Villamosmérnöki Tudományok Doktori Iskola 

BME VIK, Elektronikus Eszközök Tanszéke 

Témavezető: Dr. Székely Vladimir

Mikroszenzorok és beavatkozók modellezése és karakterizációja

A kutatási téma néhány soros bemutatása

A modern érzékelő és beavatkozó rendszerek meghatározó elemei az úgynevezett mikro-(opto)elektromechanikus (M(O)EMS) szerkezetek. Ezek jellemzően olyan egy millimétertől egy mikrométer hosszúságig terjedő eszközök, melyek az elektromágneses-, optikai-, kémiai-, termikus és mechanikus tulajdonságaikat kihasználva elektromos jelet állítanak elő egy áramkör számára vagy beavatkoznak a környezetükbe. Kutatásaim során ilyen mikroszerkezetek vizsgálatával foglalkozom, és ennek során olyan karakterizációs eljárásokat és modelleket alkottam, melyek hozzájárulhatnak a jövőbeli mikrorendszerek optimális tervezéséhez.

A kutatóhely rövid bemutatása

Kutatásaimat a BME Elektronikus Eszközök Tanszékén végzem. A Tanszékünk nagy nemzetközi elismertségnek örvend elektronikus eszközök termikus vizsgálatainak területén, ahol eredményeink világszínvonalúak és világszerte ismertek. Mindezek mellett magas szintű kutatás és ehhez szorosan kapcsolódó oktatás folyik mikro és nanotechnológiai eszközök, VLSI elektronika, félvezető érzékelők és beavatkozók területén.

A kutatás történetének, tágabb kontextusának bemutatása

Napjainkban a mikroszenzorok és beavatkozók egyik legnagyobb felhasználási területe a közlekedés-biztonságtechnika, ahol a legkifinomultabb rendszerek a gépkocsik és repülők érzékelőiben találhatóak meg. Ilyen eszközök működnek azonban tűzjelző rendszerekben, ujjlenyomat olvasókban, okostelefonokban és számos egyéb berendezésben is [1]. Mindezeken túlmenően számos kutatóintézetben foglalkoznak olyan megoldásokkal is, melyek segítségével korábban elképzelhetetlen orvosi alkalmazások is valóra válhatnak.

 

1. ábra Okostelefon és érzékelői

 

Mielőtt a mikrorendszerek vagy MEMS-ek belekerülnek a mindennapjainkban használt érzékelő rendszerekbe, a kezdeti kísérletektől számítva még számos fejlesztési cikluson mennek keresztül. Az eszközök tervezéséhez ugyanis ismerni kell a részletes működésüket, melyekhez elengedhetetlenek a pontos és helytálló fizikai-, illetve viselkedési modellek. Az anyag - és fizikai paraméterek meghatározásához a fejlesztések első szakaszában rendszerint tesztstruktúrákat gyártanak, melyeket a különböző karakterizációs eljárások eredményeitől függően optimalizálnak [2]. Szükséges felkészülni az előre nem várt kereszteffektusokra is, melyek befolyásolhatják a működést.

Mindezek mellett jelentős igény van arra is, hogy a már elkészült mikrorendszereket képesek legyünk lemérni és megállapítani az esetleges meghibásodások vagy helytelen működés okát. Ehhez az eszközök tesztelhetőre tervezése (DfT - Design for Testability) mellett új áramköri és méréstechnikai megoldások is szükségesek lehetnek. A mérési stratégia kidolgozásánál komoly figyelmet kell fordítani arra, hogy már maga a mérés is beleszólhat az eszköz működésébe vagy a zajok elnyomhatják a hasznos jelet.

A kutatás célja, a megválaszolandó kérdések

Kutatásaim során két különböző elven működő mikrorendszert vizsgáltam meg. Egyik szerkezetben elektromechanikus elmozdulást lehet előidézni. A vizsgálatoknál elsődleges célom a struktúra elektromos gerjesztésre adott dinamikai válaszának vizsgálata, csupán a külső elektromos jelek alapján. Ez különösen nehéz feladat, mivel a válaszjel általában alacsony amplitúdójú, melyet a környező elektromos zajok elnyomhatnak. Kiemelten fontos volt a számomra, hogy olyan eljárást találjak, mellyel tokozott eszközök is vizsgálhatóak, melyeket optikailag már nem lehet megfigyelni.

 

2. ábra Elektrosztatikus MEMS

 

A másik szerkezetben termoelektromos effektusok felelősek a működésért. Itt a legfontosabb célom egyrészről, hogy olyan mérési eljárásokat dolgozzak ki, melyekkel a dinamikus és statikus paraméterek is felderíthetőek, másrészről pedig, hogy a mérések alapján kimutassak eddig nem vizsgált jelenségeket és összefüggéseket. Ilyen jelenség lehet a hőmérsékletfüggő paraméterek hatása a spektrumban vagy a szimmetrikus struktúrán kialakuló aszimmetrikus hőeloszlás. Ezen effektusokat figyelembe kell venni a dinamikus és statikus paraméterek meghatározásánál is, mert különben hibás eredményeket kaphatunk.

 

3. ábra Elektrotermikus mikrorendszerek

 

A termoelektromos mikrorendszereknél további célom volt, hogy létrehozzak egy olyan áramköri helyettesítő képet is, mellyel egyrészről magyarázhatóak a fenti effektusok, másrészről pedig támpontot adhatnak a szenzortervező mérnököknek is a termoelektromos átalakítók tervezéséhez.

Módszerek

MEMS-ek „vak” mérése

Elektrosztatikus MEMS-eknél jellemzően a szerkezetre rákapcsolt feszültség következtében létrejövő erőhatás által keltett mechanikai elmozdulás végzi a működtetést. A szerkezetek mozgása és a gerjesztő feszültség következtében kialakuló töltésmozgás között analitikus összefüggések állíthatók fel, melyek speciális mérőkapcsolásokkal ellenőrizhetők. Éppen ezért célszerű alávetni a struktúrákat tranziens vizsgálatoknak, melyekből meghatározhatók a dinamikai paraméterek. A mérések során egy egységugrás gerjesztést adunk szerkezetre és a kialakuló töltésmozgást figyeljük meg. A töltések kis száma miatt azonban a mérés meglehetősen zajérzékeny, melyre külön figyelmet kell fordítani. A vizsgálandó MEMS-ek geometriai kialakításától függően többfajta dinamikai analízis is elvégezhető optikai megfigyelés nélkül, mint például a rezonanciafrekvencia vagy a behúzó feszültség megállapítása.

 

4. ábra Ütközőkkel rendelkező MEMS sematikus rajza

5. ábra "Vak" mérés kapcsolása

 

Termikus tranziens tesztelés

A félvezető eszközök hőellenállásának és hőkapacitásának meghatározására az egyik elterjedt módszer a nemrégiben JEDEC szabvánnyá vált termikus tranziens mérés [3]. A szabványleírástól eltérően azonban az eljárás nem csupán tranzisztorok, diódák és tokozásaik, hanem egyéb struktúrák karakterizálására is alkalmas, így célravezető a MEMS-ek mérésére is igénybe venni. Mivel azonban a mikrorendszerek milliszekundumos termikus időállandóval rendelkeznek, ezért fel kell készülni olyan esetekre is, amikor külső elektromos áthallások miatt nem lehet megfelelő pontossággal meghatározni a termikus paramétereket. Ilyenkor szükséges lehet a standard méréshez további feldolgozási lépéseket illeszteni, mellyel a mérés pontossága javítható.

 

6. ábra Termikus tranziens tesztelés folyamata

 

Hőmérsékleti hatásokat kiküszöbölő mérőkapcsolások

A mikrorendszerek mérésénél jellemző probléma a zajérzékenység mellett, hogy nem várt másodlagos jelenségek is befolyásolhatják a működést, melyekkel a mérések megkezdése előtt számolni kell. Egyik lehetséges problémaforrás, hogy a µm nagyságrendű méretek miatt még kis amplitúdójú mérőjelet használva is pontatlan eredményt kapunk. Ilyen eset alakulhat ki például egy mikroméretű félhíd végén elhelyezett poliszilícium ellenállásmérésénél. A kialakuló áramsűrűség következtében ugyanis olyannyira megnőhet a hőmérséklet, hogy pontatlan ellenállást mérhetünk, ami kifejezetten hátrányos, ha olyan eszközt szeretnénk pontosan karakterizálni, amelyik működése elektrotermikus csatolásokon alapszik. Habár könnyen kialakítható olyan kapcsolás, ami nem növeli meg az ellenállás hőmérsékletét, mégis jól mutatja ez az eset, hogy elővigyázatosságot igényel a csatolt fizikai effektusok révén működő eszközök vizsgálata.

Modellezés

A mikrorendszerek várható viselkedése előrevetíthető végeselem vagy áramköri szintű viselkedésszimulációkkal [4]. A tudományos kutatások számára is elérhető modern szimulátorok segítségével pontosan megfigyelhetők a kereszteffektusok következtében létrejövő fizikai tartományok közötti kölcsönhatások (elektromechanikus, elektrotermikus). A kapott megoldások pedig összevethetőek a mérések eredményeivel.

Eddigi eredmények

„Vak” mérés

A „vak” méréseknél kezdetben olyan alapvető mechanikai jelenségeket sikerült megfigyelni, mint például a szerkezet rugóinak mechanikai rezonanciafrekvenciája vagy csillapítása. Olyan struktúráknál, amelyek ütközőkkel (bumper) is rendelkeztek, észlelhető volt a mechanikai felütközés (pull-in), továbbá az analitikai képletek segítségével sikerült meghatározni az elmozdulás és a sebesség függését az idő függvényében, csupán az elektromos válaszjelek alapján. Mindezeket összevetve, az árammal és a töltéssel kifejezhető egy kapacitás-elmozdulás függvény is.

 

7. ábra Elektrosztatikus MEMS mozgórészének a sebessége az elmozdulás függvényében különböző gerjesztések esetén

 

Elektromos csatolások kiszűrése termikus tranziens méréseknél

Az egy nagyságrendbe eső termikus és elektromos időállandók szétválasztása elengedhetetlen a termikus paraméterek meghatározásához. Jelen kutatásom eredményeképpen kidolgoztam két módszert is, mellyel szétválaszthatók az egységugrás gerjesztés hatására létrejövő elektromos és termikus tranziensek is a válaszban. Habár ez a két módszer még csak egy adott struktúrán lett tesztelve, könnyen általánosíthatók más félvezető eszközökre is.

 Aszimmetrikus hőeloszlás, és hőmérsékletfüggő paraméterek hatása

A vizsgált szimmetrikus geometriájú szerkezeteken aszimmetrikus hőeloszlás alakult ki Az ellenállásokon termelődő hő mellett ugyanis az alumínium-poliszilícium kontaktusokon Peltier-effektus indukálódott. Kimutatható, hogy ez a jelenség nem befolyásolja a működést megfelelő geometriai kialakítás mellett (sorba kötött termoelemek). Más elemeket megfigyelve azonban bizonyos mérési összeállításokra hatással lehet ez az aszimmetria (párhuzamos ellenállás kontaktusain Seebeck-effektus alakul ki). Mindezeken felül a hőmérsékletfüggő paraméterek is komoly hatással vannak a működésre, mely nem csak speciális mérőkapcsolások kialakításánál figyelhető meg, hanem például a spektrumban is, ahol páros számú felharmonikusokat eredményeznek.

 

8. ábra Végeselem szimuláció: modell és hőeloszlás

 

Áramköri helyettesítő kapcsolás

A vizsgálatoknak és az elméleti megalapozásoknak köszönhetően az elektrotermikus mikrorendszernek elkészült egy olyan áramköri helyettesítőképe, ami pontosan leírja a termikus tartományt, tartalmazza a csatolt fizikai jelenségeket és a hőmérsékletfüggő paramétereket is. Mindezeken túlmenően a termikus részben helyet kap a körülvevő levegő hővezetése is, mely segítségével később beépíthető lehet a levegő nyomása is a helyettesítőképbe.

 

9. ábra Elektrotermikus mikrorendszer áramköri helyettesítőképe

Várható impakt, további kutatás

Az elektrosztatikus elven működő mikrorendszerek „vak” mérése lehetőséget teremt a tokozott alkatrészek pontos elektromechanikai karakterizálására anélkül, hogy vizsgálatok során károsodást szenvedne a szenzorstruktúra (gyorsulásérzékelő, giroszkóp, etc.).

Az elektrotermikus átalakítók karakterizációs eljárásai és speciális mérési kapcsolásai más, hasonló elven működő rendszerek leírására is alkalmazhatóak (IR szenzor, THz érzékelő, etc.).

A feltárt másodlagos effektusok és kifejlesztett áramköri helyettesítő kép felhasználhatók az alkalmazott kutatási feladatokon túlmenően, adott specifikáció szerinti tervezéskor, melynek következtében optimális működés érhető el egy későbbi kereskedelmi forgalomba kerülő eszköznél. Az áramköri helyettesítőkép további előnye, hogy segítségével lehetőség nyílik a kiértékelő elektronikai egységek gyors és pontos tervezéséhez.

Saját publikációk, hivatkozások, linkgyűjtemény

Kapcsolódó saját publikációk listája.

 

V. Székely, P. G. Szabó

Blind tracing of mechanical movement ind electrostatic MEMS structures.

ANALOG INTEGRATED CIRCUITS AND SIGNAL PROCESSING 71:(1) pp. 11-21. (2012)IF: 0.452

 

Péter G. Szabó, Vladimír Székely

Investigation of parallel heat flow path in electro-thermal microsystems.

MICROSYSTEM TECHNOLOGIES 17:(4) pp. 533-541. (2011)IF: 1.069

 

V. Székely, P. G. Szabó

Blind Tracing of Mechanical Movement in Electro-static MEMS Structures.

In: Bernard Courtois, Jean-Michel Karam, Ryutaro Maeda, Pascal Nouet, Peter Schneider, Hsiharng Yang (szerk.)Collection of Papers Presented at the Symposium on Design, Test, Integration and Packaging of MEMS and MOEMS (DTIP'10). Sevilla, Spanyolország, 2010.05.05-2010.05.07. pp. 39-43.(ISBN: 978-2-35500-011-9)

 

Péter G. Szabó, Vladimír Székely

Investigation of Parallel Heat-flow Path in Electro-thermal Microsystems.

In: Bernard Courtois, Jean-Michel Karam, Ryutaro Maeda, Pascal Nouet, Peter Schneider, Hsiharng Yang (szerk.)Collection of Papers Presented at the Symposium on Design, Test, Integration and Packaging of MEMS and MOEMS (DTIP'10). Sevilla, Spanyolország, 2010.05.05-2010.05.07. pp. 215-220.(ISBN: 978-2-35500-011-9)

 

Péter G. Szabó, Vladimír Székely

Crosstalk Compensation in Thermal Transient Measurements.

In: Proceedings of the 16th International Workshop on THERMal INvestigation of ICs and Systems (THERMINIC'10). Barcelona, Spanyolország, 2010.10.06-2010.10.08. pp. 24-27. Paper 36. (ISBN: 978-2-35500-012-6)

 

Péter Gábor Szabó, Vladimír Székely

Characterization and modeling of electro-thermal MEMS structures.

MICROSYSTEM TECHNOLOGIES 15:(8) pp. 1293-1301. (2009)IF: 1.025

 

P. G. Szabó, V. Székely

Characterization and Modeling of an Electro-thermal MEMS Structure.

In: Victor M Bright, Tarik Bourouina, Bernard Courtois, Marc Desmulliez, Jean Michel Karam, Gou-Jen Wang (szerk.)Collection of Papers Presented at the Symposium on Design, Test, Integration and Packaging of MEMS/MOEMS (DTIP'08). Nice, Franciaország, 2008.04.09-2008.04.11. pp. 350-354.(ISBN: 978-2-35500-006-5

 

B. Németh, P. G. Szabó, V. Székely

Design, Simulation and Measurements of MEMS Test Structures.

In: Proceedings of the 6th Electronic Circuits and Systems Conference (ECS'07). Bratislava, Szlovákia, 2007.09.06-2007.09.07. pp. 49-54.

 

Linkgyűjtemény.

 

BME Elektronikus Eszközök Tanszéke

MEMSnet

 

Hivatkozások listája.

 

1. Mohamed Gad-el-Hak „The MEMS Handbook, Second Edition”, CRC Press, 2005
2. Martin von Arx, Oliver Paul, Henry Baltes. Process-Dependent Thin-Film Thermal Conductivities for Thermal CMOS MEMS. 2000.
3. Electronic Industries Association, “Transient Dual Interface Test Method for the Measurement of the Thermal Resistance Junction-to-Case of Semiconductor Devices with Heat Flow Through a Single Path”, EIA / JEDEC Standard, JESD51-14, 2010 [www.jedec.org]
4. R. Neul. Modeling and Simulation for MEMS Design, Industrial Requirements. Nanotech 2002 Vol. 1 - Technical Proceedings of the 2002 International Conference on Modeling and Simulation of Microsystems, pages 6–9, 2002.