מבוא למערכות MEMS 83-645-01

מבוא למערכות MEMS83-645-01 Meir Danino 2013/14 Faculty of Engineering Bar- Ilan University סמסטר א' יום שני 10-12

מבוא למערכות MEMS תשע"ד - הצוות • מרצה מאיר דנינו- פרופסור אורח (לפיסיקה) • 30 שנה בתעשייה האלקטרואופטית • מרצה במחלקה להנדסה (חדר 441) • meir@danino.org • 052-4833-062 • מתרגל שחר לוי- מדריך • תואר שלישי הנדסה בר אילן (חדר 466) • מייל: leshahar@gmail.com

Course Outline • מבוא לסנסורים: פרמטרים • מערכות MEMS :מה, איך ולמה • הרעש במערכות קטנות • החדר הנקי :איך ולמה, כימיה • ואקום • תהליכי ייצור ב- MEMS • Layer deposition • Sputtering • Layer bonding • Photolithography • Chemical cleaning • Chemical Etching • Optical Mems • רכיבי MEMS מיוחדים ע"י הסטודנטים----> • רכיבי MEMS מיוחדים : • RF micro switches • RF micro resonators • Biomedical devices • Optical switches • Digital micro display • Inkjet nozzle head • Silicon microphones • Micro spectrometers • Lab on chip • Drug delivery systems • Micro Bolometer • Epitaxial InSb detector • IR - MCT detectors • XBn device

מבנה העבודה • תיאור הרכיב • פונקציות תפקודיות • פרמטרים פיסיקאליים/ כימיים • שיטות הייצור • כימיות, אופטיות, אחרות • בעיות מיוחדות • רעש, רגישות, קירור, רעידות וכו' • רכיבי MEMS מיוחדים : • RF micro switches • RF micro resonators • Biomedical devices • Optical switches • Digital micro display • Inkjet nozzle head • Silicon microphones • Micro spectrometers • Lab on chip • Drug delivery systems • Micro Bolometer • Epitaxial InSb detector • IR - MCT detectors • XBn device

Books • Madou, M. J., Fundamentals of Microfabrication: The Science of Miniaturization. 2nd ed., CRC, 2002. • *Madou, M. J., Fundamentals of Microfabrication and Nanotechnology, CRC 2012 (3V.) • Senturia, S. D., Microsystem Design. Kluwer, 2001. • Sze, S. M., Semiconductor Sensors. Wiley-Interscience, 1994. • Kovacs G. T. A., Micromachined Transducers Sourcebook. McGraw-Hill, 1998. • *Ville Kaajakari, Practical MEMS, Small gear publishing, 2009. • *MinhangBao, Analysis and Design Principles of MEMS Devices, Elsevier, 2005.

מקורות • הספרים שצוינו לעיל, בעיקר: • Madou, Sze, Senturia, VK • רשימות של פרופ' רונן אלמוג (הטכניון) • הרצאות שהועברו בבר אילן לפני שנתיים • רשימות של ד"ר עדי ברעם וד"ר יעל חנין (ת"א) • הרצאות שהועברו באוניברסיטת ת"א לפני שנתיים • ויקיפדיה • בעיקר הגדרות של תהליכים כימיים וחומר רקע

מטלות הקורס • השתתפות בהרצאות • הגשת תרגילים: עבודות לפי הוראות המדריך (~10%) • בוחנים (רב ברירה?)(25-30% כל בוחן) • שאלות תיאורטיות על החומר הנלמד בקורס (בוחן אחרי חנוכה – דצמבר 13) • שאלות תיאורטיות על החומר שהועבר בהרצאות החברים (בוחן בשיעור האחרון 13.1.2014) • כל תלמיד יכין עבודה ויציגה במצגת שתימשך כחצי שיעור(~ 30%) • התלמיד יוכל להציע נושא לעבודה בנושא הנדון [אפשר קרוב לתחום המחקר שלו] או כל נושא מהרשימה דלעיל עד חופשת החנוכה לאישור הצוות. • בחירת הנושאים היא על בסיס כל הקודם זוכה.... כדאי להזדרז. • הטיוטה תוגש לאישור הצוות עד שבועיים לפני ההרצאה. • המצגות יוצגו לפני כל התלמידים במועד מתואם לאחר החנוכה. • כל מרצה יציג דף סיכום (עד 500 מילה) של ההרצאה שלו שתהווה בסיס לבוחן • ההרצאות יועברו 3 ביום (שתיים במהלך ההרצאה ואחד במהלך התרגיל) במשך 4-5 שבועות לאחר החנוכה

מבוא למערכות MEMSהרצאה מס' 1- מבוא לסנסורים (Sce-1)ראשי פרקים • מה זה מחוש/סנסור • מה תפקידו במערכת • סיווג המחושים • אפיון פרמטרי המחושים • התפתחות הטכנולוגית • התפתחות היסטורית • מימדי המחושים • השוק העיקרי

מחושים מוליכים למחצה • המילה "מחוש" (sensor)שרשה ב"חוש" (sense) המרמזת על קשר ל"חושים" האנושיים המזהים אותות שונים (אור, קול, יש/חום, טעם וריח) ומעבירה אותם למוח כאות של זרם חשמלי. • ההגדרה המילונית למחוש היא: • רכיב המגיב לגירוי פיזיקאלי/כימי, (כגון: חום, אור, קול, לחץ, מגנטיות או תנועה מסויימת) ומעביר פלט מוסכם. • מחושים חצי מוליכים מבוססים על חומרים חצי מוליכים המהווים את המחוש עצמו או את הבסיס למחוש כאשר עליו מצמידים חומרים שונים (מתכות, מבודדים, חומרים ביולוגיים, כימיים וכו') בהתאם לצורך. • הייחודיות של המחושים המשולבים היא בעיקר בגודלם הקטן ובטכניקת הייצור המאפשרת שילוב הרכיב בתוך מעגל מיקרואלקטרוני (IC)

מחוש / מתמר transducer • לפעמים נהוג להשתמש במילה "מתמר" transducer • "מתמר" משמעותו ממיר (או מעביר) אינפורמציה או אות מצורה אחת לשניה • בדרך כלל הוא מעביר אנרגיה או אותות אחרים(נושאי אנרגיה) מצורה פיסיקאלית אחת לצורה אחרת • למעשה כמעט ואין הבדל בין "מחוש" ל"מתמר" • מחוש מבצע פעולת התמרה ולכן הוא גם מתמר • המתמר חייב לחוש אותות פיסיקאליים או כימיים לכן יש בו מחוש • בדרך כלל נקרא בשם "מחוש" לרכיב במערכת המגלה או מודד אות קלט (input) • מאידך, נקרא בשם "מתמר" לרכיב המבצע פעולות "המרה" עוקבות במערכת מדידה או בקרה

מערכת חישה טיפוסית קלט: כימית, חשמלית, מגנטית, מכנית, קרינה,חום פלט: חשמלית,קולית מגנטית, כימית, מכנית, קרינה, חום

סיווג המחושים • נסווג את המחושים לפי: • האנרגיה המומרת • האות הנמדד • סוג הפלט (חשמלי, אור, קול) • הפלט בדרך כלל הוא חשמלי: • הוא מתאים כמעט לכל צורת אנרגיה • המעגלים המשולבים, IC , מאפשרים: הגברה, סינון, אפנון וכו' • מתאים לכל צורת הקלטה /או תצוגה • מועבר בקלות ממקום למקום • פלט אחר: • אור, להתראה או להעברה בסיב • קול, להתראה מיידית

סוגי האנרגיות המומרות • אנרגיה אטומית - כוחות בין גרעין ואלקטרון • אנרגיה מולקולארית – אנרגית קשר כימי • אנרגיה חשמלית – משתייך לשדה, זרם, מתח וכו' • אנרגיה מגנטית – היחס לשדה מגנטי, השראה וכו' • אנרגית כבידה – משיכת הארץ לגוף...במקום • אנרגיה מכנית – תנועה, העתקה, כוח.... • אנרגית קרינה – א"מ, רדיו, מיקרו, גמ"ם, א"א, אור נראה, א"ס, קרינת X , γ • אנרגית חום – אנרגיה קינטית של אטומים ומולקולות • אנרגיית מסה – מתייחס לנוסחאת איינשטיין E=mc2 • אנרגיה גרעינית – הקשר בין נוקליאונים סה"כ 6 סוגי אותות: כימית, חשמלית, מגנטית, מכנית, קרינה,חום

צורת הפלט השולטות • המועדף הוא כמובן הפלט החשמלי משום ש: • בכל חומר יש אלקטרונים וכל שינוי בתכונות החומר יוצר קודם שינוי בתכונות החשמליות שלו. לפיכך מערכת חשמלית תתאים לכל גודל נמדד. • עיבוד באינסוף אופנים בתחום החשמלי (הגברה, סינון, איפנון, ועוד) • אפשרויות רבות לתצוגה והקלטה • ניתן להעברה לכל מקום באמצעים פשוטים • השני ומתפתח הוא הפלט האופטי משום ש: • מתאים לחומרים מוליכים למחצה המהווים את הבסיס לסנסורי MEMS. • ניתן לעיבוד בסיסי(הגברה, סינון, איפנון, ועוד) • אפשרויות מתפתחות לתצוגה והקלטה • ניתן להעברה מהירה בצפיפות גדולה מאד

גדלים נמדדים 1 measurands • אקוסטי • גלים; (עצמה, מופע, קיטוב, ספקטרום) ומהירות • ביולוגי • ביו-מסה (זיהוי, ריכוז, מצב...) • כימי • רכיבים כימיים (זיהוי, ריכוז, מצב...) • חשמלי • מטען, זרם, פוטנציאל, מתח, • שדה (עצמה, מופע, קיטוב, ספקטרום), מוליכות, רשיות • מגנטי • שדה (עצמה, מופע, קיטוב, ספקטרום), שטף, רשיות

גדלים נמדדים 2 measurands • מכני • מיקום (לינארי, זוויתי) מהירות, תאוצה, כח, מאמץ, • לחץ, מסה, צפיפות, מומנט סיבוב, צמיגות, מהירות זרימה, קצב העברת המסה, צורה, גבישיות, שלמות מבנית, קשיחות, חספוס, תאימות • אופטי • גלים; (עצמה מופע, קיטוב, ספקטרום) ומהירות • קרינה • סוג, אנרגיה, עצמה • תרמי • טמפרטורה, שטף, חום סגולי, מוליכות

תכונות הסנסור 1- טכנולוגית • תנאי תפקוד מותרים ((Ambient conditions • תחום דינאמי של הפלט (Full Scale Output) • חשל (hysteresis) • לינאריות (Linearity) • טווח מדידה (MeasurandRange) • היסט (Offset) • משך חיים פעיל (Operating Life) • פורמט הפלט (Output Format) • אופי העמסת היתר (Overload Characteristics) • חזרתיות(repeatability) • כושר הפרדה(resolution) • ברירתיות (Selectivity) • רגישות (Sensitivity) • מהירות תגובה (Speed of response) • יציבות (Stability)

תכונות הסנסור 2 אמצעי החישה • ביולוגי • כימי • חשמלי, מגנטי או גא"ם • חום, (שינוי) טמפרטורה • העתקה מכנית (או תנודה) • רדיואקטיביות, קרינה

תכונות הסנסור 3 התופעה הממירה • בילוגי • טרנספורמציה ביוכימית, פיסיקאלית, השפעה על אורגניזם הבוחן, ספקטרוסקופיה • כימי • טרנספורמציה כימית, פיסיקאלית, תהליך אלקטרוכימי, ספקטרוסקופיה • פיסיקאלי • טרמואלקטרי, פוטואלקטרי, פוטומגנטי, מגנטואלקטרי, אלסטומגנטי, טרמואלסטי, אלסטואלקטרי, טרמומגנטי, טרמואופטי, פוטואלסטי

פירוט הפרמטרים הטכנולגיים - א • תנאי תפקוד מותרים ((Ambient conditions • לתנאי הסביבה השפעה רבה על תיפקוד הסנסור בינהם: טמפרטורה, לחץ (גובה), לחות, חלודה, תאוצות, תנודות, הלם ותאימות א"מ • תחום דינאמי של הפלט (Full Scale Output -FSO) • ההפרש בין הערכים הקיצוניים של הפלט. • הערך המקסימאלי של הפלט נקרא FS

פירוט הפרמטרים הטכנולגיים - ב • חשל (hysteresis) • ההפרש המקסימאלי בין ערכים שונים של אותה המדידה המתבצעת בעלייה מול זו המתבצעת בירידה. ה"חשל" מבוטא באחוזים כחלק מה FSO • לינאריות (Linearity) • מידת הקירבה של גראף הכיול לקו ישר מוגדר. נמדדת כמקסימום הסטיה מהקו הישר ומבוטא כאחוז של ה FSO . כשהישר שהוגדר מחבר את קצות תחום המדידה הוא נקרא לינאריות מבוססת קצוות.

פירוט הפרמטרים הטכנולגיים - ג • טווח מדידה (Measured Range) • נתוני מקסימום ומינימום של הגודל הנמדד במערכת (ברמת הדיוק והאמינות הנדרשים) • היסט (Offset) • ערך הפלט כאשר הגודל הנמדד הוא אפס (בתנאים סטנדרטיים) • משך חיים פעיל (Operating Life) • הזמן המינימאלי שהסנסור אמור לתפקד ברציפות או מספר מחזורי הדלקה-כיבוי ללא פגיעה בביצועים. (נושא קשור MTBF) • פורמט הפלט (Output Format) • אנאלוגי או דיטאלי(לפעמים עם שמע, תצוגה וכו')

פירוט הפרמטרים הטכנולגיים - ד • אופי העמסת היתר (Overload Charachteristics) • הערך המקסימאלי האפשרי עבור העמסת הגודל הנמדד באופן שלא יגרום לירידת ביצועים משמעותית (או מוגדרת). מאפיין נוסף חשוב באותו התחום הוא זמן ההתאוששות של הסנסור אחרי חשיפה לעומס יתר. • חזרתיות(repeatability) • היכולת לתת את אותה התוצאה (בדיוק מסווים) עבור סדרת מדידות עוקבות באותם תנאים עבור אותו גודל נמדד. החזרתיות היא הסטיה המקסימאלית ומבוטאת כאחוז של FSO • כושר הפרדה(resolution) • השינוי המינימאלי בגודל הנמדד הגורם לשינוי בערך הפלט. אם השינוי הוא ביחס לאפס זה גם נקרא סף המדידה • ברירתיות (Selectivity) • היכולת של הסנסור למדוד גודל נמדד מסוים (למשל חומר כימי) בנוכחות גורמים אחרים.

פירוט הפרמטרים הטכנולגיים - ה • רגישות (Sensitivity) • היחס בין שינוי ערכי הפלט ביחס לשינוי המתאים בערכי הקלט הנמדד. זהו בעצם השיפוע של עקומת הכיול (במצב לינארי) או הנגזרת (במצב האחר). הרגישות הרצוייה תהיה מה שיותר גבוהה וכמעט קבועה. • מהירות תגובה (Speed of response) • הזמן שעובר מרגע תחילת המדידה (או הופעת הגורם הנמדד בזירה) ועד לשינוי ערך הפלט בשיעור 63% מהמצופה. (דומה ל RC) • יציבות(Stability) • הסטייה המקסימאלית שהמדידה מראה עבור הכיול הראשוני לאחר זמן מוגדר. (לפעמים מתייחסים לזמן הנדרש לביצוע כיול מחודש)

MEMS – what is it? • הגדרה מדוייקת קשה לניסוח • הרעיון לעומת זאת מוסכם על הכל • בד"כ רכיב MEMS מציג פרדיגמה לייצור או ליישום • כלומר שינוי קיצוני בגודל, במחיר, בזמינות ובתאימות למערכות שונות • לדוגמא: • מד אוץ זעיר מסיליקון החליף למעשה את מדי האוץ הפייצואלקטריים • הם לא רק קטנים הרבה יותר, גם תהליכי הייצור שלהם (אצווה גדולה) מאפשרים שילובם במעגלים אלקטרוניים (IC) • הייצור של אלפי רכיבים על פיסה (WAFER) אחת הופך אותם לשווים לכל כיס • העובדה הזו איפשרה לא רק שימוש נרחב במדי אוץ במקומות המסורתיים אלא הביאה אותם למוצרים ושווקים חדשים

התפתחות במוצר: סנסור דיאפרגמה למדידת לחץ הקטנה פי 50 ! מ 1 ס"מ ל 200 מיקרון

ממדים

MEMS – Micro Electro-Mechanical SensorMOEMS – Micro Opto-Electro-Mechanical Sensor

דוגמאות

ביולוגי

מיקרו-זרימה

ביו-סנסורים ננו-מכניים

מיקרו-מנוע אלקטרוטאטי על פולי-סילקון

רכיבים ותהליכים של מיקרו-ננו חדשים

Multy User MEMS processes

יישומים

קצב הגידול

מבוא למערכות MEMS 83-645-01