Ολοκληρωµένοι θερµικοί αισθητήρες Αρχές λειτουργίας, πρωτότυπες ανεπτυγµένες διατάξεις

01 Απριλίου 2009 Ολοκληρωµένοι θερµικοί αισθητήρες Αρχές λειτουργίας, πρωτότυπες ανεπτυγµένες διατάξεις ηµήτριος Νικόλαος Παγώνης ρ. Ηλεκτρολόγος Μηχανικός Κύκλος σεµιναριακών διαλέξεων 2009 ΤΕΙ Αθηνών - Τµήµα Ναυπηγικής Ολοκληρωµένοι θερµικοί αισθητήρες Αρχές λειτουργίας, πρωτότυπες ανεπτυγµένες διατάξεις Οργάνωση της παρουσίασης Κύρια χαρακτηριστικά λειτουργίας αισθητήρων τύποι αισθητήρων Μικροσυστήµατα (MEMs) / Ολοκληρωµένοι µ θερµικοί αισθητήρες ηήρς βασικές αρχές λειτουργίας Ολοκληρωµένος 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 Κατασκευή ολοκληρωµένου λ αισθητήρα µικρο-ροήςή Ολοκληρωµένοι αισθητήρες ροής σε υπόστρωµατυπωµένων κυκλωµάτων (PCB) Πλεονεκτήµατα, διαδικασία κατασκευής-αρχικά αποτελέσµατα υνητικές εφαρµογές ολοκληρωµένων αισθητήρων σε πλοία Συζήτηση 1

Κύρια χαρακτηριστικά λειτουργίας αισθητήρων τύποι αισθητήρων Η «έννοια» του αισθητήρα : Οι συσκευές εκείνες που µετρούν µια φυσική ποσότητα και τη µετατρέπουνέ σε ένα µέγεθοςέ θ (σήµα) που µπορεί να το διαβάσει ένας παρατηρητής. [Handbook of Modern sensors, Physics, Design and Applications, J. Fraden] Series 52 Pressure Sensor, Red Valve Co. Inc. Τυπικά οι σύγχρονοι αισθητήρες νοούνται ως οι συσκευές που δέχονται ένα ερέθισµα και αποκρίνονται σε αυτό µεέναηλεκτρικό σήµα. (µετατροπή ενός φυσικού µεγέθους εισόδου σε ένα σήµα συµβατό µε τα ηλεκτρονικά κυκλώµατα). Κύρια χαρακτηριστικά λειτουργίας αισθητήρων τύποι αισθητήρων 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 εξόδου (Τ) από το ερέθισµα (s): T = f (s) Ευαισθησία (sensitivity) Το µέτρο της µεταβολής εξόδου για µια δεδοµένη µεταβολή του µεγέθους υπό µέτρηση S = dt ds s= s o Εµπεριέχει τη συνάρτηση µετάθεσης, T = f(s) Για γραµµική συνάρτηση µετάθεσης: T=a+b s S=b 2

Κύρια χαρακτηριστικά λειτουργίας αισθητήρων τύποι αισθητήρων Χαρακτηριστικά λειτουργίας αισθητήρων: Ανάλυση (resolution) / διακριτική ικανότητα (discrimination) ελάχιστη ποσότητα µετρούµενου µεγέθους που δύναται να µετρηθεί,r R = n L S n L : το επίπεδο θορύβου - ελάχιστη δυνατή ανιχνεύσιµη µεταβολή στο µετρούµενο µέγεθος S: η ευαισθησία Μετρητικό πεδίο (measurement range) ορίζεται από την ελάχιστη έως την µέγιστη τιµή του µετρούµενου µεγέθους που είναι σε θέση να καταγραφεί µε αποδεκτή ακρίβεια Επαναληψιµότητα (repeatability) αναφέρεται στο κατά πόσο ένας αισθητήρας είναι σε θέση να παράγει το ίδιο σήµα εξόδου για δεδοµένη τιµή του µετρούµενου µεγέθους και υπό ταυτόσηµες συνθήκες Κύρια χαρακτηριστικά λειτουργίας αισθητήρων τύποι αισθητήρων Χαρακτηριστικά λειτουργίας αισθητήρων: Θόρυβος (noise) ανεπιθύµητο χαρακτηριστικό όλων των ηλεκτρονικών κυκλωµάτων η βασική κατηγοριοποίηση των ειδών θορύβου γίνεται µε βάση την προέλευσή τους: έµφυτος θόρυβος (inherent noise) - προκύπτει εντός του κυκλώµατος µεταδιδόµενος θόρυβος (transmitted noise) - µεταδίδεται στο κύκλωµα από εξωτερικές πηγές Λόγος σήµατος προς θόρυβο, N R (Signal to Noise Ratio) V N = R 20log10 V m n V m : το µέσο επίπεδο της τιµής της τάσης του σήµατος V n : το µέσο επίπεδο της τιµής θορύβου τάσης. 3

Τύποι αισθητήρων Κύρια χαρακτηριστικά λειτουργίας αισθητήρων 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 την λειτουργία τους - παράγουν ένα ηλεκτρικό σήµα σε ανταπόκριση του εξωτερικού ερεθίσµατος ενεργοί αισθητήρες : απαιτείται εξωτερική πηγή ενέργειας για τη λειτουργία τους οµαδοποίηση µε βάση τη φύση του µετρούµενου µεγέθους (π.χ. αισθητήρες µετατόπισης / displacement sensors) οµαδοποίηση µε βάση την αρχή λειτουργίας τους ( π.χ. χωρητικοί αισθητήρες / capacitive sensors) Κύρια χαρακτηριστικά λειτουργίας αισθητήρων τύποι αισθητήρων Αισθητήρες : στηρίζουν τη λειτουργία τους στη µετατροπή ενέργειας από µια µορφή σε κάποια άλλη, η οποία είναι πιο άµεση στην «ανάγνωσή» της. Φαινόµενα µετατροπής που χρησιµοποιούνται Μέσα ανίχνευσης που αξιοποιούνται προς ανίχνευση του µετρούµενου ύ µεγέθους Φυσικοί αισθητήρες Χηµικοί αισθητήρες Θερµοηλεκτρικό Χηµικός µετασχηµατισµός Θερµότητα & Χηµικά Θερµοκρασία Φωτοηλεκτρικό Φυσικός µετασχηµατισµός Μαγνητικά & Μαγνητοηλεκτρικό Ηλεκτροχηµική διαδικασία Ηλεκτρικά ηλεκτροµαγνητικά Ηλεκτροµαγνητικό Φασµατοσκοπία κύµατα Θερµοελαστικό Άλλα Μηχανική Ηλεκτροελαστικό Βιολογικοί αισθητήρες Μηχανικό κύµα µετατόπιση Βιοχηµικός Θερµοµαγνητικό Ακτινοβολία (διάφορες µετασχηµατισµός Ραδιενέργεια µορφές) Θερµοοπτικό Επίδραση σε οργανισµούς Άλλα Βιολογικά Πιεζοηλεκτρικό Φασµατοσκοπία Άλλα Άλλα [R.W. White, A sensor classification scheme. In: Microsensors. IEEE Press, New York,1991] 4

Μικροσυστήµατα (MEMs) / Ολοκληρωµένοι θερµικοί αισθητήρες-βασικές αρχές λειτουργίας Τεχνολογία ολοκληρωµένων κυκλωµάτων -ICs 1947 : κατασκευή του πρώτου τρανζίστορ από J.Bardeen, W. Brattain and W. Shockley - Bell labs [Circuit element utilizing semiconducting material, W. Shockley, U.S. Patent N o 2,569,347, issued at 25/09/1951] 1963 : ανάπτυξη τεχνολογίας ολοκληρωµένων κυκλωµάτων CMOS από FWanlass F. [Low Stand-By Power Complementary Field Effect Circuitry, F.Wanlass, U.S. Patent N o 3,356,858, issued at 05/12/1967 ] Μικροσυστήµατα (MEMs) / Ολοκληρωµένοι θερµικοί αισθητήρες-βασικές αρχές λειτουργίας Τεχνολογία ολοκληρωµένων κυκλωµάτων -ICs 1947 : κατασκευή του πρώτου τρανζίστορ από J.Bardeen, W. Brattain and W. Shockley - Bell labs [Circuit element utilizing semiconducting material, W. Shockley, U.S. Patent N o 2,569,347, issued at 25/09/1951] σήµερα : εκατοµµύρια τρανζίστορ σε µία ψηφίδα (die) [http://stochastix.wordpress.com/2007/12/17/transistor- com/2007/12/17/transistor 60th-anniversary] [http://stochastix.wordpress.com/2007/12/17/transistor- com/2007/12/17/transistor 60th-anniversary] AMD Phenom II X4, quad-core processor N o τρανζίστορ : ~758,000,000 [http://www.anandtech.com/printarticle.aspx?i=3512] 5

Μικροσυστήµατα (MEMs) / Ολοκληρωµένοι θερµικοί αισθητήρες-βασικές αρχές λειτουργίας Στην δεκαετία του 80, η ραγδαία ανάπτυξη της τεχνολογίας ολοκληρωµένων κυκλωµάτων ώθησε στην ανάπτυξη συσκευών µειωµένων διαστάσεων µε βάση το πυρίτιο µικροσυστηµάτων Μικροαισθητήρας : αισθητήρας που έχει µια τουλάχιστον φυσική διάσταση σε επίπεδο µικρότερο του 1mm [Microsensors, MEMS and Smart Devices, J. W. Gardner, V. K. Varadan, O.O. Awadelkarim, Wiley (2001)] Η µείωση των διαστάσεων στους αισθητήρες επέφερε αντίστοιχη µείωση στις τιµές του µετρούµενου µεγέθους, σε βελτίωση όσον αφορά στην ακρίβεια και στην ανάλυση της συσκευής Ηδυνατότηταµαζικής επεξεργασίας (butch processing) οδηγεί σε µείωση κόστους παραγωγής Αριθµός τρανζίστορ/µp (Intel) παράλληλα µετην εξέλιξη των µικροσυστηµάτων (MEMs) [Trends and Frontiers of MEMs, W.H. Ko, Sensors and Actuators A 136 (2007)] Μικροσυστήµατα (MEMs) / Ολοκληρωµένοι θερµικοί αισθητήρες-βασικές αρχές λειτουργίας Στην δεκαετία του 80, η ραγδαία ανάπτυξη της τεχνολογίας ολοκληρωµένων κυκλωµάτων ώθησε στην ανάπτυξη συσκευών µειωµένων διαστάσεων µε βάση το πυρίτιο µικροσυστηµάτων Μικροαισθητήρας : αισθητήρας που έχει µια τουλάχιστον φυσική διάσταση σε επίπεδο µικρότερο του 1mm [Microsensors, MEMS and Smart Devices, J. W. Gardner, V. K. Varadan, O.O. Awadelkarim, Wiley (2001)] Η µείωση των διαστάσεων στους αισθητήρες επέφερε αντίστοιχη µείωση στις τιµές του µετρούµενου µεγέθους, σε βελτίωση όσον αφορά στην ακρίβεια και στην ανάλυση της συσκευής Ηδυνατότηταµαζικής επεξεργασίας (butch processing) οδηγεί σε µείωση κόστους παραγωγής 60 µm Φωτογραφία ηλεκτρονικού µικροσκοπίου σάρωσης (SEM) µικροσυστήµατος (κεραίας) [http://dev.emcelettronica.com/micro-electro-mechanicalsystems-technology-mems] 6

Μικροσυστήµατα (MEMs) / Ολοκληρωµένοι θερµικοί αισθητήρες-βασικές αρχές λειτουργίας Ολοκληρωµένοι θερµικοί αισθητήρες Εµπλέκεται ο προσδιορισµός της θερµοκρασίας σε συγκεκριµένα σηµεία ήπεριοχέςκαιηµετέπειτα εξαγωγή της τιµής του µετρούµενου µεγέθους ως συνάρτηση αυτής. Οι ανιχνευόµενες µεταβολές στη θερµοκρασία προκύπτουν ως αποτέλεσµα 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)] Ψύξη ενός θερµού σώµατος Μεταφορά θερµότητας Θερµική ανίχνευση (thermal tracing) ιαγωγή µεταξύ ρευστού και θερµαντήρα Πτώση θερµοκρασίας θερµαντήρα, Τ= f (U ροής ) Μικροσυστήµατα (MEMs) / Ολοκληρωµένοι θερµικοί αισθητήρες-βασικές αρχές λειτουργίας Ολοκληρωµένοι θερµικοί αισθητήρες Εµπλέκεται ο προσδιορισµός της θερµοκρασίας σε συγκεκριµένα σηµεία ήπεριοχέςκαιηµετέπειτα εξαγωγή της τιµής του µετρούµενου µεγέθους ως συνάρτηση αυτής. Οι ανιχνευόµενες µεταβολές στη θερµοκρασία προκύπτουν ως αποτέλεσµα 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)] Ψύξη ενός θερµού σώµατος Μεταφορά θερµότητας Θερµική ανίχνευση (thermal tracing) Ροή ρευστού Ανοµοιόµορφη κατανοµή θερµοκρασίας Ανίχνευση ροής µέσω της νέας κατανοµής 1 2 Τ ( Τθ Τρ ) ( U ρ ) 7

Μικροσυστήµατα (MEMs) / Ολοκληρωµένοι θερµικοί αισθητήρες-βασικές αρχές λειτουργίας Ολοκληρωµένοι θερµικοί αισθητήρες Εµπλέκεται ο προσδιορισµός της θερµοκρασίας σε συγκεκριµένα σηµεία ήπεριοχέςκαιηµετέπειτα εξαγωγή της τιµής του µετρούµενου µεγέθους ως συνάρτηση αυτής. Οι ανιχνευόµενες µεταβολές στη θερµοκρασία προκύπτουν ως αποτέλεσµα 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)] Ψύξη ενός θερµού σώµατος Μεταφορά θερµότητας Θερµική ανίχνευση (thermal tracing) Μέτρηση χρονικής διάρκειας µετάβασης ενός θερµικού παλµού µεταξύ δύο σηµείων Ανίχνευση ροής µέσω της χρονικής διάρκειας Ολοκληρωµένος θερµικός αισθητήρας ροής αερίων Μέτρηση θερµοκρασιακής διαφοράς µεταξύ δύο σηµείων Βασική αρχή λειτουργίας Θερµοζεύγος Τ Θ Ροή ρευστού Ανοµοιόµορφη κατανοµή θερµοκρασίας (στη θερµικά µονωµένη επιφάνεια) Μέταλλο Α 5 5 Μέταλλο Β Τ Ψ 3 4 Τ Ψ Ανίχνευση ροής µέσω της νέας κατανοµής 1 2 Τ ( Τθ Τρ ) ( U ρ ) Τ Α Μέταλλο Γ 1 2 Τ Α Αναγκαία η εύρεση της θερµοκρασιακής διαφοράς, Τ µεταξύ δύο συµµετρικών σηµείων της νέας κατανοµής Τ θ > T ψ > Τ Α όπου : T θ : Θερµοκρασία θερµής περιοχής Τ ψ : Θερµοκρασία ψυχρής περιοχής Τ Α : Θερµοκρασία αναφοράς 8

Ολοκληρωµένος θερµικός αισθητήρας ροής αερίων Μέτρηση θερµοκρασιακής διαφοράς µεταξύ δύο σηµείων ιαφορά δυναµικού µεταξύ επαφών 1 & 2 Θερµοζεύγος T Θ V V = (α a ) dt 2 1 α A T Ψ B Μέταλλο Α Τ Θ 5 5 Μέταλλο Β όπου : α Α, α Β οι συντελεστές seebeck των µετάλλων A & B αντίστοιχα Τ Ψ 3 4 Τ Ψ Για µικρή θερµοκρασιακή διαφορά µεταξύ της θερµής και ψυχρής περιοχής: Τ Α Μέταλλο Γ 1 2 Τ Α V2 V1 = VΘερµοζεύ γους = ( αα αβ) ( ΤΘ ΤΨ) = a ( Τ Τ ) όπου : AB Θ Ψ α ΑΒ ο διαφορικός συντελεστής seebeck των δύο µετάλλων Τ θ > T ψ > Τ Α όπου : T θ : Θερµοκρασία θερµής περιοχής Τ ψ : Θερµοκρασία ψυχρής περιοχής Τ Α : Θερµοκρασία αναφοράς Ολοκληρωµένος θερµικός αισθητήρας ροής αερίων Μέτρηση θερµοκρασιακής διαφοράς µεταξύ δύο σηµείων Θερµοζεύγος Θερµοστοιχείο: (n) όµοια θερµοζεύγη συνδεµένα σε σειρά Μέταλλο Α Τ Θ 5 5 Μέταλλο Β V Θερµοστοιχείου = n V Θερµοζεύγους = n [( α α ) ( T T )] A Β Θ ψ Τ Ψ 3 4 Τ Ψ = n α T AB Τ Α Μέταλλο Γ 1 2 Τ Α όπου : α Α, α Β οι συντελεστές seebeck των µετάλλων A & B αντίστοιχα α ΑΒ ο διαφορικός συντελεστής seebeck των δύο µετάλλων Τ θ > T ψ > Τ Α όπου : T θ : Θερµοκρασία θερµής περιοχής Τ ψ : Θερµοκρασία ψυχρής περιοχής Τ Α : Θερµοκρασία αναφοράς 9

Ολοκληρωµένος θερµικός αισθητήρας ροής αερίων Αρχή λειτουργίας Θερµικά µονωµένη περιοχή Θερµαντήρας (poly-si) Ωµικές επαφές (Al) Τ A Τ B V therm1 V Therm2 Τ sub Αντίσταση αναφοράς Τ θ Θερµοστοιχεία (Al / poly-si) Ροή αερίου Τ A = Τ Τ B B V V therm1 therm1 = V V therm2 therm2 Ολοκληρωµένος θερµικός αισθητήρας ροής αερίων Τεχνολογία θερµικής µόνωσης πορώδους πυριτίου ιάκενου αέρα Απαραίτητη η αύξηση της θερµοκρασίας τοπικά στο υπόστρωµα µ κατά τη διάρκεια λειτουργίας του αισθητήρα Αναγκαιότητα µείωσης θερµικών απωλειών - επιλεκτικού σχηµατισµού µιας ς θερµικά µονωµένης µ περιοχής στο υπόστρωµα Θερµικά µονωµένη περιοχή Πορώδης αιωρούµενη µεµβράνη Si Σχηµατική αναπαράσταση τοµής θερµικά µονωµένης περιοχής Φωτογραφία οπτικού µικροσκοπίου ιαστάσεις µονωµένης περιοχής : ~100 µm x 700 µm 10

Ολοκληρωµένος θερµικός αισθητήρας ροής αερίων Τεχνολογία θερµικής µόνωσης πορώδους πυριτίου ιάκενου αέρα Θερµικές αγωγιµότητες : 150 Wm -1 Κ -1 για κρυσταλλικό πυρίτιο (υπόστρωµα) 1.2 Wm -1 K -1 για posi 2.62 x 10-2 Wm -1 K -1 για αέρα ιασφάλιση υψηλής τοπικής θερµικής µόνωσης στο υπόστρωµα Αιωρούµενη µεµβράνη posi posi ιάκενο αέρα Si Φωτογραφία ηλεκτρονικού µικροσκοπίου σάρωσης(sem) Πάχος po-si : ~ 10 µm, ιακένου: ~ 2 µm Φωτογραφία οπτικού µικροσκοπίου ιαστάσεις µονωµένης περιοχής : ~100 µm x 700 µm Τεχνολογία θερµικής µόνωσης πορώδους πυριτίου ιάκενου αέρα όπου : Ολοκληρωµένος θερµικός αισθητήρας ροής αερίων Εξίσωση διάχυσης θερµότητας (Heat Diffusion equation) T k x x + T k + y y T k z z + q = ρ c p T t q : ο καθαρός ρυθµός παραγωγής ή απώλειας ενέργειας (W/m 3 ) ρ : η πυκνότητα του υλικού (Kgr/m 3 ) c p : η θερµοχωρητικότητα του υλικού (J/Kg/K) k : η θερµική αγωγιµότητα του υλικού (W/m/K) όταν: k σταθερό T όταν: = 0, k σταθερό tt 2 2 2 T T T q T + + + = 1 2 2 2 x y z k a t όπου: 2 Tk 2 2 a = T T q + + = 2 2 x ρ 2 c p y z k, θερµική διαχυτότητα (thermal diffusivity) Eξίσωση Poisson 11

Ολοκληρωµένος θερµικός αισθητήρας ροής αερίων Τεχνολογία θερµικής µόνωσης πορώδους πυριτίου ιάκενου αέρα Θεωρητική εκτίµηση της προσφερόµενης θερµικής µόνωσης (χρήση λογισµικού ανάλυσης πεπερασµένων στοιχείων Coventorware της Coventor) Εξάρτηση της θερµικής µόνωσης από Εξάρτηση Αιωρούµενη Θερµαντήρας τις διαστάσεις της τελικής µεµβράνη Εξάρτηση θερµικής po-si θερµικής µόνωσης µόνωσης από poly-siαπό µικροµηχανικής δοµής πάχος βάθος στρώµατος διάκενου αέρα po-si (πάχος (βάθος στρώµατος κοιλότητας po-si αέρα : : 520 µm) µm) Οριακές συνθήκες: Θερµοκρασία υποστρώµατος ίση µε 300 K ιαστάσεις θερµικά µονωµένης περιοχής : 420 µm x 100 µm ιαστάσεις θερµαντήρα πολύ- κρυσταλλικού πυριτίου : 20 µm x 100 µm x 0.5 µm Εφαρµοζόµενη ροή θερµότητας στο θερµαντήρα ίση µε : 8.57 x 10 6 W/m 2 (αντιστοιχεί σε ~71 mw) βολή θερµοκρασίας ν ολή θερµαντήρα θερµοκρασίας (Κ) ν θερµαντήρα (Κ) Μεταβ στον Μεταβ στον 750460 440 700420 400 650380 360 600 340 320 550 300 500 280 260 450240 220 400 200 180 350160 140 300120 100 ιάκενο αέρα Βάθος κοιλότητας : 20 µm Πάχος αιωρούµενης 400 µεµβράνης ε : 5 µm Si 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 10 15 20 25 30 35 40 Βάθος κοιλότητας κάτω από τη Πάχος αιωρούµενης µεµβράνης µεµβράνη posi (µm) πορώδους πυριτίου (µm) Ολοκληρωµένος θερµικός αισθητήρας ροής αερίων Κατασκευή του αισθητήρα Προσοµοίωση θερµοκρασιακής κατανοµής στην επιφάνεια του ολοκληρωµένου αισθητήρα ροής Οριακές συνθήκες: Θερµοκρασία υποστρώµατος ίση µε 300 K ιαστάσεις θερµικά µονωµένης περιοχής : 100 µm x 100 µm Πάχος αιωρούµενης µεµβράνης / βάθος κοιλότητας αέρα :10µm/10µm ιαστάσεις θερµαντήρα πολύ-κρυσταλλικού πυριτίου : 20 µm x 100 µm x 0.5 µm Οξείδιο (TEOS) πάχους 100 nm άνωθεν της σχηµατισµένης δοµής Θερµοστοιχεία Αλουµινίου / πολυκρυσταλλικού πυριτίου (πλάτους 20 µm και πάχους 0.5 µm) σε απόσταση 20 µm από τον θερµαντήρα Θερµή επαφή θερµοστοιχείων Θερµοστοιχεία Al/poly-Si Si y y z z x x 300Κ Θερµαντήρας Οξείδιο ιάκενο αέρα Μεµβράνη po-si Παρεχόµενη ισχύς = 35 mw 384Κ 12

Ολοκληρωµένος θερµικός αισθητήρας ροής αερίων Κατασκευή του αισθητήρα Αύξηση της θερµοκρασίας του θερµαντήρα συναρτήσει της παρεχόµενης ισχύος : Τ P θερµαντ ήρα εισερχ όµενη = 1.67 Κ /mw (εφαρµογή µόνο po-si πάχους 40 µm) ' Τ θερµαντ ήρα P εισερχ όµενη = 2.4 K/mW (εφαρµογή τεχνολογίας posi / ιάκενο αέρα) Θερµο οκρασία στην µονωµένη επιφά άνεια (Κ) 390 380 370 360 350 340 330 320 310 50 mw (posi) 35 mw (posi/ ιάκενο) 35 mw (posi) 300 Τ Θ1 Τ -100-50 0 Θ2 50 100 Απόσταση από το θερµαντήρα (µm) Ολοκληρωµένος θερµικός αισθητήρας ροής αερίων Κατασκευή του αισθητήρα ιαδικασία κατασκευής (συµβατή µε CMOS) Αλουµίνιο (4) Πολυκρυσταλλικό πυρίτιο (3) Σχηµατισµός θερµικά µονωµένης περιοχής Θερµικά µονωµένη περιοχή (2) Σχηµατισµός πρώτου µέρους θερµοστοιχείων / θερµαντήρα Κρυσταλλικό πυρίτιο (1) 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 δεύτερου µέρους θερµοστοιχείων / ωµικών επαφών 13

Ολοκληρωµένος θερµικός αισθητήρας ροής αερίων Κατασκευή του αισθητήρα Φωτογραφίες οπτικού µικροσκοπίου του ολοκληρωµένου θερµικού αισθητήρα ροής Αιωρούµενη µεµβράνη Si Μέρος της θερµικά µονωµένης αιωρούµενης δοµής 100 µm Ολοκληρωµένος θερµικός αισθητήρας ροής αερίων Κατασκευή του αισθητήρα Φωτογραφίες οπτικού µικροσκοπίου του ολοκληρωµένου θερµικού αισθητήρα ροής Θερµαντήρας (poly-si) Θερµοστοιχεία (Al/poly-Si) 100 µm Θερµοστοιχεία Αλουµινίου/poly-Si εκατέρωθεν της θερµαντικής αντίστασης 14

Ολοκληρωµένος θερµικός αισθητήρας ροής αερίων Κατασκευή του αισθητήρα Φωτογραφίες οπτικού µικροσκοπίου του ολοκληρωµένου θερµικού αισθητήρα ροής Θερµαντήρας (poly-si) Al Αιωρούµενη µεµβράνη 100 µm Κάτω τµήµα θερµικής αντίστασης. ιακρίνεται η διεπαφή αλουµίνιου πολυκρυσταλλικού πυριτίου Ολοκληρωµένος θερµικός αισθητήρας ροής αερίων Λειτουργία και χαρακτηρισµός του αισθητήρα Αύξηση της θερµοκρασίας στην επιφάνεια του θερµαντήρα συναρτήσει της παρεχόµενης ισχύος (Ω) Αντίσταση Θερµαντήρα θερµαντήρα (Ω Ω) 2200 2100 2000 1900 1800 1700 1600 Τεχνολογία Νέα τεχνολογία posi θερµικής / ιάκενο µόνωσηςαέρα Συµπαγής Υπάρχουσα µεµβράνη τεχνολογία θερµικής posi µόνωσης 40 60 80 100 120 140 160 180 200 Θερµοκρασία θερµαντήρα ( ο C) ( o C) Ρυθµόςµ αύξησης ης της ηλεκτρικής αντίστασης του θερµαντήρα συναρτήσει της αύξησης της θερµοκρασίας του : 1.64 Ω / Κ και για τις δύο περιπτώσεις θερµικής µόνωσης 15

Ολοκληρωµένος θερµικός αισθητήρας ροής αερίων Αύξηση της θερµοκρασίας στην επιφάνεια του θερµαντήρα συναρτήσει της παρεχόµενης ισχύος ) Αν Αντίσταση Θερµαντήρα θερµαντήρα (Ω) (Ω) (Ω) 2100 2000 1900 1800 1700 1600 Νέα Τεχνολογία Νέα τεχνολογία posi/ ιάκενο θερµικής µόνωσης αέρα Συµπαγής Υπάρχουσα µεµβράνη τεχνολογία θερµικής posi µόνωσης 1500 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 Παρεχόµενη Θερµοκρασία Παρεχόµενη Ισχύς θερµαντήρα Ισχύς (mw) ( o C) Ρυθµός αύξησης της ηλεκτρικής αντίστασης του θερµαντήρα συναρτήσει της παρεχόµενης ισχύος σε αυτόν: 2.69 Ω / mw (συµπαγής µεµβράνη posi) 3.69 Ω / mw (τεχνολογία posi/ ιάκενο αέρα) Ολοκληρωµένος θερµικός αισθητήρας ροής αερίων Αύξηση της θερµοκρασίας στην επιφάνεια του θερµαντήρα συναρτήσει της παρεχόµενης ισχύος Αύξηση η θερµοκρασίας θερµαντήρα ρα α (Κ) 300 250 200 150 100 50 Τεχνολογία Πορώδους posi/ ιάκενο πυριτίου άνωθεν αέρα ιάκενου Αέρα Συµπαγής Υπάρχουσα τεχνολογία µεµβράνη Πορώδους posi πυριτίου 0 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 Παρεχόµενη Παρεχόµενη Ισχύς Ισχύς (mw) Ρυθµός αύξησης της θερµοκρασίας του θερµαντήρα στην µονωµένη περιοχή συναρτήσει της παρεχόµενης ισχύος σε αυτόν: 1.64 K / mw (συµπαγής µεµβράνη posi) 2.25 K / mw (τεχνολογίαposi/ ιάκενο αέρα) Θερµ. προσοµοιώσεις : 1.67 K/mW 2.4 K/mW αντίστοιχα 16

Ολοκληρωµένος θερµικός αισθητήρας ροής αερίων Συσκευασία (packaging) του ολοκληρωµένου αισθητήρα ροής αερίων Κοπή της ψηφίδας µικρο-αισθητήρα (διαδικασία dicing saw) Συγκόλληση σε φορέα από PCB ιασύνδεση της διάταξης (διαδικασία wire bonding) επικοινωνία µε τον µακρόκοσµο Τυπικό δισκίο πυριτίου 3 ιντσών στο τέλος της διαδικασίας ανάπτυξης των µικροαισθητήρων Ολοκληρωµένος θερµικός αισθητήρας ροής αερίων Συσκευασία (packaging) του ολοκληρωµένου αισθητήρα ροής αερίων Κοπή της ψηφίδας µικρο-αισθητήρα (διαδικασία dicing saw) Συγκόλληση σε φορέα από PCB ιασύνδεση της διάταξης (διαδικασία wire bonding) επικοινωνία µε τον µακρόκοσµο Προσαρµογή PCB σε κατάλληλο ηµικυλινδρικό κανάλι Σύρµα αλουµινίου Έξοδος αερίου Ηµικυλινδρικό κανάλι Είσοδος αερίου Επαφές Cu 17

Ολοκληρωµένος θερµικός αισθητήρας ροής αερίων Απόκριση (responsivity) των θερµοστοιχείων του αισθητήρα V Θερµοζεύγος (mv) V θερµοζεύγος (mv) 9 8 7 6 5 4 3 2 1 Τεχνολογία Πορώδους posi/ ιάκενο πυριτίου αέρα άνωθεν ιάκενου Αέρα Υπάρχουσα Συµπαγής τεχνολογία µεµβράνη Πορώδους posi πυριτίου 0 0 10 20 30 40 50 60 70 80 Παρεχόµενη Ισχύς(mW) (mw) Αναπτυσσόµενη τάση στα άκρα κάθε θερµοζεύγους συναρτήσει της παρεχόµενης ισχύος: 0.081 V / W (συµπαγής µεµβράνη posi) 0.110 V / W (τεχνολογίαposi/ ιάκενο αέρα) ~36% αύξηση για την ίδια παρεχόµενη ισχύ Ολοκληρωµένος θερµικός αισθητήρας ροής αερίων 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) Συσκευή ελέγχου Ελεγκτής ροής ιάταξη διαµόρφωσης ροής / Αισθητήρας Αέριο Ν 2 Βαλβίδες Η/Υ Ηλεκτρόµετρο Πολύµετρο Πηγή Ρεύµατος 18

Ολοκληρωµένος θερµικός αισθητήρας ροής αερίων υναµικός χαρακτηρισµός του αισθητήρα σε συνθήκες ροής αερίου αζώτου Αναπτυσσόµενη διαφορά δυναµικού ανάµεσα στα δύο θερµοστοιχεία συναρτήσει της διερχόµενης ροής ιαφ φορά θερµοστοιχέιων (mv) 1,0 Τεχνολογία Tεχνολογία posi/ ιάκενο αέρα αέρα 1,0 Συµπαγής µεµβράνη posi posi 0,8 0,8 0,6 0,6 0,4 0,4 0,2 0,2 0,0 1,5 2,0 2,5 3,08 3,5 10 0 2 3 4 5 6 7 9 Ροή αερίου m Ροή αερίου (m/sec) sec Ευαισθησία ανά ισχύ θέρµανσης Ευαισθησία (sensitivity): per heating Vδιαφορ power): άς mv S = σε (m / sec) U V mv διαφοράς S p = σε ( m / sec) W U P mv S = 0.24 (m / sec) S p = 6.86 mv mv ( m / sec) W S = 0.49 (m / sec) S p = 14 mv ( m / sec) W Ισχύς στον θερµαντήρα : 35 mw Ολοκληρωµένος θερµικός αισθητήρας ροής αερίων υναµικός χαρακτηρισµός του αισθητήρα σε συνθήκες ροής αερίου αζώτου ιαφορά θε ερµοστοιχέιων (mv) Αναπτυσσόµενη διαφορά δυναµικού ανάµεσα στα δύο θερµοστοιχεία συναρτήσει της διερχόµενης ροής 1,0 0,8 0,6 04 0,4 0,2 Tεχνολογία posi/ ιάκενο αέρα, 35 mw Συµπαγής µεµβράνη posi, 48 mw Συµπαγής µεµβράνη, 40 mw Συµπαγής µεµβράνη, 35 mw 2 3 4 5 6 7 8 9 10 Ροή αερίου (m/sec) Ισχύς στον θερµαντήρα : 35 mw (τεχνολογία posi/ ιάκενο αέρα) 40-60 mw (συµπαγής µεµβράνη posi) Μείωση της παρεχόµενης ισχύος περίπου κατά : 37 % σε σύγκριση µε χρήση συµπαγούς µεµβράνης posi 19

Ανάπτυξη ολοκληρωµένων θερµικών αισθητήρων µικρο-ροής Αρχή λειτουργίας αισθητήρα Υπόστρωµα Sι Si (1) (Α) Έξοδος ρευστού Μικρο-κανάλι Αντιστάσεις Πορώδες επίπεδο Επαφές Είσοδος ρευστού (2) (Β) Υπόστρωµα Si Si Κάτοψη (1) και τοµή (2) του αισθητήρα Ανάπτυξη ολοκληρωµένων θερµικών αισθητήρων µικρο-ροής Χρήση τεχνολογίας posi/ ιάκενου αέρα για τη δηµιουργία µικροκαναλιών στο υπόστρωµα Si Μεµβράνη posi ιάκενο αέρα Κοιλότητα Προσαρµογή της τεχνολογίας ως προς : ιαστάσεις αιωρούµενων µεµβρανών (πλάτος < 30 µm) Βάθος της κοιλότητας (>20 µm) Μορφολογία του πυθµένα µ της κοιλότητας Φωτογραφία ηλεκτρονικού µικροσκοπίου σάρωσης (SEM) τοµής αιωρούµενης µεµβράνης posi στο κρυσταλλικό υπόστρωµα 20

Ανάπτυξη ολοκληρωµένων θερµικών αισθητήρων µικρο-ροής Χρήση τεχνολογίας posi/ ιάκενου αέρα για τη δηµιουργία µικρο-καναλιών στο υπόστρωµα Si Μεµβράνη posi Si Κοιλότητα Πλευρική δοκός στήριξης Βάθος κοιλότητας αέρα >20 µm Οµοιόµορφος πυθµένας Επίπεδη οροφή του µικρο-καναλιού (πάχος πορώδους επιπέδου ίσο µε 0.8 µm) posi Φωτογραφία ηλεκτρονικού µικροσκοπίου σάρωσης (SEM) τοµής σχηµατισµένου µικρο-καναλιού στο κρυσταλλικό υπόστρωµα Κοιλότητα Ανάπτυξη ολοκληρωµένων θερµικών αισθητήρων µικρο-ροής Κατασκευή ολοκληρωµένου θερµικού αισθητήρα µικρο-ροής ρευστών (microfluidic sensor) Σχηµατισµένο µικρο-κανάλι Οπές εισόδου/εξόδου του ρευστού Φωτογραφίες ηλεκτρονικού µικροσκοπίου σάρωσης (SEM) σχηµατισµένων µικρο-καναλιών οπών εισόδου/εξόδου ρευστού 21

Ανάπτυξη ολοκληρωµένων θερµικών αισθητήρων µικρο-ροής Κατασκευή ολοκληρωµένου θερµικού αισθητήρα µικρο-ροής ρευστών (microfluidic sensor) Οπές εισόδου/εξόδου του ρευστού Κανάλι Αντιστάσεις posi Οπτική φωτογραφία ολοκληρωµένου θερµικού αισθητήρα µικρο-ροής Ανάπτυξη ολοκληρωµένων θερµικών αισθητήρων µικρο-ροής Προσοµοίωση θερµοκρασιακής κατανοµής στην επιφάνεια του ολοκληρωµένου αισθητήρα µικρο-ροής Οριακές συνθήκες: Θερµοκρασία υποστρώµατος ίση µε 300 K Ακτίνα ηµικυλινδρικού καναλιού: 20 µm Θερµαντήρας πλάτους 10 µm σε σταθερή θερµοκρασία 450 Κ, είναι τοποθετηµένος κάθετα πάνω από το µικρο-κανάλι φάνεια (Κ) µοκρασία στην Temperature µονωµένη o K επιφ Θερµ 460 0 µl/min 3 µl/min 440 8 µl/min 420 400 380 360 340 320 300 280-100 -75-50 -25 0 25 50 75 100 Απόσταση Distance από το from θερµαντήρα heater (µm) (µm) Ακόµα και σε ροή 3 µl/min παρατηρείται σηµαντική ασυµµετρία στη θερµοκρασιακή κατανοµή άνωθεντουµικρο-καναλιού 22

Ολοκληρωµένοι θερµικοί αισθητήρες σε πλακέτα τυπωµένου κυκλώµατος (PCB) Πλεονεκτήµατα της τεχνολογίας Τυπική διαδικασία ολοκληρωµένων µικρο-αισθητήρων στο Si Κατασκευή του µικρο-αισθητήρα σε υπόστρωµα πυριτίου Κοπή ψηφίδας µικρο-αισθητήρα (διαδικασία die cutting) Συγκόλληση ψηφίδας σε ηλεκτρονική πλακέτα τυπωµένου κυκλώµατος (PCB) ιασύνδεση της διάταξης µέσω συρµάτων αλουµινίου µε τον µακρόκοσµο (διαδικασία wire bonding) PCB Ολοκλήρωση των αισθητήριων στοιχείων και των αντίστοιχων ηλεκτρονικών στο ίδιο υπόστρωµα (PCB) Απαλοιφή του σταδίου διασύνδεσης Επίπεδη τελική δοµή Χαµηλότερο κόστος Μικρότερος χρόνος κατασκευής Μη αναγκαία η χρήση καθαρού χώρου Υψηλός βαθµός θερµικής µόνωσης Μικροαισθητήρας Σύρµα Al Επαφές χαλκού Επαφές Cu Αισθητήρια στοιχεία Ολοκληρωµένοι θερµικοί αισθητήρες σε πλακέτα τυπωµένου κυκλώµατος (PCB) ιαδικασία κατασκευής των µικρο-αισθητήρων Κυριότερη δυσκολία κατασκευής Οι ζητούµενες αντιστάσεις υλοποιούνται µέσω πολύ λεπτών (hi (thin film) στρωµάτων µετάλλου πλατίνας τα οποία εναποτίθενται στις γραµµές χαλκού της πλακέτας Η µεγάλη διαφορά πάχους των δύο µετάλλων καθιστά απαραίτητο ένα βήµα εξοµάλυνσης πριν την εναπόθεση, προκειµένου να υπάρχει συνέχεια στη διαδροµή της πλατίνας 30 µm Απευθείας εναπόθεση Pt σε PCB Pt 300 nm ρήξη στρώµατος Pt 300 nm Cu Cu Cu Cu Pt Θερµαντήρας Pt Επαφή Cu Cu PCB PCB Aπευθείας Αναλογία εναπόθεσης πάχους Pt Cu σε και (PCB) Pt Φωτογραφία Φωτογραφία οπτικού ηλεκτρονικού µικροσκοπίου µικροσκοπίου σάρωσης (SEM) 23

Ολοκληρωµένοι θερµικοί αισθητήρες σε πλακέτα τυπωµένου κυκλώµατος (PCB) ιαδικασία κατασκευής των µικρο-αισθητήρων Επιλεκτική εγχάραξη του χαλκού στην πλακέτα - διαµόρφωση των επαφών Cu Εναπόθεση και επιλεκτική εγχάραξη στρώµατος εξοµάλυνσης (ρητίνη SU-8) Εναπόθεση και επιλεκτική εγχάραξη στρώµατος πλατίνας διαµόρφωση θερµαντήρων πλατίνας Ολοκληρωµένοι θερµικοί αισθητήρες σε πλακέτα τυπωµένου κυκλώµατος (PCB) Αρχικά αποτελέσµατα µέτρησης ροής αερίου Αναπτυσσόµενη διαφορά αντίστασης µεταξύ συµµετρικών R 1 και R 2 συναρτήσει της διερχόµενης ροής R 1 R 2 Θερµαντήρας Ροή ιαφορά αν ντίστασης µεταξύ R 1 &R 2 (O Ohm) Ροή αερίου (SLPM) Ρεύµα θερµαντήρα 24

υνητικές εφαρµογές ολοκληρωµένων αισθητήρων σε πλοία Συζήτηση (1/2) 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 µικρο-αισθητήρων της παρουσίασης Eφαρµογή στον αυτόµατο έλεγχο ασφάλειας ή καλής λειτουργίας συστηµάτων µέσω µεµονωµένων µικρο-αισθητήρων ή δικτύου αυτών κατάλληλα κατανεµηµένο στο πλοίο Πίεσης : ιατάξεις υπό πίεση (π.χ. χ αεροφιάλες εκκίνησης ης κύριων µηχανών) Ανίχνευση αερίων : Μέτρηση NO Χ (σύµβαση MARPOL), ανίχνευση υψηλής συγκέντρωσης επικίνδυνων αερίων (π.χ. gas freeing σε /Ξ πλοία) υνητικές εφαρµογές ολοκληρωµένων αισθητήρων σε πλοία Συζήτηση (2/2) 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 ή µηχανικής κόπωσης αντλιών / διαχωριστήρων Επιτάχυνσης : Έλεγχος κραδασµών (π.χ. αξονικού συστήµατος) 25

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 local 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 flow sensor 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 Cavity for 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 membranes on pre-defined areas on the Si substrate, phys. stat. sol. (a) 204, 5, 1335 1339 (2007) [J-07] D.N. Pagonis, A. Petropoulos, G. Kaltsas, A. G. Nassiopoulou and A. Tserepi, Novel microfluidicidic flow sensor 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 flow sensor, 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 on Microchannels, A.Nassiopoulou,G.Kaltsas and D.Pagonis, WO03062134, (2003) - United States Patent Νο 20050072926 26