دانلود مقاله سنسور

پهنای باند، سطح نویز، حساسیت محوری، drift، خطی بودن، محدوده دینامیک، قابلیت ابقا شوک و مصرف توان می باشد.

فرکانس رزونانس نیز مهم است زیرا محدوده مفید فرکانس بالای سنسور معمولاً کسری از فرکانس رزونانس است، در حالی که حساسیت و جابجایی به ازای هر g شتاب را تعیین می کند.

به طوری که : dg : جابجایی به ازای هر g M و Ksp: جرم و ثابت فنر قطعه g : 9.8 Wo : فرکانس رزونانس زاویه ای عموماً جابجایی عنصر حسگر بخش ضروری فرآیند حس کردن می باشد و dg بخش بهره حلقه باز سنسور است، بنابراین منجر به رابطه شدیداً معکوس بین حساسیت و پهنای باند برای هر کلاسی از سنسورها می شود.

نویز در شتاب سنج ها مشکلاتی بوجود می آورد.

برای خود سنسور، برای خروجی الکترونیکی اش، برای damping مکانیکی و همه مقاومت های الکتریکی، سنسورهای MEMS خیلی کوچک هستند بنابراین نویز جانسون مقاومتهای مکانیکی باید در نظر گرفته شوند، در حالی که در سنسورهای بزرگتر این مشکل وجود ندارد.

تنها یک باکتری یا گرده خاک می تواند نیروی بزرگی را روی اجزا MEMS ایجاد کند.

نیروی Brownian عبارتست از : F B = که باعث حرکت Brownian می شود ( X B ) : = X B در حالی که : D = ضریب Damping جرم مرجع که به وسیله ثابت فنر تأمین می شود.

پاسخ به شتابی که حرکت یکسانی را تولید می کند، X B : Q W0 = g = نویز شتابی معادل Brownian را می دهد.

g n,B از معادله بالا می بینیم که یک جرم بزرگ و Q بزرگ (damping کم ) در به دست آوردن سطح نویز کم کمک می کند.

برای دستیابی به جرم بزرگی در یک سنسور میکروماشین شده نوعاً به یک ویفری که یک جرم مرجع ضخیمی بیرون آن تراشیده شده است، نیاز است.

برای نویز خیلی کم، ثابت damping باید وسیله معلق کردن جرم مرجع در یک خلا از فنرهای الاستیک خالص کاهش یابد.

فیدبک از دور زدن در حوالی فرکانس رزونانس جلوگیری می کند.

میکرو سنسور شتاب میکرو شتاب سنج ها یکی دیگر از ادوات مهم MEMS هستند.

همه سنسورهای شتاب دارای یک جسم سنگین هستند که تقریباً معلق است و از یک یا چند طرف با میله هایی به یک قاب وصل شده است.

تحت تأثیر شتاب، اینرسی جسم باعث می شود که نیرویی به آن وارد شود و کمی جابجا شود.

شتاب با خواندن تنش وارده شده به میله ها که روی آنها piezo-resistor ها هستند، اندازه گیری می شود، اولین میکرو شتاب سنج ها 1970 ساخته شدند و از همان آغاز برای اندازه گیری استرس وارد شده به پایه های جسم معلق، از مقاومت پیزو استفاده شد.

برای جلوگیری از انحراف بیش از حد جسم معلق می توان صفحات محفظه را با فاصله کمی از جسم ساخت یا این که جسم معلق را در محفظه ای پر از روغن قرار داد.

شتاب سنج ها دو دسته هستند.

یک دسته حساسیت کمی دارند و شتاب های زیاد را اندازه می گیرند.

از این شتاب سنج ها در سیتم ترمز ( Antilok Brake System )، سیستم تعلیق ( Automatic Balance Control ) و سیستم کیسه هوایی خودروها می توان استفاده کرد.

نوع دیگر حساسیت زیادی دارند و می توان از آنها در ربات ها، سیستم هدایت اتومبیل و نیز ناوبری هواپیما و فضا پیما و زیر دریایی ها استفاده کرد.

لازم به ذکر است که هر شتاب سنج، شتاب را فقط در یک جهت اندازه می گیرد و برای اندازه گیری شتاب در دستگاه مختصات سه بعدی باید از سه شتاب سنج عمود بر هم استفاده کرد.

علاوه بر شتاب سنج های ساخته شده با میکروماشینینگ توده ای که در دهه 1980 به بازار آمدند ( از طرف IC Sensor, Lucas Nova Sensor )، شتاب سنج های ساخته شده با میکروماشینینگ سطحی نیز اخیراً برای کاربرد سیستم کیسه هوایی خودروها وارده بازار شده اند.

( ADXL50 از Analog Devices، MMAS40G از Motorolla ) سیستم باز کردن کیسه هوایی، یکی از کاربردهای نسبتاً جدید میکرو شتاب سنج ها ست.

در این سیستم ها هنگامی که خودرو، شتاب منفی زیادی پیدا می کند، به کیسه هوایی فرمان باز شدن داده می شود.

سنسورهای بکار رفته در این سیستم ها باید دارای اندازه کوچک، کیفیت بالا و قیمیت کم باشند.

قیمت هر یک از این سنسورها در سال 97 حدود 4 دلار بوده که در سال 2000 به 2 دلار رسید.

این نسل های جدید شتاب سنج ها برای کارایی بیشتر، شامل یک مدار مجتمع پیچیده نیز هستند.

سنسورهای بر مبنای اینرسی شامل سنسورهای شتاب و ژیروسکوپ های ناوبری در سال 2000 بازاری حدود 7/2 میلیارد دلار داشتند.

3 – 2 – 1 – سنسور شتاب مبتنی بر مقاومت پیزو طرز کار این سنسورها قبلاً توضیح داده شد و ساختار و روش ساخت آن نیز شبیه سنسورهای فشار مبتنی بر مقاومت پیزو است.

طرح ساده یک نمونه آن که دارای 4 پایه است در شکل زیر دیده می شود.

3- 2 – 2 – سنسور شتاب خازنی طرز کار و ساختار این سنسور ها شبیه فشار سنج های خازنی است.

به این ترتیب که یکی از صفحات خازن در نقش جسم معلق است و در اثر شتاب، حرکت می کند.

در شکل زیر، یک نمونه از این سنسورها دیده می شود که دارای توانایی تفکیک ( Resolution ) 1µg در فرکانس 1HZ است و برای ناوبری بکار می رود.

موتورلا نیز یک سنسور شتاب خازنی ساخته است که محدوده عمل آن تا 50g و حساسیت آن 40mv/g در محدوده فرکانس 0.6Hz – 1KHz است.

این شتاب سنج برای کاربرد در سیستم کیسه هوایی طراحی شده است.

این سنسورها با هر دو فرآیند میکروماشینینگ توده ای و سطحی قابل ساخت هستند.

البته با فرآیند دوم اندازه آن کوچکتر می شود و مدار جانبی نیز به طور یکپارچه روی آن قابل ساخت است.

در حالی که در میکرو شتاب سنج خازنی که با فرآیند میکروماشینینگ توده ای ساخته شده، مدار روی یک چیپ دیگر ساخته شده و با چیپ سنسور بسته در یک بسته ( Package ) قرار می گیرد.

در شکل زیر یک نمونه از سنسور شتاب خازنی مشاهده می شود که به شکل مناسبی برای حفاظت در مقابل شتاب زیاد و جابجایی بیش از حد جسم معلق طراحی شده است.

3 – 2 – 3 – سنسور شتاب تشدیدی در این سنسور از خاصیت تغییر فرکانس تشدید یک جسم تقریباً معلق بر اثر استرس برای اندازه گیری شتاب استفاده می شود.

معمولاً برای اندازه گیری تغییر فرکانس، از حالت خازنی استفاده می شود نه مقاومت پیزو.

در ساخت این سنسورها نیز ایده های مختلفی وجود دارد.

از جمله این که دو نوسانگر مکانیکی باشند که بر اثر شتاب فقط فرکانس یکی از آنها تغییر کند.

مثلاً به یکی از آنها وزنه ای وصل با شد.

در این حالت با اندازه گیری اختلاف فرکانس تشدید آنها می توان مقدار شتاب را تعیین کرد.

شتاب در جهت های دیگر نیز، از آنجا که بر هر دوی آنها تاثیر یکسان می گذارد، در اختلاف فرکانس آنها تأثیر نمی گذارند.

General Motors سنسوری از این نوع ساخته که حساسیتش 160Hz/g است.

3 – 2 – 4 – سنسور شتاب تونلی در این سنسورها از پدیده تونل زنی الکترون ها بین دو جسم نزدیک به هم و وابستگی مقدار آن به فاصله هر دو جسم، استفاده شده است.

این سنسورها حساسیت خیلی بالایی دارند و در فرکانس های تا چند کیلو هرتز هم می توانند کار کنند.

پدیده تونل زنی بین یک جسم معلق خیلی کوچک و تیز است که با طلا پوشانده شده است.

از آنجا که پدیده تونل زنی در محدوده خیلی کوچک و محدودی رخ می دهد، بهتر است سنسور را در یک سیستم فیدبک دار قرار داد که سعی کند فاصله بین دو الکترود را ثابت نگه دارد.

مقدار نیروی لازم برای ثابت نگه داشتن جسم معلق نشان دهنده مقدار شتاب است.

اعمال نیرو به جسم معلق را می توان توسط یک محرک پیزو الکتریک انجام داد.

3 – 2 – 5 – شتاب سنج پیزو الکتریک می دانیم که مواد پیزو الکتریکی در اثر خمیدگی و تغییر شکل، یک ولتاژ کوچک تولید می کنند.

همان طور که در شکل 3 – 10 مشاهده می شود با چسباندن دو جسم پیزو الکتریک به یکدیگر که در جهت عکس هم ولتاژ تولید میکنند.

می توان یک سنسور شتاب ساخت که سیگنال خروجی آن دو برابر شده است، با وارد شدن شتاب به جسم، بدنه آن خم می شود و یک سیگنال کوچک ( که دو برابر هم شده ) تولید می شود.

البته این سیگنال باید تقویت و فیلتر شود 3 – 3 سنسور سرعت زاویه ای ( ژیروسکوپ ) ژیروسکوپ سنسوری است که سرعت یا مقدار تغییر زاویه را اندازه می گیرد.

بر خلاف تصور، میکروژیروسکوپ ها معمولاً از قسمت چرخان که نیازمند یاتاقان است استفاده نمی کنند.

به همین دلیل می توان به آسانی آنها را در اندازه های بسیار کوچک و به صورت پشته ای ساخت.

میکروژیروسکوپ ها معمولاً بر اساس انتقال انرژی بین دو مد ارتعاشی یک ساختار کار می کنند.

این انتقال انرژی به خاطر شتاب کوریولیس انجام می شود.

شتاب کوریولیس به نام دانشمند و مهندس فرانسوی G.G de Coriolis به شتابی اطلاق می شود که به قاب مرجع در حال چرخش یک سیستم وارد می شود و مقدار آن متناسب با سرعت چرخش است.

برای فهم بهتر اثر کوریولیس، طبق شکل زیر یک ذره را تصور کنید که با سرعت V در فضا در حال حرکت است.

ناظر روی محور X از دستگاه مختصات xyz نشسته است.

اگر دستگاه مختصات با سرعت زاویه ای Ω دور محور z شروع به چرخش کند، ناظر تصور می کند که ذره را عوض کرده و با شتاب Ω ×2v به طرف محور x می آید.

این پدیده مبنای کار تقریباً همه ساختارهای ژیروسکوپ ارتعاشی است.

(تصاویر در فایل اصلی موجود است) در سمت راست شکل 3 – 11 یک ساختار کلاسیک ژیروسکوپ ارتعاشی، مشاهده می شود.

طرز کار آن به این صورت است که ابتدا، میله های فوقانی که یک سرشان آزاد است با دامنه و فرکانس برابر به ارتعاش در می آیند.

وقتی که سیستم می چرخد، نیروی کوریولیس سینوسی به شکل تفاضلی و در جهت های عمود بر ارتعاش اصلی به آنها وارد می شود.

با اندازه گیری دامنه این تفاضل ارتعاش ها می توان مقدار نیروی کوریولیس و از روی آن نیز، مقدار سرعت زاویه ای را بدست آورد.

ایجاد ارتعاش می تواند به صورت الکترواستاتیکی، الکترومغنا طیسی یا پیزو الکتریک باشد.

اندازه گیری ارتعاش انجام شده بر اثر نیروی کوریولیس را نیز می توان به صورت خازنی، پیزوالکتریک یا با مقاومت پیزو انجام داد.

البته آشکار سازی ارتعاش را به صورت نوری نیز می توان انجام داد که خیلی گران است.

در جدول زیر مشخصات سه دسته از ژیروسکوپ ها مشاهده می شوند.

هر کدام از آنها در موقعیت خاصی به کار می روند.

یک پارامتر خیلی مهم در ژیروسکوپ مقدار حساسیت آن نسبت به حرکت خطی ( و نه دورانی ) است.

معروف ترین نوع ژیروسکوپ که در دانشگاه میشیگان ساخته شده است، در شکل زیر مشاهده می شود.

(تصاویر در فایل اصلی موجود است) شکل 3 – 13 این ژیروسکوپ شامل یک حلقه سیلیکونی، 8 فنر به شکل نیم دایره که در محور به هم متصلند و تعدادی الکترود در اطرافش است.

این الکترودها برای ایجاد و حس کردن ارتعاش به حلقه به کار می روند.

روش کار به این صورت است که ابتدا الکترودها با دامنه خاصی حلقه را به ارتعاش در می آورند.

در اثر چرخش حلقه، یک نیروی کوریولیس با زاویه 45 درجه نسبت به ارتعاش اولیه، به حلقه وارد می شود که آن را در همان راستا به ارتعاش در می آورد، الکترودهای حسگر این تغییر در کل دامنه ارتعاش حلقه را به صورت خازنی اندازه می گیرند و به این صورت، نیروی کوریولیس و به تبع آن سرعت زاویه ای تعیین می شود.

این ساختار، مزایایی نسبت به ژیروسکوپهای دیگر دارد.

از جمله این که به خاطر متقارن بودن حلقه، وجود حرکت خطی در راستاهای گوناگون، اثری بر مقدار سرعت زاویه ای اندازه گیری شده ندارد.

این وسیله دارای قدرت تفکیک در پهنای باند 25HZ است.

خطی بودن آن نیز در محدوده بهتر از 0.2% است.

3 – 4 – سنسور گاز ما سفت میکروماشین شده در این جا طراحی، ساخت و پرداخت اولین سنسور گاز ما سفت، که توان کمی مصرف می کند، شرح داده می شود.

این سنسور گاز با استفاده از میکروماشینینگ توده ای Anisotropic سیلیکون ساخته می شود.

یک مقاومت گرماده یک دیود که به عنوان سنسور حرارت استفاده شده و چهار ماسفت در یک ناحیه معلق به وسیله یک غشای دی الکتریک قرار دارند.

غشاء ( Membrane ) دارای ضریب هدایت حرارتی پائین می باشد، بنابراین از نظر حرارتی اجزاء الکترونیکی را از بدنه چیپ جدا می سازد.

این قطعه حرارت پائین مصرف توان را به مقداری در حدود 90mw برای آرایه ای از چهار ماسفت در دمای کاری 170ºC کاهش می دهد.

سه تا از این ماسفت ها، گیت های پوشیده شده با فلزات catalytic نازک دارند و به عنوان سنسورهای گاز به کار می روند.

ما سفت چهارمی گیت استاندارد پوشیده شده با نیترید دارد و می تواند به عنوان یک مرجع عمل کند، سنسور تحت محیط های گازی مختلف آزمایش شده و حساسیت گازی خوبی نسبت به هیدروژن و آمونیاک نشان داده است.

این سنسور گاز که دارای آرایه ای از ماسفت های کم مصرف است برای کاربرد در ابزارهای حسگر گاز قابل حمل، بینی های الکترونیکی و اتومبیل ها متناسب می باشد.

بر روی قطعات حساس به گاز اثر میدانی ( Gas FETS ) در حدود 25 سال مطالعاتی انجام شده است.

تعویض گیت ماسفت با موادی که خصوصیات ،Catalytic (… Ir, Pt, Pd ) دارند، اجازه آشکار سازی چندین قطعه گاز مثل هیدروژن،آمونیاک،مونوکسید کربن و الکل را می دهد.در طول سال ها، نشان داده شده است که این قطعات برای کاربردهایی نظیر نشان دهنده های هیدرو‍‍‍ژن و آشکار سازی نشتی و در بینی های الکترونیکی مناسب هستند.

ابزارهای قابل حمل اتومبیل ها وسایلی هستند که در آنها قطعات کم مصرف و کم هزینه مورد نیاز می باشند.

در طی دهه گذشته، کوششهای بسیاری در زمینه سنسور گاز، برای کاهش مصرف توان سنسورهای اکسید فلزی انجام شده است.

ترکیب میکروماشینینگ سیلیکون با تکنولوژی لایه نازک برای ساخت سطوح میکرونی که عایق حرارتی خوبی هستند استفاده شده است.

اخیراً بعضی از گروه های تحقیقاتی روی اجزای الکترونیکی عایق حرارتی که روی پوسته ها ساخته می شوند و از میکروماشینینگ سیلیکون و تکنولوژیهای CMOS استفاده می کنند، کار کرده اند.

امّا هیچ کدام از آنها گزارشی در زمینه سنسورهای گازی ماسفت ارائه نداده اند.

در این نوع سنسورها، عایق گیت باید بعد از پردازش اجزا الکترونیکی، بدون حفاظت باقی بماند سپس یک لایه نازک حساس به گاز، نظیر فلز Catalytic یا یک اکسید فلزی یا یک پلیمر بالای عایق برای تشکیل گیت ترانزیستور لایه نشانی می شود.

سنسورهای گاز ما سفت معمولاً در دمای بالای 100ºC و در محدوده 175ºC - 200ºC بسته به استفاده از روش سیلیکون استاندارد کار می کنند.

مصرف توان یک سنسور توده ای با استفاده از پردازش سیلیکون استاندارد در حدود 0.5 – 1.0 w نشان داده شده است.

آرایه های FET گازی کم توان مدهای کاری جدیدی را برای این نوع از قطعات حس گر گاز به ارمغان می آورند و این تکنولوژی را با محصولات دیگر در بازار قابل رقابت می کنند.

طراحی الف – چیپ سنسور سنسور ماسفت بدست آمده به هدف کاهش جریان های نشستی درین – سورس و کاهش مصرف توان این نوع سنسورهای گازی طراحی شده است، هر قطعه از چهار Gas FET، یک سنسور حرارت ( دیود ) و یک گرم کن، همان طور که در شکل نشان داده شده، تشکیل شده است.

سایز چیپ 4×4 mm2 می باشد.

شکل 3 – 14 ب – اجزای الکترونیکی دیود و درین – سورس ترانزیستور به وسیله انتشار تک مرحله ای از اتم های تزریق شده ( فسفر و بور ) از لایه های اکسید CVD ساخته شده اند.

بنابراین، کوتاهترین کانال برای ترانزیستور 0.5 میکرومتر می باشد که وابسته به فرآیند انتشار مورد استفاده می باشد.

گرمکن یک مقاومت نیمه هادی می باشد که در طول فرایند القا ( P – well Implanation )P – well ساخته شده است.

مقدار مقاومت گرمکن در دمای اتاق 120 Ω می باشد.

دو آرایه با چهار ماسفت متوسط یا کوچک با کانالی با طول 10,5 میکرومتر طراحی شده اند که هر دو دارای نسبت 30 = می باشند.

جریان های نشتی سورس – درین به وسیله مینیمم کردن سطوح پسوند P-n در نواحی سورس و درین محدوده شده اند.

بنابراین پیوندهای فلزی / نیمه هادی مستقیماً روی سورس و درین و کنار گیت قرار گرفته اند.

Gas FET ها، درین سورس های متصل به هم دارند.

آنها با جریان ثابتی بین درین و سورس کار می کنند.

در تستی که روی چیپ برای بدست آوردن خصوصیات الکتریکی ماسفت انجام شد، درین و گیت برای بدست آوردن انعطاف پذیری بیشتر در طی ساخت و پرداخت به هم متصل نبودند.

ج – مصرف توان جرم حرارتی و در نتیجه مصرف توان سنسور به وسیله طراحی می نیمم شده است.

Gas FET ها، گرمکن و دیود در یک ناحیه سیلیکونی عایق از بدنه چیپ به وسیله یک غشاء دی الکتریک قرار گرفته اند.

شکل 3 – 23 غشاء ( membrane ) از لایه نیترید سیلیکون Low – Stress که با فرآیند LPCVD بدست آمده، ساخته شده است.

یک لایه اکسی نیترید یا نیترید سیلیکون PEVCD به عنوان لایه Passivation روی Aluminum metal llization استفاده شده است.

سایر غشاء 1.8 ×1.8 mm2 می باشد.

جزیره سیلیکون دارای مناطقی است و ضخامتی به ترتیب در حدود 2 دارند.

فرآیند ساخت فرآیند ساخت شامل سه بخش اصلی زیر می شود : 1 – ساخت نواحی تزریق شده در سیلیکون برای ساخت اجزاء الکتریکی.

2- رشد اکسید گیت و لایه نشانی غشاء و Metallization و لایه های Passivation ( روکش گذاری شده ) 3 – آزاد کردن غشاء و تشکیل جزیره سیلیکون به وسیله حکاکی تر Anisotropic سیلیکون.

الف – اجزاء الکترونیکی.

فرایند القاء در یک زیر لایه 100 میلی متری سیلیکون ( ntype - 25Ω-cm دو طرفه – صیقلی – ضخامت 400 ) برای تشکیل ماسفت p – well و ناحیه p-doped از دیود و گرمکن حرارتی آغاز می شود.

لایه نشانی و الگو دهی لایه های اکسید CVD که با فسفر و بور تزریق شده اند و در ادامه انتشار اتم های تزریقی برای ایجاد نواحی n+,p+ قطعات الکترونیکی در همین مرحله انجام می شود.

ب –Passivation, Metallization, Membrane بخش دوم با رشد از یک اکسید گیت حرارتی ( 100nm ) و در ادامه لایه نشانی یک لایه سیلیکون – نیترید LPVCD که Low – Stress می باشد، انجام می شود.

سپس، گیت و پیوندها در نیترید ایجاد می شوند.

Metallization به وسیله فرایند تبخیر آلومینیوم لایه نشانی می شود.

( e – beam evaporation ) که بعداً برای بدست آوردن پیوندهای اهرمی روی سیلیکون Anneal ( گرم کردن و به آهستگی سرد کردن ) می شود.

یک راکتور PECVD برای لایه نشانی یک لایه Passivation اکسی نیترید / نیترید سیلیکون استفاده می شود.

( کم استرس – کم کشش ) بعد از الگو دهی لایه Passivation، فلزات Catalytic نازک ( CM:pt,Ir,Pd ) لایه نشانی و الگو دهی و Anneal می شوند.

بنابراین GasFET ها سه فلز Catalytic مختلف ساخته شده دارند و چهارمی گیت آلو مینیومی دارد و می تواند به عنوان مرجع استفاده شود.

ج – میکروماشینینگ توده ای سیلیکون از آنجایی که لایه نشانی لایه های حکاکی CM قبل از میکروماشینینگ توده ای سیلیکون انجام شده است، طرف جلویی ویفر در طول حکاکی طرف عقب سیلیکون در KoH حفاظت می شود.

اول، لایه اکسید رشد یافته حرارتی روی بخش پشتی ویفر برای انجام نواحی جزیره ای سیلیکون الگو دهی می شود.

لایه اکسید به عنوان mask در محلول KoH ) 40 % در ( 60°C در طول حکاکی به عمق سیلیکون که درست مطابق جزیره سیلیکون است، عمل می کند.

سپس، بعد از برداشتن اکسید محافظ سیلیکون کاملاً با استفاده از 52% KoH در 60°C حکاکی می شود.

شکل 3 – 16 منظره پشتی جزیره سیلیکون نهایی تشکیل شده به وسیله حکاکی Anisotropic سیلیکون را نشان می دهد.

یک محلول KoH غلظت 52% برای کاهش نرخ حکاکی سطوح ( 311 ) استفاده می شود.

نسبت میان نرخ های حکاکی در جهات موازی ( جهت ( 311 ) طرح ریزی شده روی سطح ( 100 ) ) و خط عمود ( 100 ) به سطح ویفر ( 100 ) حدوداً برای این محلول KoH برابر 4/1 می باشد.

شکل 3 – 16 با وجود این حقیقت که لایه های اکسید و نیترید مورد استفاده به عنوان غشا در مقایسه با سیلیکون به آهستگی حکاکی می شوند، آزاد سازی غشاء با کنترل زمانی دقیق نرخ حکاکی سیلیکون برای دستیابی به ضخامت جزیره سیلیکون مورد نظر ( ) انجام می شود.

در دستیابی به کنترل دقیق در ضخامت جزیره سیلیکون، متوقف کننده های حکاکی الکترومکانیکی ( etch stop ) می توانند استفاده شوند.

کل فرآیند ساخت با استفاده از 11 ماسک انجام می شود که در 14 مرحله فوتولیتوگرافی ( 4 مرحله برای لایه های CM ) استفاده می شوند.

فرآیند ساخت با استفاده از عایق های گیت مختلف نظیر نیتریدسیلیکون ( si3N4 )،اکسید آلومینیوم و اکسید تانتالیوم ( Ta2o3 ) سازگاری دارد.

دو تای آخری یک mask اضافی نیاز دارند.

د – بسته بندی قطعات ما سفت توده ای ( نه روی غشاها ) روی یک بسته 16 پین DIL ( Dual in line ) کاملاً فلزی با یک مقاومت حرارتی خارجی و سنسور حرارتی دیود sic قرار داده شده بودند.

با توجه به سنسورهای ماسفت کم توان معلق روی غشاها، آنها روی یک بسته 16 پین To-8 سوار بودند.

اجزا در دو مورد با استفاده از چسب ( epo – tek3081 ) ثابت بودند.

Pad ها روی قطعات به پین های بسته با استفاده از روش پیوند اولتراسونیک طلا یا سیم های آلومینیومی متصل بودند.

5 – خصوصیات خصوصیات الکتریکی اجزاء الکترونیکی با استفاده از Parameter Analyzer نیمه هادی شرکت HP انجام میگیرد.

ثابت های زمانی حرارتی به وسیلۀ اعمال یک ولتاژ مربعی ( مولد پالس فیلیپس PM 5705 ) روی گرم کن و مانیتور کردن سیگنال مربعی و ولتاژ دیود در 100 روی یک اسیلوسکوپ ( Tektronix 400 مگاهرتز ) تعیین می شود.

مصرف توان در واحد حرارت به وسیله اندازه گیری دما با استفاده از دوربین مادون قرمز AVI02100، با یک پیکسل رزولوشن212.5* 20 حاصل می شود.

بررسی حرارتی در فشار محیط و دمای اتاق انجام می شود.

رابطۀ مقاومت و ولتاژ R(V) و در بالاترین دما ( T max ) R مانیتور می شود.

شکل 3 – 17 اندازه گیری های حس کردن گاز با استفاده از سیستم Mixing گاز و بینی الکترونیکی انجام می شود.

سیستم Mixing گاز اجازه مخلوط کردن حداکثر 4 نمونه گازی با یک گاز حامل را می دهد.

هیدروژن ( 62.5,125,250ppm ) و آمونیاک ( 40,20,10pmm ) به عنوان نمونۀ گازی و گاز حامل هوای خشک مصنوعی فلوی نهایی 100ml / min بود.

طول پالس نمونه در 30s تنظیم شده بود و زمان بازیابی ( Recovery time ) در گاز حامل 300s بود.

اینها مقادیر مورد استفاده برای کاربرد در بینی الکترونیکی می باشد.

سنسورها به یک PCB متصل شده بودند، که حصول دیتا و کارکردن سنسورها را ممکن می ساخت.

جریانی در حدود 100 برای راه اندازی هم سنسورهای ما سفت و هم سنسورهای دما ( دیود ) استفاده شده بود.

دما در حدود 140°C,170°C تنظیم شده بود که دمای کاری نوعی برای این سنسورها می باشد.

کل عملیات با استفاده از PC مدیریت می شد و نتایج بدست آمده در نرم افزار Senstool مشخص می شد.

نتایج و بحث الف - خصوصیات الکتریکی خصوصیات الکتریکی ما سفت ها و دیود نشان داد که آنها برای کار در دماهای بالا تا حدود 200°c در جریان 100 مناسب هستند.

اضافه شدن این جریان می تواند اجازه کار در دماهای بالاتر ( 225°C در 200 ) را ایجاد کند.

انتخاب دیگر استفاده از یک Retrograded p-well برای مینیمم کردن جریان نشتی در دمای بالا می باشد.

حساسیت دمای دیود اندازه گیری شده در کوره 2.4mV/C° می باشد.

غشا ها در طی گرم شدن داخلی سنسور خم می شوند و بنابراین سیگنال دیود نیز به وسیله تغییر شکل دادن سیلیکون وابسته به خصوصیات پیزو رزیستیو آن تحت تأثیر قرار می گیرد.

بنابراین، دیود قبل از کارکردن برای تعریف رابطۀ ولتاژ در برابر دما و نقطۀ کار درست در 140°C, 170°C باید کالیبره شود.

مقدار گرما دهی مقاومت از مقدار انتظار رفته 225Ω در دمای اتاق بالاتر بود.

مقاومت در 120Ω به وسیله پیشگیری در تعدیل برای طراحی و پردازش، می توانست تنظیم شود.

مقدار مقاومت گرما ده به عنوان تابعی از دما رفتاری بر طبق یک نیمه هادی دارد.آن از دمای اطاق تا رسیدن به یک مقدار ماکزیمم در حدود 150°C افزایش می یابد و سپس کاهش می یابد.

ب – خصوصیات حرارتی مصرف توان کمی ( 90mw ) در دمای کاری 170°C برای آرایه چهار Gas FET در مقایسه با 0.5-1.0w برای یک Gas FET استاندارد وجود دارد.

شکل3 – 18 تغییر دمای سنسور به عنوان تابعی از توان تلف شده به وسیلۀ گرمکن را نشان می دهد.

فرآیند میکروماشینینگ سیلیکون که کنترل بهتری را روی ابعاد جزیره سیلیکون می دهد، می توانست بهتر مورد استفاده قرار گیرد، نظیر استفاده از متوقف کننده های حکاکی الکترومکانیکی.

یک جزیره باریکتر و نازکتر سیلیکون می تواندتلف گرما را به وسیله هدایت و هم رفتی کاهش دهد که این وابسته به فاصله میان جزیره سیلیکون و بدنۀ چیپ و منطقۀ جزیره سیلیکون می باشد.

شکل 3 – 18 ثابت زمانی حرارتی وقتی که گرمکن در 6V پالس می خورد ( 70mw ) برای زمان بالا رفتن ( Rising time ) برابر 65ms و برای زمان خنک شدن ( Cooling time ) در حدود100ms می باشد.

شکل وسط 18 – 3 تغییر ولتاژهای گرمکن و دیود ( در جریان ثابت 100 ) را به عنوان تابعی از زمان نشان می دهد.

جرم حرارتی پائین اجازه کار کردن سنسور را در مد حرارتی پالسی یا سیکلی می دهد، که مصرف توان را کاهش می دهد.

ج – حساسیت های گاز سنسورهای ماسفت کم توان پاسخ های کوچکتری از سنسورهای ما سفت توده ای استاندارد مورد استفاده در S-SENCE دارند، امّا در محدودۀ مفید برای کاربردهای حس کردن گاز مراحل پردازش مختلف مورد استفاده برای ساخت غشاء و کیفیت فلزات Catalytic لایه نشانی شده ممکن است باعث مشاهدات مختلفی شود.

شکل 19-3 حساسیت گاز به هیدروژن و آمونیاک را برای دو ماسفت کم توان پوشیده شده با لایه های نازک Ir و Pt که 8nm ضخامت دارند و در دمای حدود 140°C هستند را نشان می دهد.

حساسیت به گاز خوبی در دمای 170°C مشاهده می شود.

با توجه به نتایج بدست آمده، سنسور ماسفت کم توان برای کاربرد در بینی الکترونیکی مفید است.

تحقیقات بیشتر برای ارزیابی کردن تأثیر دماهای مختلف در طول اندازه گیری های گاز به هدف بهبود حساسیت به گاز و انتخاب گری نیاز می باشد.

شکل 3 – 19 4 – میکرو محرکها ( Micro Actuators ) میکرو محرکها ادواتی هستند که بر دنیای اطراف اثر می گذارند.

مزیت میکرو محرکها این است که مقدار کاری که روی محیط انجام می دهند، بسیار کوچک و در نتیجه بسیار دقیق است.

مزیت دیگرشان، کوچک بودن اندازه آنها است.

هرچه مقدار میکرو محرک بزرگتر باشد، انرژی قابل اعمال توسط آن نیز بیشتر است.

قیمت یک میکرومحرک نیز به اندازه سطح ویفر مصرف شده، متناسب است.

هر چند که پیچیدگی و نسبت منظر آن نیز در تعیین قیمتش مؤثر هستند.

برای ساخت میکرو محرکها از طیف وسیعی از مواد شامل فلزات، پلاستیکها و سرامیکها استفاده می شود.

میدانیم که در دنیای ماکرو، معمولاً محرکها، الکترومغناطیسی هستند.

امّا در دنیای میکرو بخاطر مسائل مربوط به کوچک بودن میکروماشین ها، نیروی الکترومغناطیسی چندان مناسب نیست.

هرچند که کارهایی در مورد محرکهای الکترومغناطیسی نیز گزارش شده است، امّا بیشتر محرکها از قواعد دیگری مثل نیروی الکتروستاتیک برای حرکت کردن استفاده می کنند.

در جدول زیر مثالهایی از میکرو محرکها جمع بندی شده است.

بخاطر کمبود جا این جدول چندان کامل نیست.

جدول صفحۀ : 4- 1 – محرکهای با تحریک جانبی ( Side Drive Actuators ) اصطکاک یک مشکل بزرگ در طراحی میکرو موتورها است.

ضریب اصطکاک بین سطوحی که خیلی صاف باشند، زیاد و متغیر است.

یافتن راههایی برای غلبه بر اصطکاک، باعث پیشرفت مهمی در این رشته خواهد شد.

اولین ایده ای که برای ساخت یک محرک گردان به ذهن می رسد، این است که مطابق شکل زیر دیسک را که دارای تعدادی الکترود به صورت شعاعی است، روی یک صفحه که آن هم دارای الکترودهایی به صورت شعاعی است، قرار دهیم.

شکل 4 – 1 با اعمال ولتاژ بین الکترودهای صفحه و دیسک، نیروهای ایجاد شده بین الکترودها، آنها را به سوی هم می شکند.

مؤلفه مماسی ( افقی ) این نیروها، باعث می شود که این دیسک آن قدر بچرخد که دو الکترود روی هم قرار گیرند.

متأسفانه در این حالت یک مؤلفه عمودی نیرو نیز وجود دارد که دیسک را به سمت صفحه زیرین فشار می دهد.

این باعث می شود که نیروی اصطکاک افزایش یابد.

و دیسک ممکن است اصلاً از جایش تکان نخورد.

یک ایده هوشمندانه برای حل این مشکل، تحریک جانبی ( Side Drive ) است.

همان طور که در شکل زیر مشاهده می شود، الکترودها دور محیط دیسک قرار داده شده اند.

شکل 4 – 2 با قراردادن متقارن و روبروی هم الکترودها، در اطراف دیسک، نیروهای مخالف هم مؤلفه شعاعی را خنثی می کنند.

مؤلفه های اصلی این نیروها دیسک را به سمت Substrate فشار نمی دهند.

این الکترودها و دیسک با فرآیند میکروماشینینگ سطحی ساخته می شوند.

البته خطاها و عدم تقارن هایی که در ساخت الکترودها وجود دارد، نیروهای کوچک نا متوازنی ایجاد می کنند که باید با آنها مقابله شود.

یک روش دیگر برای غلبه بر نیروی عمودی، قرار دادن دیسک بین دو ساختار است، یکی سقف بالا و یک لایه سطح Substrate در پایین.

الکترودهایی که روی سقف Substrate ایجاد شده اند، برای راندن موتور استفاده می شوند.

در این جا نیروی جاذبه ای که از طرف دو لایه زیری و رویی به دیسک اعمال می شوند، یکدیگر را خنثی می کنند و تقریباً نیروی عمود وارد بر سطح صفر است.

در ابتدا در سیستم هایی که به این روش ساخته شدند، سقف رویی خیلی نازک بود.

به همین دلیل این لایه در اثر نیروی الکتروستاتیک به سمت پایین خم می شد و با دیسک تماس پیدا می کرد.

با ضخیم کردن سقف این مشکل بر طرف شد.

یک مزیت این ساختار نسبت به ساختار با تحریک جانبی، بالاتر بودن خازن بین الکترودهای آن است که باعث افزایش گشتاور می شود.