Wykad 1 Podstawowe parametry charakteryzujce czujniki 1/ zakres pomiarowy wejciowy i zakres sygnau wyjciowego 2/ wyjciowy sygna niezrwnowaenia przy braku sygnau wejciowego (offset) 3/ charakterystyka statyczna przetwarzania nieliniowo, zakres zmian sygnau wyjciowego, wspczynnik czuoci , 4/ charakterystyka dynamiczna przetwarzania staa czasowa odpowiedzi, maksymalna czstotliwo przetwarzania 5/ dokadno, rozdzielczo pomiaru 6/ wpyw temperatury

Podstawowe rodzaje czujnikw: 1/ Czujniki do pomiaru wielkoci mechanicznych: Przemieszczenia, drga, prdkoci, przyspieszenia, cinienia, przepywu, 2/ Czujniki do pomiaru temperatury, rnicy temperatur, strumienia cieplnego 3/ Czujniki do pomiar pola magnetycznego, elektrycznego 4/ Czujniki do pomiaru wielkoci optycznych, natenia , przesunicia fazowego, widma optycznego, 5/ Czujniki do pomiaru wielkoci chemicznych: Stenia i detekcji pynw, pH, konduktywnoci roztworw, wykrywania substancji 6/ Inne pomiary takie jak pomiar wilgotnoci gazw i materiaw sypkich, promieniowania gamma, itp.

W wielu czujnikach znajduj zastosowanie rnego rodzaju przetworniki takie jak: 1/ piezorezystancyjne i piezoelektryczne 2/ termiczne 3/ pojemnociowe , indukcyjne, elektromagnetyczne 4/ ultradwikowe 5/ optyczne, wiatowodowe i optoelektroniczne 6/ pprzewodnikowe 7/ rezonansowe 8/ generacyjne

Podstawowe technologie stosowane w mikroczujnikach i mikroaktuatorachkrzemowych

Podstawowe procesy w technologiach MEMS to; 1/ pokrywanie (nanoszenie warstw, np. emulsji fotoczuej) 2/ odwzorowanie (maskowanie np. w procesie fotolitografii) 3/ modyfikacja powierzchni (utlenianie, dyfuzja, implantacja) 4/ trawienie (mokre, plazmowe)Podstawowe etapy procesu fotolitografii a/ naoenie cienkiej warstwy, b/ nawietlanie poprzez mask emulsji wiatoczuej, c/ usunicie nie nawietlonych powierzchni emulsji d/ wytrawienie cienkiej warstwy w miejscach nie osonitych emulsj

Wykad 2

Proces wytwarzania elementw mona podzieli na dwie klasy: Obrbk objtociow i powierzchniow. Obrbka objtociowa umoliwia wykonywanie struktur przestrzennych , takich jak membrany , belki. Zwykle otrzymanie takich struktur wymaga gbokiego trawienia krzemu (metod mokr) . Ze wzgldu na anizotropowo monokrystalicznego krzemu moliwe jest trawienie rnych powierzchni krystalograficznych z rn szybkoci, np. powierzchnie o orientacji w stosunku do powierzchni trawi si okoo 200 szybciej (roztwory KOH ).

Ta wasno jest wykorzystywana do wykonywania membran, rowkw typu V lub otworw

Przekrj poprzeczny pytki krzemowej z wykonanymi elementami a-membrana, b-belka jednostronnie zamocowana

Proces anizotropowego trawienia pytki krzemowej typu n, a- na grnej powierzchni pytki wykonana maska z azotku krzemu (po procesie fotolitografii), w dolnej czci warstwa domieszkowana typu p (proces epitaksji ), b- czciowo wytrawiona pytka krzemowa, c- zakoczenie procesu trawienia wykonane elementy : v-rowek, otwr, membrana,

Wykonanie ruchomej belki z polisilikonu w procesie obrbki powierzchniowej a/ warstwa maskujca z tlenku krzemu na powierzchni pytki krzemowej, b/ osadzenie warstwy z polisilikonu c/ usunicie warstwy maskujcej z tlenku krzemu

Mikrokrzemowe czujnikiPiezorezystory Zjawisko piezo rezystywnoci w krzemie jest spowodowane anizotropowym rozkadem pasm energetycznych w rnych kierunkach sieci krystalograficznej. Pod wpywem napre mechanicznych minima pasm w rnym stopniu zmieniaj swoje poziomy dla rnych kierunkw krystalograficznych i przewodnictwo elektryczne bdzie zalene od orientacji krysztau. Wspczynnik piezo rezystywnoci charakteryzuje waciwoci elementu piezorezystora, ma charakter anizotropowy i jest rny dla materiau typu i p. =()01 Gdzie: odksztacenie wspczynnik piezorezystywnoc i naprenia rezystywno Wspczyniki dla kierunku podunego piezorezystora s oznaczane jako l , a dla kierunku poprzecznego jako t . Wspczynniki l , t s wyznaczane na podstawie wspczynnikw piezo rezystywnoci dla podstawowych kierunkw krystalograficznych oraz dla typu n lub p materiau. Dla piezorezystorw o kierunku uoenia zgodnym z osikrystalograficzn i krzemu typu p, wspczynnik l wynosi ok. 2,2 *10-10 m2/N.

Piezorezystory s elementami wykorzystywanymi najczciej w czujnikach cinienia, akcelerometrach, sensorach przepywu (pomiar rnic cinie)

Przekrj poprzeczny przez ruchom belk z piezorezystorami (czujnik przyspieszenia)

Piezorezystory powinny by umieszczone na powierzchni belki w pobliu jej zamocowania, a przypadku membrany na jej powierzchni w pobliu jej krawdzi. Umieszczenie piezorezystorw tak, aby jeden z nich poddawany by napreniom ciskajcym, a drugi rozcigajcym pozwala zwikszy sygna wyjciowy dwukrotnie (ukad pomiarowy p-mostkowy) . Zmiana rezystancji wywoana tymi napreniami wynosi odpowiednio R-RiR+R. Dla membrany mona zastosowa ukad penego mostka z czterema piezorezystorami i w rezultacie sygna wyjciowy zwiksza si czterokrotnie w stosunku do pojedynczego piezorezystora .

Przekrj poprzeczny struktury krzemowej z membran i piezorezystorami (czujnik cinienia, P1 i P2 cinienia dziaajce na membran)

Schemat elektryczny piezorezystorw poczonych w ukad mostka pokazano na rysunku. Jednoczenie zmniejsza si wpyw temperatury na sygna wyjciowy w ukadzie mostkowym

Schemat elektryczny czterech piezorezystorw

Struktura MEMS (akcelerometr) znajduje zastosowanie rwnie w akcelerometrach. W takim przypadku zmiany przyspieszenia a wywouj powstanie si dynamicznych dziaajcych na belk z umieszczon na jej kocu mas sejsmiczn i pooenie koca belki moe by opisane znanym rwnaniem rniczkowym:

Gdzie: x jest przemieszczeniem caej struktury krzemowej (w kierunku prostopadym do powierzchni struktury) z- jest przemieszczeniem koca belki m masa sejsmiczna obciajca belk k staa sprystoci belki (dla belki prostopadociennej k=Ebh3/4l3)D wspczynnik tumienia

Gdzie: - stopie tumienia, 0-pulsacja drga wasnych . Przetwornik moe realizowa pomiar przyspieszenia pod warunkiem , e / 0