>20 µm
Χρήση τεχνολογίας poSi/∆ιάκενου αέρα για τη δηµιουργία µικρο-καναλιών στο υπόστρωµα Si
Ανάπτυξη ολοκληρωµένων θερµικών αισθητήρων µικρο-ροής
Οµοιόµορφος πυθµένας
Επίπεδη οροφή τουµικρο-καναλιού (πάχοςπορώδους επιπέδου ίσο µε0.8 µm)
Μεµβράνη poSi
Κοιλότητα
Πλευρική δοκός στήριξης
Si
ΤΕΙ Αθηνών – Τµήµα Ναυπηγικής, Κύκλος σεµιναριακών διαλέξεων 2009
Φωτογραφία ηλεκτρονικού µικροσκοπίου σάρωσης (SEM)τοµής σχηµατισµένου µικρο-καναλιού στο κρυσταλλικόυπόστρωµα
poSi
Κοιλότητα
Κατασκευή ολοκληρωµένου θερµικού αισθητήρα µικρο-ροής ρευστών (microfluidic sensor)
Σχηµατισµένο
Ανάπτυξη ολοκληρωµένων θερµικών αισθητήρων µικρο-ροής
Οπές εισόδου/εξόδου του ρευστού
Σχηµατισµένο µικρο-κανάλι
ΤΕΙ Αθηνών – Τµήµα Ναυπηγικής, Κύκλος σεµιναριακών διαλέξεων 2009
Φωτογραφίες ηλεκτρονικούµικροσκοπίου σάρωσης (SEM)σχηµατισµένων µικρο-καναλιών –οπών εισόδου/εξόδου ρευστού
22
Κατασκευή ολοκληρωµένου θερµικού αισθητήρα µικρο-ροής ρευστών (microfluidic sensor)
Ανάπτυξη ολοκληρωµένων θερµικών αισθητήρων µικρο-ροής
Οπές εισόδου/εξόδου του ρευστού
poSi
Κανάλι Αντιστάσεις
ΤΕΙ Αθηνών – Τµήµα Ναυπηγικής, Κύκλος σεµιναριακών διαλέξεων 2009
p
Οπτική φωτογραφία ολοκληρωµένου θερµικού αισθητήρα µικρο-ροής
440
460 0 µl/min 3 µl/min 8 µl/minφά
νεια
(Κ)
Οριακές συνθήκες:• Θερµοκρασία
Προσοµοίωση θερµοκρασιακής κατανοµής στην επιφάνεια του ολοκληρωµένου αισθητήρα µικρο-ροής
Ανάπτυξη ολοκληρωµένων θερµικών αισθητήρων µικρο-ροής
300
320
340
360
380
400
420
Tem
pera
ture
o Kµοκρασ
ία στην
µονω
µένη
επιφυποστρώµατος ίση µε
300 K
• Ακτίνα ηµικυλινδρικούκαναλιού: 20 µm
• Θερµαντήρας πλάτους10 µm σε σταθερήθερµοκρασία 450 Κ,είναι τοποθετηµένοςκάθετα πάνω από το
ΤΕΙ Αθηνών – Τµήµα Ναυπηγικής, Κύκλος σεµιναριακών διαλέξεων 2009
-100 -75 -50 -25 0 25 50 75 100280
Distance from heater (µm)
Θερ
µ
Απόσταση από το θερµαντήρα (µm)
κάθετα πάνω από τοµικρο-κανάλι
Ακόµα και σε ροή 3 µl/min παρατηρείται σηµαντική ασυµµετρία στηθερµοκρασιακή κατανοµή άνωθεν του µικρο-καναλιού
23
Πλεονεκτήµατα της τεχνολογίας
Ολοκληρωµένοι θερµικοί αισθητήρες σε πλακέτα τυπωµένου κυκλώµατος (PCB)
Τυπική διαδικασία ολοκληρωµένωνµικρο-αισθητήρων στο Si
• Κατασκευή του µικρο-αισθητήρα σευπόστρωµα πυριτίου
Ολοκλήρωση των αισθητήριων στοιχείων καιτων αντίστοιχων ηλεκτρονικών στο ίδιουπόστρωµα (PCB)Απαλοιφή του σταδίου διασύνδεσης
• Κοπή ψηφίδας µικρο-αισθητήρα(διαδικασία die cutting)
• Συγκόλληση ψηφίδας σε ηλεκτρονικήπλακέτα τυπωµένου κυκλώµατος(PCB)
• ∆ιασύνδεση της διάταξης µέσωσυρµάτων αλουµινίου µε τονµακρόκοσµο (διαδικασία wire
Μικρο-αισθητήρας Σύρµα Al
Επίπεδη τελική δοµήΧαµηλότερο κόστοςΜικρότερος χρόνος κατασκευήςΜη αναγκαία η χρήση καθαρού χώρουΥψηλός βαθµός θερµικής µόνωσης
ΤΕΙ Αθηνών – Τµήµα Ναυπηγικής, Κύκλος σεµιναριακών διαλέξεων 2009
bonding)
Επαφές Cu
Επαφές χαλκού
Αισθητήρια στοιχεία
PCB
Κυριότερη δυσκολία κατασκευήςΟι ζητούµενες αντιστάσειςυλοποιούνται µέσω πολύ λεπτών( hi fil ) ά άλλ
Cu Cu
Pt
30 µm
300 nmΑπευθείας εναπόθεση Pt σε PCB
30 µm
300 nmρήξη στρώµατος Pt
Ολοκληρωµένοι θερµικοί αισθητήρες σε πλακέτα τυπωµένου κυκλώµατος (PCB)
∆ιαδικασία κατασκευής των µικρο-αισθητήρων
(thin film) στρωµάτων µετάλλουπλατίνας τα οποία εναποτίθενταιστις γραµµές χαλκού τηςπλακέτας
30 µm
Ε ή C
Θερµαντήρας Pt Η µεγάλη διαφορά πάχους τωνδύο µετάλλων καθιστάαπαραίτητο ένα βήµα
Pt
30 µmCu Cu
ΤΕΙ Αθηνών – Τµήµα Ναυπηγικής, Κύκλος σεµιναριακών διαλέξεων 2009
PCB
Επαφή Cu
Αναλογία πάχους Cu και PtΦωτογραφία ηλεκτρονικού µικροσκοπίουσάρωσης (SEM)
εξοµάλυνσης πριν την εναπόθεση,προκειµένου να υπάρχεισυνέχεια στη διαδροµή τηςπλατίνας
CuPCB
Aπευθείας εναπόθεσης Pt σε (PCB)Φωτογραφία οπτικού µικροσκοπίου
24
∆ιαδικασία κατασκευής των µικρο-αισθητήρων
Επιλεκτική εγχάραξη του χαλκού στην πλακέτα - διαµόρφωση των επαφών Cu
Ολοκληρωµένοι θερµικοί αισθητήρες σε πλακέτα τυπωµένου κυκλώµατος (PCB)
Εναπόθεση και επιλεκτική εγχάραξη στρώµατος εξοµάλυνσης (ρητίνη SU-8)
Εναπόθεση και επιλεκτική εγχάραξη στρώµατος πλατίνας –διαµόρφωση
θερµαντήρων πλατίνας
ΤΕΙ Αθηνών – Τµήµα Ναυπηγικής, Κύκλος σεµιναριακών διαλέξεων 2009
Αρχικά αποτελέσµατα µέτρησης ροής αερίου
Ohm
)
Αναπτυσσόµενη διαφορά αντίστασης µεταξύ συµµετρικών R1 και R2συναρτήσει της διερχόµενης ροής
Ολοκληρωµένοι θερµικοί αισθητήρες σε πλακέτα τυπωµένου κυκλώµατος (PCB)
ντίσταση
ς µεταξύ
R1
&R
2(O
Ρεύµα θερµαντήρα
R1 R2
ΤΕΙ Αθηνών – Τµήµα Ναυπηγικής, Κύκλος σεµιναριακών διαλέξεων 2009
∆ιαφορ
ά αν
Ροή αερίου (SLPM)
Ροή
Θερµαντήρας
25
Τάση αυτοµατοποίησης του ελέγχου διατάξεων ασφαλείας στα πλοία
Το εύρος των εφαρµογών των µικρο-αισθητήρων είναι εκτεταµένο
Ο ρόλος των µικρο-συστηµάτων / µικρο-αισθητήρων αναµένεται να είναι καθοριστικός
∆υνητικές εφαρµογές ολοκληρωµένων αισθητήρων σε πλοία – Συζήτηση (1/2)
∆υνητικές εφαρµογές µικρο-αισθητήρων της παρουσίασης
Eφαρµογή στον αυτόµατο έλεγχο ασφάλειας ή καλής λειτουργίας συστηµάτωνµέσω µεµονωµένων µικρο-αισθητήρων ή δικτύου αυτών κατάλληλακατανεµηµένο στο πλοίο
Πίεσης : ∆ιατάξεις υπό πίεση (π.χ. αεροφιάλες εκκίνησης
ΤΕΙ Αθηνών – Τµήµα Ναυπηγικής, Κύκλος σεµιναριακών διαλέξεων 2009
ης ξ ς η ( χ ρ φ ς η ηςκύριων µηχανών)
Ανίχνευση αερίων : Μέτρηση NOΧ (σύµβαση MARPOL), ανίχνευση υψηλής συγκέντρωσης επικίνδυνων αερίων (π.χ. gas freeing σε ∆/Ξ πλοία)
Ροής αερίων : Συστήµατα αερισµού / κλιµατισµού πλοίων
Ροής ρευστών : Ανίχνευση σφάλµατος σε δίκτυα έρµατος, σεντινών (ballast/bilge), SLUDGE, παροχής λιπαντικού ελαίου /καυσίµου κύριων µηχανών λόγω διαρροής
∆υνητικές εφαρµογές ολοκληρωµένων αισθητήρων σε πλοία – Συζήτηση (2/2)
/καυσίµου κύριων µηχανών λόγω διαρροής ή µηχανικής κόπωσης αντλιών / διαχωριστήρων
Επιτάχυνσης : Έλεγχος κραδασµών (π.χ. αξονικού συστήµατος)
ΤΕΙ Αθηνών – Τµήµα Ναυπηγικής, Κύκλος σεµιναριακών διαλέξεων 2009
26
∆ηµοσιεύσεις στο έργο της παρουσίασης
∆ιεθνή περιοδικά[J-01] D. Pagonis, G. Kaltsas and A.G. Nassiopoulou, “Implantation masking technology for selective porous
silicon formation”, Phys. Stat. Sol. (a) 197 / 1 241-245 (2003)[J-02] G. Kaltsas, D.N. Pagonis, A.G. Nassiopoulou, “Planar CMOS compatible process for the fabrication of
buried microchannels in silicon, using porous-silicon technology”, IEEE J. of MEMS 12 6, 863 – 872(2003)
[J-03] D.N. Pagonis, A.G. Nassiopoulou and G. Kaltsas, ”Porous silicon membranes over cavity for efficient[ ] g , p , ylocal thermal isolation in Si thermal sensors”, J. of the Electrochemical Society, 151, (8), H174 – H179(2004)
[J-04] D.N. Pagonis, A.G. Nassiopoulou and G. Kaltsas, ” Fabrication and testing of an integrated thermal flowsensor employing thermal isolation by a porous silicon membrane over an air cavity”, J. of Micromech.Microeng. 14,1-5, 793-797 (2004)
[J-05] D.N. Pagonis, A.G. Nassiopoulou, “Free-Standing Macroporous Silicon Membranes Over a large Cavityfor filtering and lab-on-chip applications”, Microelectronic Engineering 83, 1421–1425 (2006)
[J-06] D.N. Pagonis and A.G. Nassiopoulou, “Formation of confined macroporous silicon membraneson pre-defined areas on the Si substrate”, phys. stat. sol. (a) 204, 5, 1335–1339 (2007)
[J 07] D N P i A Petropo los G Kaltsas A G Nassiopo lo and A Tserepi “No el microfl idic flo
ΤΕΙ Αθηνών – Τµήµα Ναυπηγικής, Κύκλος σεµιναριακών διαλέξεων 2009
[J-07] D.N. Pagonis, A. Petropoulos, G. Kaltsas, A. G. Nassiopoulou and A. Tserepi, “Novel microfluidic flowsensor based on a microchannel capped by porous silicon”, phys. stat. sol. (a) 204, 5, 1474–1479 (2007)
[J-08] G. Kaltsas, A. Petropoulos, K. Tsougeni, D. N. Pagonis, T. Speliotis, E. Gogolides and A. G.Nassiopoulou, “A novel microfabrication technology on organic substrates - Application to a thermal flowsensor” , J. of Physics : Conference Series : 92 , 012046 (2007)
∆ίπλωµα ευρεσιτεχνίας“Low Power Silicon Thermal Flow Sensors and Microfluidic Devices Using Porous Silicon Sealed Air Cavity onMicrochannels”, A.Nassiopoulou,G.Kaltsas and D.Pagonis, WO03062134, (2003) - United States Patent Νο 20050072926