Embed Size (px)
Citation preview
İSTANBUL TEKNİK ÜNİVERSİTESİ FEN BİLİMLERİ ENSTİTÜSÜ
PİEZOREZİSTİF TABANLI MEMS BASINÇ SENSÖRÜNÜN TASARIMI VE ANALİZİ
YÜKSEK LİSANS TEZİ Mak. Müh. Erdem ÇELİK
503041305
NİSAN 2007
Tezin Enstitüye Verildiği Tarih : 2 Nisan 2007 Tezin Savunulduğu Tarih : 5 Nisan 2007
Tez Danışmanı : Doç.Dr. Levent TRABZON
Diğer Jüri Üyeleri Doç.Dr. Şafak YILMAZ
Doç Dr. Sebahattin GÜRMEN
ii
ÖNSÖZ
Bu çalışmanın hayata geçirilmesinde fikir babası olan, başından sonuna kadar değerli bilgileriyle her zaman büyük destek veren, düşünceleriyle bana yol gösteren ve en olumsuz anlarda beni teşvik eden sayın hocam Doç. Dr. Levent TRABZON’a, Bütün süreçlerde yardımını esirgemeyen yakın arkadaşım Mak. Müh. Önder TÜRKMEN’e, Tez çalışmamın en önemli kısmını teşkil eden tasarım programı Coventor Ware 2006’yı değerli vakitlerinden fedakarlık ederek bilgi ve deneyimlerini benimle paylaşan Elk. ve Hab. Yüksek Müh. Ahmet KUZU’ya, Yine Coventor Ware ve MultiMEMS ile ilgili çok değerli bilgilerini benimle paylaşan Vestfold University College’de Dr. Christopher GRINDE’ye, Tezin tamamlanmasında manevi desteğini her zaman hissettiğim yakın arkadaşım Mak. Müh. Metin CEBE’ye, Tüm eğitim öğretim yaşantım boyunca maddi ve manevi her türlü fedakarlığı yapan, destek ve sabır gösteren AİLEME, Yardımlarıyla bugünlere ulaşmamı sağlayan ismini sayamadığım herkese sonsuz teşekkürlerimi sunarım.
NİSAN 2007 Erdem ÇELİK
iii
İÇİNDEKİLER
KISALTMALAR v TABLO LİSTESİ vi ŞEKİL LİSTESİ vii SEMBOL LİSTESİ ix ÖZET x SUMMARY xi
1. GİRİŞ 1 1.1. MEMS Teknolojisi 1 1.2. MEMS'in Avantajları 2 1.3. MEMS Tarihçe 3 1.4. MEMS Üretim Teknikleri 5
1.4.1. Yüzey Mikro İşleme 8 1.4.1.1. İnce Film Gerilmesi 9 1.4.1.2. Yapışma 11 1.4.2. Gövde Mikro İşleme 12
1.5. Basınç Sensörü 16 1.5.1. Basınç Sensörü Tanımlamaları 17 1.5.2. Basınç Sensörü Tipleri 17
1.5.2.1. Makro Düzeyde Basınç Sensörleri 17 1.5.2.1.1. Bourdon Tipi Basınç Sensörü 17 1.5.2.1.2. Diyafram Basınç Sensörü 18 1.5.2.1.3. Kapasitans Tipi Basınç Sensörü 19 1.5.2.1.4. Diferansiyel Basınç Sensörü 19 1.5.2.1.5. Piezoelektrik Basınç Sensörü 20 1.5.2.1.6. Körüklü Basınç Sensörü 20 1.5.2.1.7. Çok Düşük Basınç Sensörü 21 1.5.2.2. Mikro Düzeyde Basınç Sensörleri 22 1.5.2.2.1. Kapasitif Basınç Sensörü 22 1.5.2.2.2. Kuvvet Kompanzasyonlu Basınç Sensörü 23 1.5.2.2.3. Rezonant Basınç Sensörü 24
2. TEORİ 27 2.1. Piezorezistif Etki 27
2.1.1. Enine ve Boyuna Piezorezistif Katsayı 28 2.1.2. Silisyumun Piezorezistif Katsayıları 30
2.2. Diyaframdaki Gerilmeler 31 2.3. Göbekli Kare Diyafram Analizi 36
2.4. Wheatstone Köprüsü 39
iv
3. SENSÖR TASARIMI VE ÜRETİMİ 42 3.1. Tasarım Koşulları 42
3.1.1. MultiMEMS Tasarım Koşulları ve Sınırlamaları 42 3.1.2. Diyafram ve Hücre Boyutları 44 3.1.3. Dirençler ve Dirençlerarası Elektriksel Bağlantılar 46
3.2. Coventor Ware 2005 Hakkında Genel Bilgiler 47 3.2.1. Coventor Ware Modülleri 48
3.3. Multimems MPW Prosesleri 49 3.3.1. Nowel (n-well’siz Bölge) 49 3.3.2. Bucon (Gömülü İletken) 49 3.3.3. Bures (Gömülü Direnç) 50 3.3.4. Tikox (Kalın Oksit Tabakası) 50 3.3.5. Sucon (Yüzey İletkeni) 50 3.3.6. Sures (Yüzey Resistörü) 51 3.3.7. Nosur 51 3.3.8. Cohol (Temas Boşlukları) 52 3.3.9. Mcond (Metal İletkenler) 52 3.3.10. Betch (Arka Yüzey Oksit Desenlendirilmesi) 53 3.3.11. Noboa (Anodik Bağsız Bölge) 53 3.3.12. Retch (Serbest Aşındırma) 53 3.3.13. Toge, Bogef, Bogeb 54
3.4. Piezorezistif Basınç Sensörü Tasarımında Kullanılan MPW Prosesleri 54 3.4.1. Base 54 3.4.2. Nowell 55 3.4.3. Betch 56 3.4.4. Sures 57 3.4.5. Mcond 58 3.4.6. MPW ile Göbekli Piezorezistif Basınç Sensörü Tasarımı 59
4. ANALİZ SONUÇLARI VE YORUMLAR 61 4.1. Yerdeğiştirme Analizi 61 4.2. Gerilme Analizi 67 4.3. Elektriksel Devre Analizi 72
5. GENEL SONUÇLAR VE ÖNERİLER 75 5.1. Genel Sonuçlar 75 5.2. Öneriler 76
KAYNAKLAR 78
ÖZGEÇMİŞ 81
v
KISALTMALAR
MEMS : Mikro Elektro Mekanik Sistemler IC : Entegre Devre MOSFET : Metal Oksit Yarıiletken Alan Etkili Transistör LPCVD : Low Pressure Chemical Vapour Deposition PECVD : Plasma Enhanced Chemical Vapour Deposition DRIE : Deep Reactive Ion Etching SEM : Scanning Electron Mycroscobe LD : Latheral Displacement CW : Coventor Ware
MPW : Multi Project Wafer
vi
TABLO LİSTESİ
Sayfa No
Tablo 1.1 : n ve p tipi silisyumlar için tipik oda sıcaklığında piezorezistif katsayıları.........................................................
30
Tablo 3.1 : Silisyum altlığın teknik özellikleri....................................... 45 Tablo 3.2 : Tasarımı yapılacak mikrosensörlerin boyut ve basınç
değerleri................................................................................
46 Tablo 3.3 : Göbekli kare diyaframlı basınç sensörünün boyut ve
basınç değerleri.....................................................................
46 Tablo 3.4 : T=25°C’de <110> kristal yönünde yerleştirilen dirençler
için enine ve boyuna piezorezistif katsayıları......................
47 Tablo 4.1 : Diyafram kalınlığının 3 µm olduğu durumlardaki
yerdeğiştirme değişimi………………………………….....
62 Tablo 4.2 : Diyafram kalınlığının 23 µm olduğu durumlardaki
yerdeğiştirme değişimi…………………………………….
64 Tablo 4.3 : Göbekli kare diyaframdaki yerdeğiştirme.……………….. 65 Tablo 4.4 : Diyafram kalınlığının 3 µm olduğu durumdaki gerilme
değişimi……………………………………………………
67 Tablo 4.5 : Diyafram kalınlığının 23 µm olduğu durumdaki gerilme
değişimi…………………………………………………… 69
Tablo 4.6 : Diyafram kalınlıklarına göre açığa çıkan voltaj değerleri... 73
vii
ŞEKİL LİSTESİ
Sayfa No
Şekil 1.1 : Elektron mikroskobu altında entegre devreli bir MEMS cihazının görünümü..............................................................
1
Şekil 1.2 : Resonant Gate Transistor..................................................... 4 Şekil 1.3 : Entegre devreli polisilisyum yüzey işlenmiş ilk MEMS
cihazı....................................................................................
5 Şekil 1.4 : Fotolitografik yöntem.......................................................... 7 Şekil 1.5 : Yüzey mikro işleme tekniği................................................. 9 Şekil 1.6 : Tavlanmamış ince filmlerin sıkıştırılmış gerilmesini
gösteren bükümlü polisilisyum yapılar.................................
11 Şekil 1.7 : Heba tabakası aşındırması süresince oluşan Kapiler
kuvvetler...............................................................................
12 Şekil 1.8 : Kristalografik tabaka boyunca yapılan gövde mikroişleme. 13 Şekil 1.9 : Islak Kazıma........................................................................ 14 Şekil 1.10 : Derin tepkili ion kazıma ile pula dikine kazıma yaparak
oluşturulan mikrodirsek........................................................
15 Şekil 1.11 : Mikrokalıplama Yöntemleri................................................. 16 Şekil 1.12 : Tipik Bourdon Tüpü Basınç Sensörü................................... 18 Şekil 1.13 : Helisel Tipteki Bourdon Tüpü............................................. 18 Şekil 1.14 : Spiral Tipteki Bourdon Tüpü............................................... 18 Şekil 1.15 : Diferansiyel basınç sensörü................................................. 20 Şekil 1.16 : Piezoelektrik Basınç Sensörü............................................... 20 Şekil 1.17 : Körüklü Basınç Sensörü....................................................... 21 Şekil 1.18 : Entegre kapasitif basınç sensörünün şeması........................ 23 Şekil 1.19 : Kuvvet kompanzasyonlu basınç sensörünün şeması........... 24 Şekil 1.20 : Rezonant basınç sensörünün SEM fotoğrafı........................ 25 Şekil 2.1 : p-tipi silisyum için (100) düzleminde ve oda
sıcaklığındaki piezorezistif katsayıları.................................
30 Şekil 2.2 : Maksimum yer değiştirme – basınç ilişkisi.......................... 35 Şekil 2.3 : Göbekli kare diyafram ve idealleştirilmiş göbekli plaka..... 37 Şekil 2.4 : Göbekli plakanın kesit görünüşü.......................................... 38 Şekil 2.5 : Wheatstone köprüsü konfigürasyonu................................... 39 Şekil 2.6 : Belli diyafram kalınlıklarına bağlı olarak diyafram kenar
uzunlukları ile hassasiyet ilişkisi ……………………….....
41 Şekil 3.1 : Multimems tarafından belirlenmiş kare diyaframlı basınç
sensöründeki Pmax ile diyafram kenar uzunluğu arasındaki ilişki.....................................................................
44 Şekil 3.2 : Anizotropik gövde kazıma................................................... 45 Şekil 3.3 : Piezorezistörleri oluşturmada kullanılan tipik (a) paralel
ve (b) dikine dirençler...........................................................
47 Şekil 3.4 : CoventorWare programı genel akış diyagramı.................... 49 Şekil 3.5 : NOWEL maskesinin uygulandığı pulun kesit görünüşü...... 49
viii
Şekil 3.6 : BUCON maskesinin uygulandığı pulun kesit görünüşü...... 50 Şekil 3.7 : BURES maskesinin uygulandığı pulun kesit görünüşü…... 50 Şekil 3.8 : TIKOX maskesinin uygulandığı pulun kesit görünüşü…… 50 Şekil 3.9 : SUCON maskesinin uygulandığı pulun kesit görünüşü….. 51 Şekil 3.10 : SURES maskesinin uygulandığı pulun kesit görünüşü…… 51 Şekil 3.11 : NOSUR maskesinin uygulandığı pulun kesit görünüşü….. 52 Şekil 3.12 : COHOL maskesinin uygulandığı pulun kesit görünüşü….. 52 Şekil 3.13 : MCOND maskesinin uygulandığı pulun kesit görünüşü..... 52 Şekil 3.14 : BETCH maskesinin uygulandığı pulun kesit görünüşü…... 53 Şekil 3.15 : NOBOA maskesinin uygulandığı pulun kesit görünüşü….. 53 Şekil 3.16 : RETCH maskesinin uygulandığı pulun kesit görünüşü…... 54 Şekil 3.17 : TOGE, BOGEF,BOGEB uygulandığı pulun kesit
görünüşü…………………………………………………...
54 Şekil 3.18 : Base yapısının oluşumu....................................................... 55 Şekil 3.19 : Nowell prosesi sonucu açığa çıkan yapı.............................. 56 Şekil 3.20 : Betch prosesi sonucu açığa çıkan yapı................................. 57 Şekil 3.21 : Sures prosesi sonucu açığa çıkan yapı................................. 58 Şekil 3.22 : Mcond prosesi sonucu dirençler arasına bağlanmış metal
iletkenler……………….......................................................
59 Şekil 3.23 : MPW da tasarlanmış göbekli kare diyaframlı basınç
sensörü……………………………………………………..
60 Şekil 3.24 : Meshlemede kullanılan mesh elemanı……………………. 60 Şekil 4.1 : Diyafram kalınlığının 3 µm olduğu durumdaki teorik ve
analizle hesaplanan yerdeğiştirme…..……………..………
62 Şekil 4.2 : Diyafram kalınlığının 3 µm olduğu durumdaki
yerdeğiştirmenin CW programındaki görünümü….……….
63 Şekil 4.3 : Diyafram kalınlığının 23 µm olduğu durumdaki teorik ve
analizle hesaplanan yerdeğiştirme………..………..………
64 Şekil 4.4 : Diyafram kalınlığının 23 µm olduğu durumdaki
yerdeğiştirmenin CW programındaki görünümü…..………
65 Şekil 4.5 : Tasarımı yapılan göbekli kare diyafram için hesaplanan
yerdeğiştirme………………………………...…..………...
66 Şekil 4.6 : Tasarımı yapılan göbekli kare diyafram için hesaplanan
yerdeğiştirmenin CW programındaki görünüşü……….…..
66 Şekil 4.7 : Diyafram kalınlığının 3 µm olduğu durumdaki CW
programı ile hesaplanan gerilme değerleri...…...…..……...
68 Şekil 4.8 : Diyafram kalınlığının 3 µm olduğu durumdaki Von Mises
gerilmesi…………………………..…..……………….…..
68 Şekil 4.9 : Diyafram kalınlığının 23 µm olduğu durumdaki CW
programı ile hesaplanan gerilme değerleri...…...…..….…..
70 Şekil 4.10 : Diyafram kalınlığının 23 µm olduğu durumdaki Von
Mises gerilmesi…………………………..…………...........
70 Şekil 4.11 : Göbekli kare diyaframda CW ile hesaplanan gerilme……. 71 Şekil 4.12 : Göbekli kare diyaframda oluşan Von Mises gerilmesi….. 71 Şekil 4.13 : Teorik ve CW ile hesaplanan gerilme değerlerinin
karşılaştırılması…………………………………………….
72 Şekil 4.14 : 3 µm kalınlığındaki diyaframın hassasiyet grafiği……….. 73 Şekil 4.15 : 23 µm kalınlığındaki diyaframın hassasiyet grafiği…….... 73 Şekil 4.16 : Göbekli kare diyaframın hassasiyet grafiği………………. 74 Şekil 5.1 : Kistler Type4005A tipi piezorezistive basınç sensörü……. 76
ix
SEMBOL LİSTESİ
∇ : Planck sabiti Lcr : Kritik uzunluk E : Young modülü I : Eylemsizlik momenti τ : Kayma gerilmesi ρ : Yoğunluk δ : Bağıl direnç A : Kesit alanı Mo : Eğilme momenti h : Diyafram kalınlığı L : Diyafram kenar uzunluğu γ : Sıvının yüzey gerilmesi θ1,θ2 : Sıvının altlık ve mikroyapıyla temas açısı P : Basınç g : Yerçekimi ivmesi C : Kapasitans ε : Plakalar arası ortamın dielektrik katsayısı d : Plakalar arası mesafe w : Yerdeğiştirme Aboss : Göbekli diyaframda göbeğin yüzey alanı Cp : Parazitik kapasitans Ca : Erişim düzeneği kapasitansı Po : Dış basınç Pe : Elektrostatik basınç εo : Vakum permitivitesi Vdrive : Sürüş voltajı ∆R : Dirençte meydana gelen değişme R : Direnç değeri πl : Boyuna piezorezistif katsayı πt : Enine piezorezistif katsayı σl : Boyuna gerilme
σt : Enine gerilme π11, π12, π44 : Kübik yapılı Si malzemelerdeki bağımsız katsayılar l, m, n : Kristal eksenler arasındaki yönlerin kosinüsleri D : Eğilme Rijitliği υ : Kayma modülü cmn : Katsayı wmax : Maksimum yerdeğiştirme l1 : Göbekli diyaframda göbek kenar uzunluğu W : Normalleştirilmiş yerdeğiştirme Vcikiş : Çıkış voltajı Vbesleme : Besleme voltajı
x
PİEZOREZİSTİF TABANLI MEMS BASINÇ SENSÖRÜNÜN
TASARIMI VE ANALİZİ
ÖZET
Piezorezistif tabanlı MEMS basınç sensörü, araba lastikleri, katheter gibi pazarda yoğunlukla kullanılan mikrosensör tiplerindendir. Bu durumdan yola çıkılarak endüstriyel uygulamalar için üç farklı pieozrezistif basınç sensörü tasarımı ve analizi yapılmıştır. Bu sensörlerin üretime hazır halde olması gerektiğinden tasarım aşamasında, MultiMEMS üretim kriterleri ve sınırlamaları dikkate alınmıştır. Ek olarak, sensöre şekil vererek final görünümünü oluşturmak üzere MultiMEMS’te tanımlı maskeler kullanılmıştır. Bu beş maske silisyum pula gövde mikroişleme tekniği vasıtasıyla uygulanmıştır ve sonrasında basınca maruz kalan diyafram oluşturulmuştur. Diyaframın ön yüzüne, dört adet piezorezistörden oluşan Wheatstone köprü konfigürasyonu bina edilmiştir. Bu piezorezistörler, 8000 Ω direnç değerine sahip p tipi katkılandırılmıştır. Uygulanan basıncın sonucunda ortaya çıkan gerilme bu piezorezistörler tarafından ölçülebilmektedir. Gerilmenin yanısıra yerdeğişiminin de belirlenmesinde Wheatstone köprüsündeki çıkış voltaj farkı etkili olur. Coventor Ware 2005 paket programı sayesinde tüm değerler elde edilebilmektedir. Programdan elde edilen sonuçlar teorik hesaplamalarla karşılaştırılmıştır. Hesaplamalar arasındaki hata miktarı tespit edilerek tasarımı yapılan sensörlerin üretime hazır hale geldiği görülmüştür.
xi
DESIGN AND ANALYSIS OF A PIEZORESISTIVE BASED
MEMS PRESSURE SENSOR
SUMMARY
Piezoresistive based MEMS pressure sensors are most common used sensor types in the market such as tyre pressure, catheter etc. Regarding this, there are three different piezoresistive pressure sensor are designed and made the analysis for industrial applications. Since they should be ready to fabrication, in the design step, MultiMEMS fabrication criteria and limitations are considered. In addition, masks which create the final configuration of the sensors and define in the MultiMEMS, are used. These five masks are applied to the Si substrate via bulk micromachining technique and than diaphragm which received the applied pressure, are obtained. On the front side of diaphragm, Wheatstone bridge which has four piezoresistors is builded. These piezoresistors are selected as p-type diffusion with the values of 8000Ω. They have the mission of measuring the stress which is the result of applied pressure. Not only the determination of the stress, but also the deflection are measured by the output voltage difference of the Wheatstone bridge. Coventor Ware 2005 software package programme are used for these values. The results from this program are compared with the theoritical ones. Errors between the results are calculated and it is seen that the designed sensors are ready to fabrication.
1
1. GİRİŞ
1.1 MEMS Teknolojisi
Mikro-Elektro-Mekanik Sistemler (MEMS), mikro üretim teknolojisi doğrultusunda
mekanik elemanların, sensörlerin, erişim düzeneklerinin ortak bir silisyum altlığının
üzerine entegre edilmesidir. En genel anlamıyla MEMS küçük ölçekli elektro-
mekanik düzeneklerin ve sistemlerin incelendiği disiplinler arası bir bilim dalıdır.
İlgili sistemlerin karakteristik boyutu çoğunlukla birkaç mikrondan (µm) birkaç
cm’ye kadar değişebilir. Elektronikte entegre devre (IC) işlem sırası kullanılarak
üretim yapılırken, mikromekanik bileşenler, mekanik ve elektromekanik cihazları
oluşturmak için silisyum tabakadan parça oyma yada yeni yapısal tabakalar ekleme
gibi uygun “mikroişleme” işlemleri kullanılarak üretim yapılır (Şekil 1.1).
Şekil 1.1 : Elektron mikroskobu altında entegre devreli bir MEMS cihazının
görünümü [17]
MEMS küçük ürünlerin gelişimine izin veren bir teknolojidir. Mikroerişim
düzenekleri ve mikro sensörlerin algı ve kontrol kapasiteleri ile mikroelektroniğin
2
bilişim kabiliyeti artmaktadır ve bu da muhtemel tasarım ve uygulama alanlarının
genişlemesinde en önemli etkendir.
Mikroelektronik entegre devreler sistemin beyni gibi düşünülürse, MEMS bu
sistemin çevreyi algılamasını ve kontrol etmesini sağlayarak karar verme kapasitesini
arttıran göz ve kol olarak algılanabilir. Sensörler mekanik, ısıl, biyolojik, kimyasal,
optik ve manyetik verilerin ölçülmesiyle çevreden bilgi toplayan cihazlardır. Daha
sonra sensörlerden elde edilen bu veriler elektronikçiler tarafından erişim
düzeneklerine yönlendiriliyor ve bu verilerin karşılığında hareket, konumlandırma,
ayarlama, pompalama, filtreleme gibi amaçladığımız çevresel kontrolleri rahatlıkla
yapabiliyoruz. Çünkü MEMS cihazlarının üretimi tıpkı entegre devrelerde olduğu
gibi emsalsiz fonksiyonellik seviyesinde, güvenirliliği iyi olan ve karmaşık olarak
yığın üretme metodu ile küçük silisyum çiplerden nispeten ekonomik olarak
yapılabilmektedir [33].
1.2 MEMS’in Avantajları
İlk olarak MEMS ve Nanoteknoloji ticari ve askeri her alanda rahatlıkla ve güvenle
kullanılabilecek teknolojiye sahiptir. MEMS ve Nanoteknoloji insan vücudunda kan
basıncının izlenmesinden, otomobillerin süspansiyon sistemlerin aktif hale
getirilmesine kadar çok çeşitli yerlerde kullanılabilir. MEMS ve Nanoteknoloji
içeriği gereği ve elverişli uygulama alanları sayesinde günümüzde kullanılan entegre
devre mikroçiplerinde çok daha yaygın bir kullanım alanına sahiptir [1].
İkinci olarak ise MEMS ve Nanoteknoloji karmaşık mekanik sistemlerle entegre
devre elektroniği arasındaki karışıklığı ortadan kaldırır. Eskiden sensörler ve erişim
düzenekleri ekonomik olmayan ve güvenilirliği az olan, makro boyuttaki sensör-
erişim düzeneği-elektronik sistemlerin bir parçasıydı. Ancak MEMS ve
Nanoteknoloji, bu tür karmaşık elektromekanik sistemlerin yığın üretim teknikleri
kullanılarak çok daha ekonomik ve güvenilirliği üst seviyede gerçekleştirildiğini
ispatlamıştır. Bununla birlikte MEMS ve Nano cihazların performansları makro
boyuttaki emsalleriyle karşılaştırıldığında daha iyi ve fiyatları da daha ekonomiktir
[1].
MEMS ve Nanoteknolojide kullanılan silisyum, yüksek performanslı mekanik
uygulamalar için etkili bir seçenek olmasını sağlayan mükemmel malzeme özellikleri
3
sergilemektedir. Örneğin; diğer mühendislik malzemeleriyle karşılaştırıldığında daha
güçlü bir dayanım-ağırlık oranına sahip olduğunu ve bu özelliğiyle de yüksek bant
genişliğine sahip mekanik cihazlar gerçekleştirmektir [1].
1.3 MEMS Tarihçe
Bu alanla ilgili tarihçeye geçmeden önce iki anahtar kelimenin tanımından
bahsetmek gerekir. Bunlardan birincisi bilindiği üzere MEMS’tir ve tanımı yukarıda
yapılmıştır. Diğeri ise mikroişlemedir. Mikroişleme, mikron veya daha düşük
birimlerle ölçülebilen malzemeleri depolama, aşındırma veya sınırlama yöntemidir.
MEMS’in tarihçesinin mikroişleme yönteminin gelişimine bağlı olarak ilerleme
kaydettiği aşağıda görülmektedir [2]:
• II. Dünya Savaşı süresince geliştirilen radarlarda kullanılan Ge ve Si gibi saf
yarıiletkenlerin gelişimi - 1940
• Yarıiletken devre endüstrisinin başlangıcını müjdeleyen tek bağlantı
transistörlerinin keşfi -1949
• Profesör Feynman’ın yaptığı çalışmalar sonucu mikroölçekte çok büyük
miktarlarda boşluk olduğunu önermesi ve dünyayı mikroölçekte çalışmalar
yapmaya çağırması. Bu çağrının en etkili cümlesi “ Bir inçin 1/64 ünden daha
küçük hacimde bir motor üretelim” dir - 1959
• Düzlemsel dolgu-imalatı yönteminin keşfi, yarıiletken cihazların maliyeti ve
güvenilirliğini büyük bir hızla geliştirmiştir. Ek olarak, düzlemsel metodlar,
birden fazla yarıiletken cihazın tek bir silisyum üzerinde entegrasyonuna
imkân vermiştir. Bu buluş, IC endüstrisinin başlangıcını müjdelemiştir. Eski
düzlemsel metotların mm’den büyük cihazların imalatında kullanılıyor
olmasına rağmen, artan sayıda cihazın mikroişlenebileceği, ölçeklenebilir bir
metottur - 1960
• Metal – oksit – yarıiletken alan – etkili transistörün (MOSFET) bulunmasıyla,
IC endüstrisinde, karmaşık devrelerin küçültülmesi için yoğun bir çaba içine
girilmiştir -1960 [3].
4
• Şekil 1.2 de gösterilen ve Nathenson tarafından üretilen Resonant gate
transistör ilk olarak dolgu – üretimli MEMS cihazıdır. Manivelalı altın girişli
elektrodun elektrsotatik tahrikli hareketi cihazın elektriksel karakteristiğini
düzenler - 1964
Şekil 1.2 : Resonant Gate Transistor [4]
• Mikroişlemcinin gelişimi. Moore tarafından incelenen, her 18 ayda bir çip
çipin üzerine belli sayıda entegre edilen transistörler son 30 yılda gerçeğe
dönüşmüştür - 1970
• MEMS’in piyasaya girişi. IC Transducers, Foxboro ICT, Transensory
Devices, IC Sensors ve Novasensor gibi firmaların otomotiv endüstrisi için
bazı parçalar üretmesi - 1970 – 1980
• Kurt Peterson’un “Mekanik Malzeme Olarak Silisyum” adıyla yayınlanan
makalesinde pek çok mikromekanik cihazın gelişimi tartışılmıştır. Bu makale
ayrıca MEMS’in önerdiği olanakların arttığını göstermektedir - 1982
• Profesör Feynman’ın “Son Derece Az işleme” başlıklı seminerinde,
minyatürizasyonda karşılaşılan güçlüklerin elle tamamlandığı için yeteri
kadar zor olmadığı belirtilmiştir - 1983
• California Berkeley Üniversitesi’nde (UCB) görevli Howe ve Muller
Polisilisyum Yüzey Mikroişleme Yöntemini geliştirip bu yöntemi entegre
5
devreli MEMS üretiminde kullanmıştır (Şekil 1.3). Bu teknoloji pek çok
MEMS ürününün temelini oluşturmada hizmet etmiştir - 1984
Şekil 1.3 : Entegre devreli polisilisyum yüzey işlenmiş ilk MEMS cihazı [4]
• UCB ve Massachusette Institute of Technology (MIT) üniversitelerindeki
araştırmacılar birbirinden bağımsız olarak yürüttükleri çalışmalarda dönel
yataklı yüzeylerde kullanılan ilk elektrostatik kontrollü mikromotorları
geliştirmişlerdir [5]. Bu mikromotor her ne kadar ticari bir ürün olarak
kullanılmasa da MEMS alanında çok geçerli bir teknoloji olarak yerini
almıştır - 1989
• Büyük yapıların altlık düzleminin dışındaki montajı için UCB’de görevli
Pister tarafından geliştirilen mikromafsallar, MEMS’in 3. boyutta ilerlemesi
için önemli bir adım teşkil etmiştir - 1991 [6]
• Artan sayıda cihaz, teknoloji ve uygulamalar MEMS’in küresel etkilerini
genişletmektedir ve günümüze kadar gelmesini sağlamaktadır - 1990
1.4 MEMS Üretim Teknikleri
Her ne kadar MEMS üretiminde kullanılan pek çok mikroişleme tekniği ve
malzemenin entegre devre endüstrisinden alınmış olsa da, MEMS’in alanı,
6
geleneksel olarak entegre devre endüstrisinde kullanılmayan diğer mikro üretim
yöntemleri ve malzemelerinin gelişimi ve iyileştirilmesini sürdürmektedir.
Geleneksel entegre devre yöntemleri ve malzemeleri aşağıda verilmiştir:
• Fotolitografi, termal oksitleme, iyon aşılama, LPCVD, PECVD,
buharlaştırma, püskürtme, ıslak kazıma, plazma kazıma, reaktif iyon kazıma
• Silisyum, silisyum dioksit, silisyum nitrür, alüminyum
MEMS’te kullanılan ek yöntemler ve malzemeler ise aşağıdaki gibidir:
• Tek kristalli silisyumun anizotropik ıslak kazıma, derin reaktif iyon kazıma
(DRIE), x-ışınlı litografi, düşük gerilmeli LPCVD filmleri, dönel kalıplama,
mikro kalıplama,
• Piezoelektrik filmler, manyetik filmler, yüksek sıcaklığa dayanıklı
malzemeler (seramik, SiC), paslanmaz çelik, platin, altın, plastikler
Bu malzeme ve yöntemlerden, fotolitografi en önemli yöntemdir. Fotolitografi, hem
IC’de hem de MEMS’te yüksek hacimde mikroskobik boyutlarla güvenilir üretim
yapabilmeyi mümkün kılar. Fotolitografik yöntemin gereklilikleri Şekil 1.4 de
verilmiştir.
7
Şekil 1.4 : Fotolitografik yöntem
İşlem bir altlık malzeme ve geometri seçimiyle başlar. Tipik olarak 4” ve 8”
arasındaki çaplarda tek kristalli silisyum katman kullanılır (Şekil 1.4-a). Sonra altlık,
fotodirenç adı verilen fotoduyarlı bir polimerle kaplanır (Şekil 1.4-b). Hassas olarak
saydam olmayan bölgeleri olan maske ışık geçirildiğinde fotodirencin üzerinde gölge
oluşturmak için kullanılır [31]. Ultraviyole ışığı bombardımanı altındaki bu saydam
olmayan bölgeler kimyasal olarak tahrip edilir (Şekil 1.4-c). Bombardımandan sonra
fotodirenç bir çözeltiye (geliştirici) daldırılır. Bu çözelti bombardımana tutulmuş
bölgeleri veya bombardımana tutulmamış bölgeleri kimyasal olarak fotodirençten
kaldırır (Şekil 1.4-d). Katman kuruduktan sonra fotodirenç bir sonraki depolama
(Şekil 1.4-e) veya kazıma (Şekil 1.4-f) için maske olarak kullanılır. Son olarak
fotodirenç kaldırılır ve bunun sonucunda mikroişlenmiş altlık elde edilir (Şekil 1.4-g
ve 1.4-h).
Ancak, tam bir MEMS cihazı üretmek için veya birden fazla örülü malzemeyi
birbirine entegre etmek için kullanılan yöntemler bireysel işlem ve malzemelerin
8
kendisinden daha önemlidir. MEMS entegrasyonu için kullanılan en genel iki metot
yüzey mikroişleme ve gövde mikroişlemedir. Aşağıda bu iki yöntem hakkında
detaylı bilgi verilmiştir.
1.4.1 Yüzey Mikro-işleme
Yüzey mikroişleme iki boyutlu tasarım alanına sahip olup serbestçe ayakta duran ve
hareket eden mikro yapıları imal eden bir prosestir. Bu teknikte, genellikle birkaç
mikron yüksekliğe sahip mekanik sistemler, geçici maskeler ve kalıcı malzeme
katmanları desenlendirilerek bir silisyum tabakasının yüzeyinde gerçekleştirilir [7].
Foto-litografi tekniğine dayalı mikroyüzey işlemenin kademeleri aşağıda Şekil 1.5’te
gösterilmiştir. Bu işleme tekniğindeki ana fikir iki ince film yapısındaki malzemeyi
depolama veya bu malzemeler üzerine desen oluşturmadır. Altlık, bu durumda
sadece mekanik bir taşıyıcı olarak görev alır. Yapı tamamıyla ince film
malzemesinden oluşmaktadır [32].
9
Şekil 1.5 : Yüzey mikro işleme tekniği [7]
Bu süreç için pek çok malzeme kombinasyonu mümkün olsa da teknoloji heba
malzemesi olarak yüksek standartta silisyum dioksit veya PSG (Fosfor-Silikat-Cam)
kombinasyonu ve yapı malzemesi olarak da polisilisyum kullanımı gelişmiştir. Bu
prosesi kullananlar genellikle iki tür problemle karşılaşmaktadırlar. Birincisi ince
film gerilmesi, ikincisi ise yapışmadır.
1.4.1.1 İnce Film Gerilmesi
Yüzey mikroişleme esnasında bu problemle karşılaşıldığında yapılması gereken en
gerekli adım tavlamadır. Proses boyunca yapısal tabakaların gerilmesini
10
görüntülemek için yapılar test edilmelidir. Temel olarak çekme ve sıkıştırılmış yanal
gerilme olmak üzere iki tip gerilme vardır. Bununla beraber filmlerde gerilme
gradyenleri vardır. Yanal gerilme için test yapıları, yapılardaki bükülmeyi
görüntülemek için kullanılır. Şekil 6’da bükülmüş bir mikroyapı görülmektedir. Her
iki tarafa yapıştırılmış kirişler için aşağıdaki denklem verilmiştir.
AEILcr σπ2= (1.1)
Burada I kirişin eylemsizlik momenti, A kesit alanı ve σ gerilmeyi ifade eder. Şekil
1.6’daki mikro köprülerin bir sırasında bükülmüş en küçük köprü bu filmdeki
gerilme değerini verir. Çekme gerilmesi mekanik dönüşümler vasıtasıyla
belirlenmelidir. Gerilme gradyenleri ise manivela kirişlerinde görülebilir. Gradyenin
işaretine ve gerilme gradyenine bağlı eğrilik yarıçapına göre bu diziler aşağı veya
yukarı doğru kıvrılır.
Moment gerilme dağılımına bağlıdır.
∫−
=
2
2
0 )(
h
h
x zdzzM σ (1.2)
Burada σ(z) gerilme dağılımını simgelemektedir, z ise kiriş yüzeyine normal olan
koordinattır. Eğrilik yarıçapı R ise;
0
3
12M
EhR = (1.3)
11
Şekil 1.6 : Tavlanmamış ince filmlerin sıkıştırılmış gerilmesini gösteren bükümlü
polisilisyum yapılar [7]
1.4.1.2 Yapışma
En çok karşılaşılan diğer problem ise yapışmadır. Heba malzemesine aşındırma
işlemi uygulandığı zaman serbest olarak havada duran yapılar altlığa değme eğilimi
gösterirler ve burada kalırlar. Bunun sebebi Şekil 1.7’de gösterildiği gibi buharlaşma
süresince sıvıdaki yüzey gerilmesi olduğu düşünülmektedir. Mikro yapı ve altlık
arasındaki kuruma süresince sıvı damlacık formu almaktadır ve eğer bu damlacık bir
basınç altındaysa ve mikro yapı yeterince rijit değilse sonuç olarak mikro yapıda
çökme oluşur.
Bu problem için çeşitli çözümler bulunmaktadır. En yaygın çözüm yapışmanın
oluşmaması için yapının mümkünse yeterince rijit seçilmesidir. Mikro köprünün
kritik uzunluğu Denklem 1.4’de verilmektedir.
( )
41
21
32
coscos
8059.1
+>
θθγ
hEdLcr (1.4)
Burada γ sıvının yüzey gerilmesi, θ1 ve θ2 sıvının altlık ve mikroyapıyla yaptığı temas
açılarıdır. Kritik uzunluktan daha uzun köprülerde çökme oluşacaktır. Yapılarda
sıklıkla maksimum uzunluktan daha uzun köprüler tasarlanmalıdır. Özel tasarlanmış
yapılar altlıkla temas eden yüzeyin yeterince küçük olmasına göre tasarlanmalıdır.
12
Şekil 1.7 : Heba tabakası aşındırması süresince oluşan Kapiler kuvvetler [7]
1.4.2 Gövde Mikro-işleme
Silisyum gövde mikroişleme yöntemi mikrosistem üretiminde kullanılan MEMS
üretim teknolojilerinin ilkidir. Bu teknikte kullanılan silisyum, cam ve diğer yalıtkan
altlıklarla bütünleşerek mikrosistem oluşturulur. Bu işleme tekniğinde, mikro-
mekanik cihazlar silisyum kristalin üzerinde nispeten derin bir aşındırma yapılarak,
çoğunlukla kanallar, yarıklar, piramitler, çeşitli şekillerdeki çukurlar oluşturulur [8].
Gövde işlemeyi, yüzey işlemeden ayıran en önemli şey, genellikle tek kristalli
silisyumdan oluşan altlık malzemesinin nihai aygıtın önemli bir fonksiyonel
parçasını oluşturabilmek için desenlendirilmesi veya şekillendirilmesidir [2].
Tek kristalli silisyumun öngörülen anizotropik aşındırma karakteristiklerini
kullanarak, V oluk, kanal, piramit çukur, zar, nozul gibi pek çok yüksek hassasiyette
karmaşık 3 boyutlu şekiller oluşturulabilir [9-10]. Şekil 1.8’de tipik bir gövde
mikroişleme yönteminin aşamaları gösterilmiştir.
13
Şekil 1.8 : Kristalografik tabaka boyunca yapılan gövde mikroişleme [9]
Kullanılan aşındırıcı ortamın özelliklerine bağlı olarak, çeşitli gövde mikro-işleme
yöntemleri geliştirilmiştir.
Bunlardan bir tanesi olan ıslak kazımada, çoğunlukla KOH gibi (sıvı) kimyasal
maddeler kullanılır. Şekil 1.9’da da gösterildiği gibi, fotolitografik yöntemlerle
yüzeyi maskelenmiş silisyum plaka, asit temelli kimyasalları içeren banyoya
daldırılarak bekletilir. Kullanılan kazıyıcı maddenin özelliklerine bağlı olarak açıkta
kalan malzeme farklı biçimlerde kazınır [7].
14
Şekil 1.9 : Islak Kazıma [7]
Bir başka gövde mikroişleme tekniği de kuru kazımadır. Bu tür üretimin en çok
uygulanan tekniklerinden biri Robert Bosch Şirketi patentli derin tepkili ion
kazımadır [11]. Bu üretim yönteminde, dikey duvarlar ayrılırken silisyum pul içine
derince kazıma yapılmaktadır. Ayrıca bu yöntem kristal yönden bağımsızdır [12].
(Şekil 1.10) Bu özelliklerle gövde mikroişlemenin kullanılırlığı arttırılır.
Mikrokalıplama yöntemi ise, derin tepkili ion kazıma ve düzenli katkılama
proseslerinin kombinasyonundan oluşmaktadır [13]. Yöntem silisyum altlıkta gövde
kazılmış desenin derin tepkili ion kazıma yapılmasıyla başlar (Şekil 1.11 a). Daha
sonra, ardışık düzenli katkılamalar (SiO2, katkılanmamış polisilisyum, katkılanmış
polisilisyum ve kaplanmış nikel) uygulanır. (Şekil 1.11 b,c) Yalnız, bu aşamada dar
15
Şekil 1.10 : Derin tepkili ion kazıma ile pula dikine kazıma yaparak oluşturulan
mikrodirsek [12]
çukurlar geniş çukurlardan önce doldurulmalıdır ve sonuçta genişlik, her çukurda
malzemenin tüm bileşimiyle birleşebilir [34]. Heba olan SiO2, kazıma veya silme ile
ortamdan uzaklaştırılır. Son olarak heba tabakası kaldırılır ve altlığa kalıplanan
mikroyapı, çıkarılarak yöntem çevrilmiş altlıkla tekrarlanır. (Şekil 1.11 d) Bu
yöntemle kalın mikroyapılar (500 µm kalınlık), ince film katkılamaları ve sadece bir
derin kazıma adımıyla gerçekleştirilir.
16
Şekil 1.11 : Mikrokalıplama Yöntemleri [13]
1.5 Basınç Sensörü
Basınç ölçümünde kullanılan MEMS uygulamaları, mikro seviyede işlenmiş silisyum
bazlı mekanik sensör uygulamalarının en eskilerinden biridir. Bu aygıtlar 30 yılı
aşkın bir süredir kullanılmaktadır. Şüphesiz ki, MEMS pazarının geniş bir payına
sahip başarılı bir uygulama alanına sahiptir. Basınç sensörleri, en çok kullanılan
piezoresistif tabanlısından yüksek performans resonant tipte basınç sensörlerine
kadar geniş tabanlı ölçme tekniklerinin kullanımını geliştirmektedir.
MEMS in düşük maliyetli kütlesel üretimli minyatür yüksek performanslı sensörlere
uygunluğu, geniş uygulama alanlarının oluşmasına sebep olmuştur. Bu alanlara
örnek olarak; otomotiv sektöründe lastik basınçları, endüstriyel proses kontrolleri,
hidrolik sistemler, mikrofonlar, ve damariçi kan basıncı ölçümü vs. Normalde
basınçlı ortam bir akışkandır, ve basınç ayrıca hava hızı, tank içindeki sıvının hacmi,
boru içindeki akış gibi ölçülebilen büyüklükleri indirek olarak belirlemekte
kullanılır.
Statik bir akışkan içinde verilen bir noktadaki basınç, onun üstünde akışkanın
ağırlığına göre oluşur. Verilen bu noktadaki basınç, bu noktadan akışkanın yüzeyine
kadar olan yükseklik h, akışkanın yoğunluğu ρ, ve g yerçekimi ivmesine bağlıdır. Bu
şartlarda basın. Aşağıdaki formülle hesaplanır.
17
P=h ρ g (1.5)
Bu basınç her yönde hareket eder.
1.5.1 Basınç Sensörü Tanımlamaları
Çok çeşitli basınç sensörleri, basınç ölçümü konusunda yıllardır çok geniş uygulama
alanı geliştirmektedirler. Belli uygulamalar için doğru tipte sensör seçebilmek için,
şartlar çok iyi anlaşılmalıdır. En temel şart, sensörün işletme basınç aralığıdır. Diğer
şartlar ise gayet açıktır: Maliyet, fiziksel boyut, ve diğer araçlarla uyumu. Bununla
beraber, performansa bağlı şartlar oldukça açık değildir ve üreticiler tarafından
kullanılan tanımlardaki gizli farklardan dolayı şiddetlenirler. Performans, sensör
elemanının davranışına, kullanılan malzemenin etkisine, uyum mekanizmasının
doğasına bağlıdır.
1.5.2 Basınç Sensörü Tipleri
1.5.2.1 Makro Düzeyde Basınç Sensörleri
1.5.2.1.1 Bourdon Tüpü Basınç Sensörü
Bourdon Tüpü basınç sensörleri içinde en çok kullanılanıdır. Bu sensörün en basit
formu, C kesimli metal tüpten yapılmaktadır. Tüpün bir ucu kapalıdır, diğer ucu ise
ölçülecek basınç kaynağına bağlıdır. Basınç uygulanan uç, hareket edemeyecek
şekilde yerleştirilir. Tüpün içine basınç uygulandığında, tüpün tıkalı ucu toplanmaya
başlar. Bu da tüpün tıkalı ucunda küçük miktarda bir harekete sebep olur. Bu hareket,
direk okunan basınçölçer yapmak için dişli vasıtasıyla büyütülebilir. Başka bir şekil
ise bu hareketin, basıncın dirence değişimine izin veren doğrusal bir
potansiyometreye taşınabilmesidir. Bu potansiyometre, çıkış sinyalini voltaj değişimi
olarak gösterebilmek için bir köprü devresinin parçası olabilir. Bu sensör tipindeki
basınç ölçüm aralığı 100,000 psi’ye kadar uzanır. 15 psi’nin altındaki basınçların
ölçümünde uygun değildirler. Çünkü tüp rijittir ve açık ağzındaki hareket miktarı çok
küçüktür. Şekil 1.12, Şekil 1.13 ve Şekil 1.14 de basınç ölçümü için kullanılan
Bourdon tüpü sensörü örnekleri görülmektedir [15].
18
Şekil 1.12 : Tipik Bourdon Tüpü Basınç Sensörü [15]
Şekil 1.13 : Helisel Tipteki Bourdon Tüpü [15] Şekil 1.14 : Spiral Tipteki
Bourdon Tüpü [15]
1.5.2.1.2 Diyafram Basınç Sensörü
Diyafram basınç sensörü 330 psi’ye kadar olan düşük basınçların ölçümünde
kullanılmak üzere tasarlanmıştır. Diyafram esnek bir malzemeden yapılmıştır ki eğer
bu yukarıda verilen basınç aralığında ölçüm yapılacaksa genellikle kauçuktur.
Ancak, 330 psi’ye yakın değerlerde diyafram malzemesi olarak metallerde
kullanılabilmektedir. Diyafram, kapsülde iki hücre oluşturması için tam ortaya
yerleştirilir. Birinci hücre atmosfere açıktır, diğer hücre ise ölçülmesi istenen basınç
kaynağına bağlanır. Hücreye basınç uygulandığında, diyafram açık hücrenin içine
doğru hafifçe genişleme yapar. Bu hareketin miktarı uygulanan basınca bağlıdır. Bu
hareket, düşük basınçlı bir anahtar yaratmak için doğrudan bir devre anahtarına
19
uygulanır. Yada hareket miktarını yükseltip doğrudan bir ölçüm cihazında okuma
yapabilmek için dişlilerden oluşan mile bağlanır. Hareket ayrıca sinyallerin direnç
değişimine çevrilmesi için bir potansiyometreye bağlanır. Daha sonra eğer bu
potansiyometre bir köprü devresine bağlıysa bu sinyaller voltaja çevrilir.
Bu tipteki sensörler, vakum sensörlerine göre daha hızlı yanıt verirler. Ayrıca, eğer
sapma diyafram kalınlığından çok büyük değilse doğrusallıkları iyidir. Ancak, diğer
basınç sensörlerine göre maliyeti yüksektir [15].
1.5.2.1.3 Kapasitans Basınç Sensörü
Basınç sensörlerinde, minimum voltajdan maksimum voltaja (0-10 volt) değişen
elektrik sinyalleri üretebilmek için ayrıca kapasitans ve manyetik direnç kullanılır.
Bu tipteki sensörlerde, sığa oluşturabilmek için bir dielektrikle ayrılmış iki adet plaka
kullanılır. Çoğunlukla bu dielektrik silisyum yağı ile doludur. Plakalardan biri
sabittir ve diğeri ise diyaframa bağlıdır. Böylelikle diyafram hareket ettiğinde plaka
da hareket ederek kapasitans miktarında bir değişim gerçekleşecektir. Bu tür devreler
kapasitans değişimini kullandıkları için, alternatif akım voltajıyla daha kullanılabilir
hale gelmektedir. Kapasitans değişimleri ac devresinin içinde olduğu zaman,
kapasitiv reaktans değişimleri ve kapasitöre karşı oluşan voltaj düşüklüğü miktarı
tespit edilebilir [15].
1.5.2.1.4 Diferansiyel Basınç Sensörü
Diyafram sensörü, 2 basınç kaynağı arasında oluşan farkın miktarını ölçmek üzere
değiştirilebilir. Bu tipteki sensöre diferansiyel basınç sensörü adı verilir ve Şekil
1.15’de görüldüğü gibi, diyaframın her iki tarafına basınç uygulanabilmesi için
diyaframı çevreleyen bir hücre tasarlanır. Daha fazla basınç uygulanan taraf, daha az
basınç uygulanan tarafa doğru hareket eder. Diyaframın hareket miktarı tespit edilir
ve bir devre anahtarını aktive edebilmek için doğrusal harekete çevrilir. Diyaframı
hareket ettirebilmek için gerekli basınç farkı miktarını ayarlayabilmek amacıyla
diyaframın bir veya her iki tarafına yay yerleştirilir. Diferansiyel basınç sensörü, çok
küçük miktardaki basınç farklarına yanıt verebilmek için imal edilir. Bu tiptekiler
için basınç portları P1 ve P2 olarak tanımlanır [15].
20
Şekil 1.15 : Diferansiyel basınç sensörü [15]
1.5.2.1.5 Piezoelektrik Basınç Sensörü
Piezoelektrik etkinin bir basınç sensöründe kullanıldığı zaman, sensör basınç
uygulandığında hafifçe sapma yapabilen bir diyafram kullanır. Bu küçük miktardaki
hareket doğrudan piezoelektrik kristaline iletilir. Kristaldeki basınç, kendisine bağlı
olarak üretilen küçük bir voltaja neden olmaktadır. Bu küçük voltaj, 0-10 volt
arasındaki geleneksel voltaj sinyali değerlerine yükseltilir. Şekil 1.16 bu tipteki
basınç sensörüne örnektir [15].
Şekil 1.16 : Piezoelektrik Basınç Sensörü [15]
1.5.2.1.6 Körüklü Basınç Sensörü
Körüklü basınç sensörü, hafifçe sıkıştırılmış akordeonun kıvrımlarına benzeyen
yükseltilere sahip kapalı bir hücreden oluşmaktadır (Şekil 1.17). Basınç bu hücreye
21
uygulandığı zaman, kıvrımlarını açarak genişlemeye çalışır. Düşük basınçlı körüklü
sensörlerde yaylara gerek yoktur. Körüklerin hareketi, devreyi aktif hale getirmek
veya bir potansiyometreye bağlamak için doğrusal harekete çevrilmektedir. Bu
tipteki sensörler genellikle 30 psi’den daha düşük basınçlarda kullanılmaktadır.
Körüklü basınç sensörleri, ayrıca diferansiyel basınç sensörü yapmak için de
kullanılabilir. Bu tip uygulamada, her körüğün bir diğerinin hareketini karşılaması
amacıyla, iki körük bir çerçeveye yerleştirilir. Bu durum, körüklere uygulanan basınç
farkının, körük çiftinde eşit olarak dolaşmasına sebep olmaktadır [15].
Şekil 1.17 : Körüklü Basınç Sensörü [15]
1.5.2.1.7 Çok Düşük Basınç Sensörü
Çok düşük basınç sensörü genellikle oldukça düşük basınç değerlerini tespit etmek
için kullanılır. Örneğin, küçük bir sanayi fırınından egzoz gazı çekmek için küçük bir
fan kullanıldığında, toplam basınç değeri, genellikle atmosfer basıncının üzerinde 1
psi’den daha fazla değildir. Bu basınç değerlerini ölçmek için imal edilen diyafram
genellikle kauçuk malzemeden yapılır ve çok hassastır. Burada, uygulanan basınç, en
yüksek basınç değerini geçmemelidir, aksi takdir de diyafram hasar görmektedir.
[15]
22
1.5.2.2 Mikro Düzeyde Basınç Sensörleri
1.5.2.2.1 Kapasitif Basınç Sensörü
Kapasitif basınç sensörü piezorezistif sensörlere göre belli avantajlara sahiptir.
Özellikle düşük basınç farklılıklarında, bu tipteki basınç sensörleri hassasiyetleri
daha yüksek olduğundan, önemli avantajlar sunarlar. Bununla birlikte, sıcaklığa
duyarlılıkları daha azdır ve uzun süreli kararlılıkları daha yüksektir. Diğer taraftan,
kapasitif sensörler lineer değildir ve küçük kapasitans değişimleri için piezorezistif
sensörlere oranla daha karmaşık elektronik arayüz devrelerine ihtiyaç duyarlar.
Arayüz devreleri sensör çipine entegre halde olmalıdır, veya en azından kaçak
kapasitans etkileri engellemek için sensör çipine çok yakın bir yere yerleştirilmelidir.
Kapasitif basınç sensörünün temel yapısı yüzeyde aralarında mesafe olan iki paralel
plakadan oluşmaktadır. Kapasitans formülü aşağıdaki gibidir:
d
AC
ε= (1.6)
Burada, A yüzey, d paralel plakalar arası mesafe, ε plakalar arası ortamın dielektrik
katsayısıdır. Elekrodlardan birinin diyafram üzerinde olduğu basit sensör yapısında,
kapasitans aşağıdaki integral formülüyle belirlenir:
dxdyyxwd
C ∫∫−
=),(
ε (1.7)
Burada, w(x,y) x ve y’ye bağlı diyaframın yerdeğiştirme fonksiyonudur. Denklem
1.6’dan uygulanan basınçla kapasitans arasındaki değişimin lineer olmadığı açıkça
görülmektedir. Diyaframın göbekli olması durumunda, aşağıdaki formülde de
görüleceği üzere kapasitans sadece göbek alanında oluşmaktadır:
∫∫∆−
=dd
AC bossε
(1.8)
Burada, ∆d göbeğin basınca bağlı olan yerdeğiştirmesi, Aboss ise göbeğin yüzey
alanıdır. Kapasitansın karşılıklı değeri yerdeğiştirmeye lineer olarak bağımlıdır ve
düşük yerdeğiştirmelerde ayrıca basınca lineer olarak bağımlıdır. Bununla birlikte,
23
pratikte bu lineer ilişki parazitik kapasitans Cp den olumsuz yönde etkilenir. Bu
durumda toplam kapasitans aşağıdaki gibi olacaktır:
pboss C
dd
AC +
∆−= ∫∫
ε (1.9)
Böylelikle karşıt değer yerdeğiştirmeye doğrusal olarak daha fazla bağımlı
kalmayacaktır.
İlk olarak yayımlanan kapasitif basınç sensörü, 1980 tarihinde Sander tarafından
Stanford Üniversitesi’nde kardiolojide kullanılmak amacıyla geliştirilmiştir. Şekil
1.18, bu aygıtın şematik çizimini göstermektedir. Alüminyum malzemeli sabit
elektrodlar Pyrex pulun üzerine katkılandırılır. 25 µm kalınlığındaki diyafram,
elektrokimyasal aşındırıcılar kullanılarak anizotropik aşındırma yapılır. İki pul
anodik bağ ile birbirine eklenir. Bipolar entegre devre, bir periyotluk çıkıştaki
kapasitans değişimini dönüştürmek için çipin üzerine entegre edilir.
Şekil 1.18 : Entegre kapasitif basınç sensörünün şeması
1.5.2.2.2 Kuvvet Kompanzasyonlu Basınç Sensörü
Kapasitif cihazların önemli özelliği kapasitansın ayrıca elektrostatik erişim düzeneği
olarak kullanılabilmesidir. Sonuçta, aynı temel yapıyı kullanarak kuvvet
kompanzasyonlu sensörü oluşturulabilir. Bu yolla, diyafram kalınlığına bağlı oluşan
lineersizliği tamamıyla ortadan kaldırabilir. Şekil 1.19, bu oluşumun işletme
prensibini göstermektedir. Po dış basınca bağlı olarak diyaframda oluşan küçük
yerdeğiştirme tespit edilebilir. Çıkış sinyali elektrostatik ters dengeleme basıncı Pe’yi
sarfetmekte kullanılır. Çıkış sinyali diyaframın mekanik özelliklerinden ve
24
yerdeğiştirme tespitleyicisinden bağımsız olacaktır. Çıkış, tamamıyla erişim
düzeneği karakteri tarafından tanımlanır, bu yüzden erişim düzeneğinin yapısı
yeniden üretilebilir ve malzeme özelliklerinden bağımsız olmalıdır.
Şekil 1.19 : Kuvvet kompanzasyonlu basınç sensörünün şeması
Göbekli silisyum diyaframın yerdeğiştirmesi, Cs kapasitörü tarafından ölçülebilir ve
Ca erişim düzeneği kapasitörüne uygulanan voltaj tarafından kompanze edilebilir.
Gerekli erişim düzeneği voltajı oldukça yüksektir. Tipik olarak atmosfer basınç
aralığı için 100 – 300 V civarındadır. Gogol tarafından hazırlanan kuvvet artış şeması
bu voltajı indirmek için kullanılabilir. Bu şemada, hissedilen basınç alanı ve kuvvet
dengeleyici erişim düzeneği alanı ayrılmaktadır. Dış basınç, geniş bir plakaya
elektrostatik depolama basıncı uygulanırken küçük bir diyafram tarafından hissedilir.
Dış basınç Po, elektrostatik basınç Pe tarafından dengelenir:
sode APAP .. = (1.10)
Elektrostatik basınç, sürüş voltajına bağlı olarak aşağıdaki gibidir:
2
2
=
d
VP driveo
e
ε (1.11)
Burada, d plakalar arası mesafe, εo ise vakum permitivitesidir.
1.5.2.2.3 Rezonant Basınç Sensörü
2 farklı tipteki rezonant basınç sensörü tanımlanmaktadır. Birinci tipteki rezonant
basınç sensörü titreyen bir diyaframa sahiptir. Burada rezonans frekansı, diyaframın
25
karşısındaki basınç farkına bağlıdır. Diğer tip ise diyaframın üstünde bir titreyen yapı
kullanmaktadır. Diyafram, basınç farkına bağlı olarak yerdeğiştirir ve titreyen
yapının rezonans frekansı, diyafram yüzeyindeki birim şekil değişiminin bir sonucu
olarak değişmektedir.
Titreyen diyaframlı basınç sensörlerinin farklı çeşitleri bulunmaktadır. Ortak eleman,
anizotropik olarak aşındırılmış diyaframdır. Titreşimi tespit etmek için pek çok
mekanizma kullanılmaktadır. Örneğin; piezoelektrik ince film diyaframın üstüne
püskürtülür.
Titreyen diyaframlı basınç sensörlerinin başlıca problemi, rezonans frekansının
sadece basınca bağlı olmamasıdır. Ayrıca diyaframın çevresindeki gaz kütlesine de
bağlıdır. Dolayısıyla, rezonans frekansı bu gaz türüne ve sıcaklığına bağlıdır.
Bununla birlikte, gazın rezonatörle direk olarak etkileşimine izin verilmektedir. Hem
kimyasalların ve tozların emilişi, hem de korozif etkiler, rezonatörün kütlesini
değiştirir ve sensörün okumasında bir yığılmaya sebep olur. Bu sebeple, diğer
sensörler, diyaframın titrememesine göre geliştirilmektedir. Fakat, onun yerine
diyaframın üzerine bir rezonatör entegre edilmektedir. Bu yolla hareket eden
cihazlardan ilki Greeenwood tarafından geliştirilmiştir. Şekil 1.20’de bu cihazın
SEM fotoğrafı gösterilmektedir. Bu cihazda, diyaframın üzerinde “kelebek” şeklinde
bir rezonatör bulunmaktadır. Bu yapı, bir Boron aşındırıcı tarafından
gerçekleştirilmiştir. Silisyum pul, titreşim belirleyici ve elektrostatik tahriği için
elektrodlar içeren bir Pyrex pula bağlanmıştır.
Şekil 1.20 : Rezonant basınç sensörünün SEM fotoğrafı
Esnek diyafram üzerindeki rezonant sensörlerinin en önemli problemi, iki resonatör
arasında ve her rezonatör ile diyafram arasında istenmeyen bir bağlanma
26
olabilmesidir. Bu, rezonatörlerin frekans tayfındaki istenmeyen rezonans piklerini
ortaya koyar. Bağlanmanın etkileri, eşleştirilmiş rezonatörlerde daha göze çarpar.
Bağlanmayı engellemek için bazı yaklaşımlar kullanılır. Bunlardan birisi mekanik
izolatör kullanımıdır. Ancak bu yöntem çok etkili değildir. Çünkü mekanik
izolatörün tasarımı ve imalatı oldukça karmaşıktır. Diğer bir yaklaşım ise ayarlama
çatalı tipinde rezonatör kullanımıdır. Bu tip rezonatörlerin karakteristik özelliği farklı
kolların titreşim yapmasıdır. Böylelikle, kenarlardaki reaksiyon momentleri ve
kuvvetleri yok edilir. Bu şekilde enerji kayıpları azalır ve mekanik kalite faktörü
artar.
27
2. TEORİ
2.1 Piezorezistif Etki
Piezorezistivite, birim şekil değişimi üzerindeki elektriksel dirence bağlıdır. Bir
malzemenin direnci, iç atomlarının konumuna ve hareketine bağlıdır. Birim şekil
değişimleri bu düzeni değiştirir ve sonuç olarak bu değişim dirence yansır. Tarihsel
olarak, piezorezistif etkinin kantitatif formülasyonu, birim şekil değişiminden ziyade
gerilme terimleriyle ifade edilir [16].
Malzemenin elektronik durumları ise atom parçalarına ve bunların konumlarına
bağlıdır. Kristal bir malzemede, bu durumlar enerji bantlarında sanki – süreklilik
(quasi-continua) oluşturur ve Pauli çıkarma prensibinin ihtiyaçlarına göre en yüksek
dolgu seviyesine kadar doldurulur. Metallerde, bu yüksek dolgu seviyesi, bandın
ortasında oluşur ve sonuç olarak çok sayıda boşluk, yüksek dolgu seviyelerine komşu
olarak yerleşmektedir. Bir elektrik alanı uygulaması hafifçe bu seviyelere doğru
kayar, taşıyıcılar ise bu alana doğru hareket ederler ve sonuçta akım oluşur. Enerji
bantlarını bozan metale hafifçe gerilme uygulayarak, iç atomların konumu
değiştirilirse, iletkenlik değerlerinde küçük değişimler meydana gelir. Bu duruma
basit anlamda piezorezistif etki denilebilir [16]. Bu prensibi baz alarak birim şekil
değişiminin ölçüleceği parçalar üzerine metal film strain-gaugeleri bağlanır. Bir
yarıiletkende en yüksek seviyedeki dolgu Valens bandı köşesinde ve bir sonraki
uygun bantta oluşmaktadır. Bununla beraber ısıl eş değerlikteki bir yarıiletken iletken
bandın üzerinde bazı taşıyıcılara sahiptir. Negatif olarak depolanmış bu taşıyıcılara
iletken elektronları adı verilir. Bu yarı iletken ayrıca Valens bantta bazı boşluklara
sahiptir. Bu boşluklarda pozitif olarak depolanmış taşıyıcılar vardır. Bunlara ise
boşluk denir. Her iki tipteki taşıyıcının sayısı gömme ve en yüksek Valens bandı
enerjisi ile en düşük iletken bandı arasındaki enerji farkı olan bant boşluğuna
bağlıdır. Yarıiletkendeki iç atomların konumları uygulanan strese bağlı olarak
28
değiştiğinde bant köşesindeki enerjiler küçük miktarlarda hareket ederler. Fakat
küçük kaymalar iletkenlik özelliklerinde büyük etkilere sahiptirler. Esas iletkenlik
yüzdesi açıklandığında bu etki metallerdekinden daha büyüktür. Bunun sebebi,
yarıiletkenlerdeki piezorezistivitenin birim şekil değişimi ölçüm yöntemini çok iyi
derecede sağlamasıdır. Bununla birlikte diğer yüzeylere bağlı ince film strain-
gaugeleri yapmak oldukça zordur. Bunun yerine yapının ilgili yerine direk olarak
piezorezistif strain-gaugeler konulur. Eğer duyarlı eleman silisyum katmanından
kolaylıkla kaldırılamıyorsa bu duyarlı elemanı içeren bütün cihaz tek parça halinde
yapılır. Özellikle silisyum basınç sensörü olmak üzere pek çok başarılı cihazda bu
yaklaşım kullanılır.
2.1.1 Enine ve Boyuna Piezorezistif Katsayı
Eğer düzlemsel bir yapıda uzun ve dar bir direnç tanımlanırsa birincil akım
yoğunluğu ve elektrik alanı direncin boyun ekseninde oluşur. Bu eksenin diğer kübik
kristal eksenleriyle çakışık olmasına gerek yoktur. Onun için piezorezistif
denklemlerin rastgele bir koordinat sistemine nasıl dönüşeceğini bilmek gereklidir.
Yapılar düzlem gerilme eksenlerinden birinin direnç ekseni boyunca olacak şekilde
dizayn edilir. Bu, piezorezistivite formülasyonunda aşağıdaki gibi bir basitleştirme
sağlar.
ttllR
Rσπσπ +=
∆ (2.1)
Burada R direnç, l ve t indisleri sırasıyla direnç eksenindeki boyuna ve enine
gerilmeleri simgeler. πl ve πt için genel açılımları, koordinat dönüşümlerini orijinal
tensörlere uygulayarak oluşturulur. Sonuçlar aşağıdaki gibidir.
( )( )21
21
21
21
21
2144121111 2 nmnlmll ++−−−= πππππ (2.2)
ve
( )( )22
21
22
21
22
2144121112 nnmmllt ++−−+= πππππ (2.3)
29
Burada (l1,m1,n1) ve (l2,m2,n2) sırasıyla boyuna direnç doğrultusu ile kristal eksen
arasındaki ve enine direnç doğrultusu ile kristal eksen arasındaki kosinüs
kümeleridir.
Pek çok silisyum mikroişlenmiş cihazlarda dirençler (100) düzleminde ve [110]
doğrultusundadır. Boyuna yöndeki kosinüsler (1/√2, 1/√2,0) ve enine yöndeki
kosinüsler (-1/√2, 1/√2,0). Bu değerler aşağıdaki sonuçları verir.
( )441211110,2
1ππππ ++=l (2.4)
ve
( )441211110,2
1ππππ −+=t (2.5)
Piezorezistif katsayılarının sıcaklık ve katkılandırmaya bağımlılığı, oda sıcaklığında
(T=300K) ve düşük saflık konsantrasyonunda meydana gelen Π(N,T) değerine bağlı
olan P(N,T) piezorezistif katsayısına bağlı bir terim olarak tanımlanabilir. p-tipi
silisyum için bu katsayılar Şekil 2.1 de gösterilmiştir. [17]. Bu şekilden [110]
doğrultusunda piezorezistif katsayıların maksimum olduğu görülebilmektedir.
30
Şekil 2.1 : p-tipi silisyum için (100) düzleminde ve oda sıcaklığındaki
piezorezistif katsayıları [17]
2.1.2 Silisyumun Piezorezistif Katsayıları
Piezorezistif katsayıları pek çok malzeme için ölçülebilir. Fakat MEMS’in öncelikle
ilgilendiği silisyum katsayılarıdır. Bu katsayılar katkılama tipine bağlıdır. Çünkü
silisyumu valans bant ve iletken bant yapıları çok farklıdır. Aşağıdaki tabloda p-tipi
ve n-tipi silisyumlar için tipik değerler verilmiştir.
Tablo 1.1 : n ve p tipi silisyumlar için tipik oda sıcaklığında piezorezistif katsayıları
[18]
Tip Dirençlilik π11 π12 π44
Birimler Ω-cm 10-11
Pa-1
10-11
Pa-1
10-11
Pa-1
n-tipi 11,7 -102,2 53,4 -13,6
p-tipi 7,8 6,6 -1,1 138,1
31
Bu katsayılar yaklaşık 1019 cm-3 den daha düşük gömme durumunda gömme
seviyesinin zayıf fonksiyonlarıdır. Katsayılar sıcaklık artışı ile azalırlar. 150°C’da
oda sıcaklığı değeri yaklaşık 0,7 azalır. Sıcaklığa bağımlılık bazen lineer değildir.
Yüksek gömme durumunda piezorezistif katsayıların sıcaklığa bağımlılığı
küçülmeye başlar. Onun için eğer geniş bir sıcaklık aralığında piezorezistif sensör
yapılmak isteniyorsa yoğun bir şekilde gömülü ler kullanmak tasarım için bir avantaj
olabilir. Fakat burada piezorezistif hassasiyeti düşürülmüş olur.
2.2 Diyaframdaki Gerilmeler
Genel olarak, bir plakaya kuvvet uygulandığında ortaya çıkan gerilme eşdeğerlilik
şartları aşağıdaki gibidir:
0=∂
∂+
∂
∂+
∂
∂
zyxzxxyx ττσ
(2.6)
Bu denklemi z ile çarpıp diyafram kalınlığına göre entegre edersek:
02
2
2
2
=∂
∂+
∂
∂+
∂
∂=
∂
∂+
∂
∂+
∂
∂
∫∫−−
dzz
zy
M
x
Mdz
zyxz zx
h
h
xyx
h
h
zxxyx τττσ (2.7)
şekline gelir. Bu integrale, parçalı integral yöntemini gerçekleştirirsek:
[ ] x
h
h
zx
h
hzx Qdzz −=− ∫−
−
2
2
2
2ττ (2.8)
Sonuçta, z = ±h/2 yani yüzeyin üstünde ve altında τzx = 0 olduğu bilindiğine göre:
y
M
x
MQ
xyxx
∂
∂+
∂
∂= (2.9a)
Benzer şekilde, gerilme eşdeğer denklemlerinin ikinci denklemini de çözümlersek:
y
M
x
MQ
yxy
y∂
∂+
∂
∂= (2.9b)
32
Gerilme eşdeğer denklemlerinin üçüncüsü ise diyafram kalınlığına integre edilerek:
02
2
2
2
=∂
∂+
∂
∂+
∂
∂=
∂
∂+
∂
∂+
∂
∂
∫∫−−
y
Q
x
Qdz
zdz
yxz
yxz
h
h
h
h
zyzxz σττσ (2.10)
elde edilir. σz için aşağıdaki sınır şartları uygulanır:
z = -h/2 için σz = 0, ve z = h/2 için σz = -P
Burada h, diyafram kalınlığı ve P diyaframa uygulanan basınçtır. Bu sınır şartları
altında aşağıdaki sonuçlar elde edilir [19]:
[ ] [ ]2/2/ hzzhzz
yx
y
Q
x
Q=−=
−=∂
∂+
∂
∂σσ
yada
Py
Q
x
Q yx−=
∂
∂+
∂
∂ (2.11)
Qx ve Qy değerleri yerine yukarıdaki açılımları koyulduğunda aşağıdaki denklem
elde edilir [19]:
Py
M
yx
M
x
M yxyx−=
∂
∂+
∂∂
∂+
∂
∂
2
22
2
2
2 (2.12)
Yukarıdaki diyaframın eğilmesi için verilmiş diferansiyel denklem her türlü malzeme
davranışı için uygundur.
Sadece elastik davranış için ise, gerilme sonuçları yer değiştirme fonksiyonunun
birer terimi olarak açıklanabilir. Eğilme momentlerinin yer değiştirmeye bağlı olarak
verilen denklemleri aşağıdaki gibidir [19]:
33
yx
wvDM
ve
x
wv
y
wDM
y
wv
x
wDM
xy
y
x
∂∂
∂−−=
∂
∂+
∂
∂−=
∂
∂+
∂
∂−=
2
2
2
2
2
2
2
2
2
)1(
(2.13)
Burada, eğilme rijitlikleri, D, x ve y’nin birer fonksiyonlarıdır. Bunun sebebi,
diyafram kalınlığının, h, x ve y ile değişmesidir. Genel olarak, Eğilme rijitliklerinin
açılımları:
)1(12 2
3
v
EhDxy
−= (2.14)
Burada E Young modülü ve v ise Kayma modülüdür. Denklem 2.12, Denklem 2.13
deki terimler kullanılarak yazılırsa aşağıdaki hali alır [19]:
D
P
y
w
yx
w
x
w=
∂
∂+
∂∂
∂+
∂
∂
4
4
22
4
4
4
2 (2.15)
yada daha basit olarak,
D
Pw =∇∇ )( 22 (2.16)
şeklinde olacaktır [19].
Diyaframdaki gerilme dağılımı ise aşağıda verildiği gibidir:
12,
12 33 h
zM
h
zM y
yx
x == σσ
ve
123h
zM xy
xy =τ (2.17)
34
Yukarıda verilen diferansiyel denklemler, özellikle diyafram kalınlığı h, sabit
olmadığında, analitik olarak çözmek oldukça zordur. Bu sebeple, kare diyaframlar
için sayısal çözüm yöntemleri kullanmak gerekli olduğu geliştirilmiştir [20]. Çünkü
sayısal çözüm, fiziksel olarak önemli bazı etkilerin simülasyonuna olanak
tanımaktadır. Kare diyaframın gerilme bileşenlerinin sayısal olarak çözümünde
Sonlu-farklar yöntemi kullanılmıştır. Sonuç olarak, hafifçe katkılandırılmış <110>
kristal yönündeki ve (100) düzlemindeki silisyum için uygun elastik sabitler
belirlenmiştir. Fakat, Sonlu-farklar yöntemi ile yalnızca belirlenen bir nokta için bu
sabitler bulunur ve daha sonra yerdeğiştirme hesaplanır. Dolayısıyla yerdeğiştirme, x
ve y’nin bir fonksiyonu olarak - w(x,y) - yer almaz. Bu sebeple tasarımda kullanılan
kare silisyum diyafram, aslında dört tarafı sabit kare plaka gibi
düşünülebileceğinden, aşağıdaki sınır şartları uygulanabilir:
x = 0’da ve x = L’de herhangi bir y değeri için: w = 0 ve 0=∂∂ xw
y = 0’da ve y = L’de herhangi bir x değeri için: w = 0 ve 0=∂∂ yw
Bu sınır şartları altında yer değiştirme, w, için yaklaşık sonuç aşağıdaki gibidir [19]:
−
−=∑∑
∞
=
∞
= L
yn
L
xmcw
m nmn
ππ 2cos1
2cos1
1 1
(2.18)
Burada cmn katsayıları belirlenebilen sayılardır. Serinin sadece ilk terimini alırsak, m
= n = 1
−
−=
L
y
L
xcw
ππ 2cos1
2cos1 (2.19)
haline dönüştürmüş oluruz. Son olarak Denklem 2.19 üzerinde Rayleigh – Ritz
metodunu kullanarak aşağıdaki denklemi elde ederiz:
−
−=
L
y
L
x
D
PLw
ππ
π
2cos1
2cos1
32 4
4
(2.20)
35
Sınır şartları uygulanarak bulunan bu çözüm, yaklaşık çözüm olmasına rağmen yer
değiştirmede gerçek değerden %2,6 sapma göstermektedir [19]. Kare silisyum
diyaframda maksimum yer değiştirme merkezde oluşmaktadır ve aşağıdaki gibidir:
34max 0513.0 EhPLw = (2.21)
Görüldüğü üzere, maksimum diyafram yer değiştirmesi uygulanan basınca bağlı
olarak lineer olarak değişmektedir.
Pratikte, diyafram kalınlığı yaklaşık olarak 10 mikrometre civarlarındadır ve yer
değiştirme diyafram kalınlığının yarısından daha azdır. Diyaframın uzunluğu birkaç
yüz mikrometreden 1000 mikrometrelere kadar olabilmektedir. İnce plakalar
mikrosensör tasarımlarında kabul görebilmektedir, çünkü “balon etkisi”
oluşmamaktadır [21]. Eğer maksimum diyafram yer değiştirmesi diyafram
kalınlığına bölünürse:
4
max 0513.0
=
h
L
E
P
h
w (2.22)
Şekil 2.2 diyafram uzunluğunun diyafram kalınlığına oranının maksimum diyafram
yer değiştirmesini nasıl etkilediği görülmektedir. Aynı uygulama basıncında, L/h
oranı arttıkça, yer değiştirme de artar. Bunun anlamı, Yüksek L/h oranı basınç
hassasiyetini arttırır.
Şekil 2.2 : Maksimum yer değiştirme – basınç ilişkisi
36
Daha önceden bahsedildiği üzere, maksimum gerilme, kenarların ortasında ortasında
oluşmaktadır. Bu sebeple maksimum Eğilme Momenti aşağıdaki gibi alınabilir:
20513.0 PLM x = (2.23)
Diyafram üzerindeki referans ekseni diyaframın tam ortası alındığında (z0=h/2), ve
Denklem 2.23, Denklem 2.17 içine yerleştirildiğinde σmax = 0.3078Ppatlama L2/h2
olarak elde edilir. Ppatlama, diyaframı deforme etmeden sensöre uygulanan maksimum
basınçtır. Ppatlama = 3,25σmaxh2/L2
şeklinde yazılabilir [22]. Buna göre, kalın ve kısa
diyaframların daha yüksek patlama basınçlarına sahip olduğu görülmektedir. İnce
diyaframların ise daha düşük patlama basınçlarına ve fakat daha yüksek
hassasiyetlere sahip olduğu görülmektedir.
Gerilme analiziyle ilgili bir diğer denklemde, teorik ve deneysel çalışmalarla
bulunmuştur. Bu çalışmalara göre diyafram kenarlarının merkezindeki gerilme
değeri:
2
2
1h
LPβσ = (2.24)
Olarak verilmektedir [27]. Aynı şekilde diyaframın merkezindeki gerilme değeri:
2
2
2h
LPβσ = (2.25)
Burada β1 ve β2 değerleri diyafram kenarlarının birbirine oranına bağlı olarak
hesaplanmaktadır. Aşağıda kare diyafram için kullanılan β1 ve β2 değerleri verilmiştir
[27].
β1 = 0,3078 β2 = 0,1386
2.3 Göbekli Kare Diyafram Analizi
Piezorezistif basınç sensörlerinde daha yüksek hassasiyet elde edebilmek amacıyla
diyafram üzerine bir kütle yerleştirilir. Bu şekildeki sensörlere göbekli basınç
sensörü adı verilir. Sensör çıkış sinyalinin daha hassas olabilmesi için diyaframın
merkezine dik bir kütle konulur. Sonuç olarak, diyaframda depolanan mekanik
37
enerji, göbeğin sonlarında iki bölge üzerinde odaklanır. Piezorezistörler, bu iki
bölgeye yerleştirilir.
Göbekli diyaframlarda gerilme ve yerdeğişimi hesaplamak için lineer olmayan
analitik teori türetilir. Teorik düşüncede, göbekli kare diyafram Şekil 2.3’te tarif
edildiği üzere tek yönde sonsuzca uzayan bir plaka tarafından yakınlaştırılır.
Sonuçta, üç boyutlu problem tek boyuta indirgenmiş olur. Bu ideal varsayımla
hesaplanan gerilme oldukça küçüktür. Çünkü gerçek diyafram ve varsayılan plaka
farklı sapmalar gösterir.
Şekil 2.3 : Göbekli kare diyafram ve idealleştirilmiş göbekli plaka [25]
Plakanın sapması aşağıdaki denklemle belirlenebilir:
22
2
2
, /),()( dxwDdzdzzxxMh
h
xby −== ∫−
σ (2.26)
222, /)1(),( dxwdEzzxxb υσ −−= (2.27)
( )[ ]23 112 υ−= EhD (2.28)
Şekil 2.4 de gösterilen y yönünde sonsuzca uzayan plakanın kesit görünüşü için
aşağıdaki denklem birim genişlik başına eğilme momentini sağlayabilir:
( ) wKMpxxlpplxM xy −+−+= 02
11 2/2/)( (2.29)
38
Şekil 2.4 : Göbekli plakanın kesit görünüşü [25]
Nötral düzlemin gerilmesini hesaba katmak için, birim genişlik başına kuvvet,
göbekli plakanın sabitlenmiş kenarlarında tanıtılır. Eğer eğilme momenti Denklem
2.24’e yerleştirilirse, aşağıdaki diferansiyel denklem göbekli plakaların matematiksel
tanımını oluşturmaktadır:
02
1122 2/2/)(/ MpxxlpplwKdxwDd x −++−=− (2.30)
Sınır şartları verildiği takdirde diferansiyel denklemin çözümü aşağıdaki gibidir:
0)0()2/(/)0(/ ====== xwlxdxdwxdxdw (2.31)
Diyaframdaki yerdeğiştirmeyi W=w/h halinde verilirse:
]10[
)]coth()1()sinh(/
2/)1()cosh()]sinh(/
)coth()1[()sinh()1([/)1(4/3)(
1111
21111
1111342
≤≤
+−+
−++−
+++−−=
X
uLPuLP
uXuXLPuXuLP
uLPuXLPuPLxW υ
( 2.32)
Bu denklem, normalleştirilmiş değerler içermektedir. “u” değeri diyafram gerilmesi
için bir ölçümdür.
))1(3/()( 222, LEuXxm υσ −= (2.33)
Eğilme gerilmesi ise aşağıdaki şekildedir:
39
)11;10(
]/1)sinh()1()cosh()]sinh(/
)coth(]1[[/2/3),(
11
11112
,
≤≤−≤≤
+++
−+−=
ZX
uuXLPuXu
LPuLPuEZPLZXxbσ
(2.34)
x yönündeki toplam gerilme, eğilme ve diyafram gerilmesinin toplamıdır:
)(),(),( ,, XZXZX xmxbx σσσ += (2.35)
2.4 Wheatstone Köprüsü
Piezorezistif basınç sensörünün hassasiyeti, sensörün besleme voltajı ile uygulanan
basıncın çıkış voltaj oranı olarak tanımlanır. Bu hassasiyet, direnç boyutu, diyafram
boyutları ve kalınlığın düzenliliğine ve son olarak diyafram üzerinde dirençlerin
yerleşimine bağlıdır.
Piezorezistörler, köprü içindeki komşu dirençlerin ters işaretli direnç değişimini
göstereceği şekilde düzenlenirler. (Şekil 2.5) Bu durum, hassasiyeti arttırmaktadır.
Bu düzenleme genellikle, boyuna ve enine gerilmeler için eşit ve ters piezorezistif
katsayılar kullanılarak yapılmaktadır.
Şekil 2.5 : Wheatstone köprüsü konfigürasyonu
Wheatstone köprüsünden elde edilen çıkış voltajı aşağıdaki gibidir:
beslemecikis VRRRR
RRRRV
)()( 4341
3241
++
−= (2.36)
40
Eğer bu 4 direnç birbirine eşitse, çıkış voltajı sıfır olacaktır. İdeal durumda, sensöre
basınç uygulandığında, dört direnç aşağıdaki şekilde değişecektir:
)1(
)1(
)1(
)1(
4
3
2
1
δ
δ
δ
δ
+=∆+=
−=∆−=
−=∆−=
+=∆+=
RRRR
RRRR
RRRR
RRRR
ve sonucunda
beslemecikis VV δ= (2.37)
Bu sebeple, çıkış voltajı bağıl direnç değişimine bağlıdır. Eğer bu dört dirençteki
dirençlilik değişimleri farklıysa, çıkış voltajı aşağıdaki gibidir:
beslemecikis VV)2()2( 4321
32234114
δδδδ
δδδδδδδδ
++++
−−−++= (2.38)
Eğer, direnç değişimleri yeterince küçükse, Denklem 2.36’daki ikinci derece terimler
ihmal edilebilir ve hassasiyeti Denklem 2.35’ten daha farklı bir doğrusal çıkış voltajı
oluşabilir:
( ) beslemecikis VV 32414
1δδδδ −−+= (2.39)
Sayısal değer silisyumun mekanik özelliklerine ve onun üzerindeki piezorezistif
katsayılarına bağlıdır. Oda sıcaklığındaki ve düşük p-tipi katkılandırmada standart
değerler kullanılmaktadır. Basınç sensörünün hassasiyeti bölümün başında da
bahsedildiği üzere Vcikis/(VbeslemeP) olarak gösterilmektedir. Multimems
uygulamalarında kullanılan 3 µm ve 23 µm diyafram kalınlığı değerleri için ideal
hassasiyet, Şekil 2.6’da gösterilmektedir.
41
Şekil 2.6 : Belli diyafram kalınlıklarına bağlı olarak diyafram kenar uzunlukları ile
hassasiyet ilişkisi. Üst taraftaki eğri 3 µm ve alt taraftaki eğri ise 23 µm
kalınlıkları için verilmiştir.
42
3. SENSÖR TASARIMI VE ÜRETİMİ
Bu bölümde, öncelikli olarak piezorezistif basınç sensörünün boyut tasarımı
yapılarak uygulanacak basınçlar belirlenecektir. Daha sonra CoventorWare 2005
programı yardımıyla tasarımı yapılan piezorezistif basınç sensörünün üretim adımları
açıklanacaktır. CoventorWare programı hakkında genel bilgiler verilecektir.
Ardından, genel MultiMEMS üretim adımlarından bahsedilecektir. Son olarak, tez
konusu piezorezistif basınç sensörünün üretim adımları, kullanılan maskeler ve pul
hakkında genel bilgiler verildikten sonra üretim adımlarının detaylı açıklamaları ve
üretim sonuçları tartışılacaktır.
3.1 Tasarım Koşulları
Bu bölümde CoventorWare programı yardımıyla tasarımı yapılacak piezorezistif
basınç sensörünün diyafram ve hücre boyutları, piezorezistif özellikleri ile sensöre
uygulanacak basınç aralığı belirlenecektir. Ancak tasarımı yapılacak basınç
sensörünün Multimems tarafından üretileceği göz önüne alındığında, öncelikli olarak
Multimems’in tasarım koşullarını ve sınırlarını bilmek gerekecektir. Bu sebeple
öncelikli olarak bu konu hakkında bilgi verilecektir.
3.1.1 Multimems Tasarım Koşulları ve Sınırlamaları
Bu sınırlamalar, pulların proses boyunca deneneceği kuvvetlere karşı mukavemet
göstermesini garanti altına almak için koyulmuştur. Ayrıca, vakum mengenesi,
temizleme ekipmanı, robotik kol gibi bütün normal pulları içermektedir. Akma
kayıpları, üretim aksama süresi gibi ciddi sonuçlar sebebiyet vermemek için,
diyaframın, kütlelerin, yayların yada diğer yapıların puldan ayrılmaması veya
kırılmaması gereklidir. Bu riski engellemek amacıyla, aşağıdaki yükleme
durumlarına dayanabilecek yapıları kanıtlayan modelleme ve simülasyonlar yapmak
gereklidir:
43
• Tasarımlar, 3mm x 3mm, 6mm x 3mm, 3mm x 6mm veya 6mm x 6mm
boyutlarındaki kalıplar için uygundur.
• Sızdırmaz üst cam oluğu olan, zarın kazıması baştanbaşa olmayan ve alt
camda açıklık bulunan cihazlar için, diyaframın duvarları arasında 1 barlık
basınç farkı
• Havalandırmalı üst cam oluğu olan, diyaframın kazıması baştanbaşa olan
cihazlar veya alt ve üst cam oluğu sızdırmaz olan cihazlar için diyaframın
duvarları arasında 0,8 barlık basınç farkı
• Her yönde 2000 g ivme
Bu koşullar altında maksimum gerilme 500 MPa’yı geçmemelidir [17].
Modellemede gerekli tüm geometrik veriler, en olumsuz yöndeki tolerans değerleri
verilerek yapılmalıdır. Örneğin; tolerans içeren diyafram kalınlığının nominal değeri,
tolerans içeren diyafram kenar uzunluğunun nominal değeri vb. [17]
Multimems standart prosesleri, tasarımcıya (100) kristal kesimin n-katkılandırılmış
pul alanlarında p-katkılı piezorezistörler tanımlamalarına izin vermektedir. P-tipi
silisyum kullanım seçeneği, elektrokimyasal kazıma-durdurma tekniği ile uyumluluk
olması gerektiği ve p-tipi malzemenin (110) yönünde n-tipi malzemeye göre daha
yüksek piezorezistif katsayısına sahip olma sebeplerindendir. (110) yönü anizotropik
olarak kazılmış diyaframda yayılı piezorezistörler için standart yön seçeneğidir.
Fakat Multimems, tasarımcıları piezorezistörlerin yönünü belirlemede serbest
bırakmıştır. (100) kesimli pullar, standart döküm prosesleri için kullanılır. (100)
kesimli silisyumun anizotropik kazıma davranışı iyi bilinmektedir. Multimems
servisi tarafından önerilen prosesler, kullanıcının hem gömülü hem de yüzey
piezorezistörleri kullanmasına izin vermektedir. Gömülü piezorezistörler, epitaksiyal
tabaka tarafından pasifleştirildikleri için yüksek kararlılık amacıyla kullanılmaktadır.
Fakat, yüzey piezorezistörlerinde ise daha yüksek hassasiyet görülmektedir [17].
Bu sınırlamaların dışında, Multimems’in standart olarak kullandığı, Si altlık için
gerekli teknik özellikler ve diğer piezorezistif özellikler aşağıda ilgili bölümlerde
bahsedilecektir.
44
3.1.2 Diyafram ve Hücre Boyutları
Diyafram kalınlığı ve diyafram kenar uzunluğunu belirlemek tamamıyla sensöre
uygulanacak basınç aralığıyla ilişkilidir. Tasarımı yapılacak sensöre gaz
uygulanacağı düşünüldüğünde, bu sensör yaklaşık olarak 0-10 bar mertebelerinde
basınca maruz kalacaktır [23]. Maksimum basıncın 0,8 bar olması düşünülürse, bu,
patlama basıncının Ppatlama = 4 bar olması anlamına gelmektedir [28]. Diyafram
kalınlığı Multimems tasarım koşullarına göre 3 µm alınacağı düşünülürse ve bu
diyaframın Akma Gerilmesi 300 MPa alınırsa, bu patlama basıncında diyafram kenar
uzunluğu Şekil 3.1’e göre 300x300 µm olarak hesaplanmaktadır [17].
Şekil 3.1 : Multimems tarafından belirlenmiş kare diyaframlı basınç sensöründeki
Pmax ile diyafram kenar uzunluğu arasındaki ilişki.
45
Üstteki eğri 23 µm diyafram kalınlığı alttaki eğri ise 3 µm diyafram kalınlığı için
gösterilmiştir.
Tasarım için gerekli bir diğer boyut ise, pul kenar uzunlukları ve pul kalınlığıdır.
Tablo 3.1’de Multimems tarafından temin edilecek, pul için kullanılacak silisyum
altlığın özellikleri görülmektedir:
Tablo 3.1 : Silisyum altlığın teknik özellikleri
Katkılama tipi: p (Boron)
Kristal yön: (100) ± 0.5°
Spesifik dirençlilik: 3.0 Ωcm (±20%)
Pul Kalınlığı: 400 ± 10 µm
Toplam kalınlık değişimi: >3 µm
Pul kenar uzunluğunu belirlemede önemli 2 faktör, anizotropik kazıma maskesinin
alanı ve paketleme sonrası kenarlarda bırakılacak ölü alanlardır. Şekil 3.2 de
gösterilen anizotropik gövde kazıma maskesinin boyutlarını belirlemek için
aşağıdaki formülasyon uygulanmalıdır [17]:
Şekil 3.2 : Anizotropik gövde kazıma
LD = ed/tan53.5° - kazımaaltı genişliği = ed*0.74 – 55 µm (3.1)
46
Bu formülasyondaki oksit maskenin kazıma altı genişliği 55 ± 10 µm’dir. Sonuç
olarak, <110> kristal yönünde (100) düzleminde tasarımı yapılacak basınç
sensörlerinin boyutları Tablo 3.2 de verilmiştir:
Tablo 3.2 : Tasarımı yapılacak mikrosensörlerin boyut ve basınç değerleri
Diyafram Kenar
Uzunluğu (µm)
Diyafram
Kalınlığı
(µm)
Pul Kenar
Uzunluğu (µm)
Pul
Kalınlığı
(µm)
Anizotropik
Gövde Kazıma
Maskesi Kenarı
(µm)
Patlama
Basıncı
(bar)
Maksimum
İşletme
Basıncı
(bar)
Akma
Gerilmesi
(MPa)
300 x 300 3 3000x3000 403 867 x 867 4,0 0,8 300
1840 x 1840 23 3000x3000 403 2379x2379 7 1,4 300
Bununla birlikte 3. uygulama olan göbekli kare diyaframlı basınç sensörü içinde bazı
sınırlamalar vardır. Öncelikle göbek kalınlığının diyafram kalınlığının minimum 6
katı daha kalın olması gereklidir. Ayrıca göbekli yapının daha etkili olabilmesi için
l1/l0 oranının 0,15 ten büyük olması gereklidir [26]. Bu koşullar altında 3 µm
diyafram kalınlığına ait göbek kalınlığı 20 µm olarak tasarlanmıştır. Tablo 3.3’te
göbekli kare diyaframlı basınç sensörünün boyut ve basınç değerleri verilmiştir.
Tablo 3.3 : Göbekli kare diyaframlı basınç sensörünün boyut ve basınç değerleri
Diyafram
Kenar
Uzunluğu
(µm)
Diyafram
Kalınlığı
(µm)
Göbek
Kalınlığı
(µm)
Göbek
Genişliği
(µm)
Pul Kenar
Uzunluğu
(µm)
Pul
Kalınlığı
(µm)
Anizotropik
Gövde Kazıma
Maskesi Kenarı
(µm)
Patlama
Basıncı
(bar)
Maksimum
İşletme
Basıncı
(bar)
Akma
Gerilmesi
(MPa)
350 x 350 3 20 60x60 3000x3000 403 917 x 917 4,0 0,8 300
3.1.3 Dirençler ve Dirençlerarası Elektriksel Bağlantılar
Tasarımda kullanılacak piezorezistörlerin genel özellikleri hakkındaki bilgiler Bölüm
2.2 de detaylı olarak verilmiştir. Bu bölümde, p-tipi piezorezistör için kullanılacak
enine ve boyuna piezorezistif katsayıları ile bu dirençlerin boyutları verilecektir.
47
CoventorWare programı yardımıyla yapılacak tasarımda yüzey direnci (SURES)
kullanılacağı düşünülerek Multimems standartlarında kullanılacak bu piezorezistörün
enine ve boyuna katsayıları Tablo 3.4’te verilmiştir [17]:
Tablo 3.4 : T=25°C’de <110> kristal yönünde yerleştirilen dirençler için enine ve
boyuna piezorezistif katsayıları
Piezorezistif Katsayısı
[10-10
Pa-1
]
Direnç / Tabaka Tipi πl πt
Gömülü Direnç (BURES) 6.1 ± 0.6 -5.7 ± 0.6
Yüzey Direnci (SURES) 5.7 ± 0.6 -5.3 ± 0.6
Şekil 3.3’de paralel ve dikine dirençlerin diyafram üzerindeki yerleşimleri
gösterilmektedir.
Şekil 3.3 : Piezorezistörleri oluşturmada kullanılan tipik (a) paralel ve (b) dikine
dirençler
3.2 Coventor Ware 2005 Hakkında Genel Bilgiler
Piezorezistif basınç sensörü tasarımı için Coventor Ware programının 2005
versiyonu kullanılmıştır. Bilindiği üzere MEMS tasarımları karmaşık geometriler ve
48
fizikler içermektedir. CoventorWare (CW) modellerin işlem hacmini arttırmaktadır
ve kullanıcıya daha geniş tasarımlar yapmasına imkân sağlamaktadır [35]. Ek olarak,
CW’nin yeni hibrit yaklaşımı sonlu eleman modellemesi ve sistem düzeyindeki
modellemeyi birleştirmektedir. CW-ARCHITECT’te tasarımcılar CW’nin model
kütüphanesindeki dikkatlice hazırlanmış sonlu eleman modelleriyle sistem düzeyinde
simülasyonları daha kısa sürede yapabilmektedirler [24].
3.2.1 Coventor Ware Modülleri
CW ürünleri, kullanıcının tercih ettiği tasarım akış, metodlama ve uygulamalara göre
farklı yapılandırmalara uygundur. CW, ayrıca, tam bir tasarım akışını içine entegre
edebilen dört ana modülden meydana gelmektedir (Şekil 3.4) [24].
• Architect: Şematik bazda sistem modellemesi hızlıca tasarım alternatiflerini
araştırır ve yüksek hassasiyette performansı optimize eder.
• Designer: Fiziksel tasarım modülü, 2 Boyutlu çizim düzenleyicisi, malzeme
özellik düzenleyicisi ve veritabanı, proses düzenleyicisi ile 2 Boyutlu
çizimleri otomatik olarak 3 Boyutlu model haline getiren çevirici
özelliklerini içermektedir. Bu modülde ayrıca, kullanıma hazır döküm
metodları kütüphanesi bulunmaktadır.
• Analyzer: Çoklu fizik çözümleri analiz sistemini baz almaktadır. Herhangi
bir cihazı tasarlamak için gerekli fiziği desteklemek amacıyla Analyzer
özelleştirilebilir ve tasarımları doğrulamak için Designer ile birlikte
kullanılabilir.
• Integrator: Bu modül, Analyzer’da oluşturulmuş detaylı modellerden
karmaşık doğrusal ve doğrusal olmayan indirgenmiş MEMS modelleri
oluşturmaktadır [24].
49
Şekil 3.4 : CoventorWare programı genel akış diyagramı [24]
3.3 Multimems MPW Prosesleri
Tasarımı yapılacak piezorezistif basınç sensörünün bilgisayar ortamında
oluşturulmasında Multimems tarafından önerilen prosesler uygulanmıştır. Aşağıda
Multimems MPW prosesleri ve üretim adımları kısaca tanıtılmıştır.
3.3.1 Nowel (n-well’siz Bölge)
Bu tabaka, ön yüzeydeki derin n-tipi implantasyon deseni olarak tanımlanır. Bu
implantasyon deseni pulun arka yüzeyindeki kalın bölgenin silisyum dioksit maske
kullanılarak aşındırılmasıyla gerçekleşir (Şekil 3.5). Maske, düz kutupta çizilir.
Böylelikle çizilen alanlar implantasyon yapılmamış alanlar olarak tanımlanır.
İmplantasyonsuz alanlar, p tipi altlığa temas ederler. Eğer BETCH maskesi
implantasyonsuz alanlarda açıksa, bu alanlar TMAH içinde aşındırılır.
Şekil 3.5 : NOWEL maskesinin uygulandığı pulun kesit görünüşü [17]
3.3.2 Bucon (Gömülü İletken)
Bu tabaka, pulun ön yüzüne gömülü iletkenlerin desenlendirilmesi olarak tanımlanır.
Nowel maskesiyle aynı şekilde silisyum pula implantasyon yapılarak sağlanır.
Yalnız, maske olarak direnç kullanılır ve bu maske ters kutba sahiptir. Yani mor
renkli alanlar, iletken desenleri olarak tanımlanır (Şekil 3.6).
50
Şekil 3.6 : BUCON maskesinin uygulandığı pulun kesit görünüşü [17]
3.3.3 Bures (Gömülü Direnç)
Bu tabaka, gömülü dirençlerin desenlendirilmesi olarak tanımlanır. Dirençlerin
katkılanması, silisyum gövdeye p tipi implantasyon yapılarak sağlanır. Burada ayrıca
maske olarak direnç kullanılır. Maske kutbu terstir, böylelikle koyu renkli alanlar
direnç desenleri olarak tanımlanır (Şekil 3.7).
Şekil 3.7 : BURES maskesinin uygulandığı pulun kesit görünüşü [17]
3.3.4 Tikox (Kalın Oksit Tabakası)
Bu tabaka kalın oksit tabakasıdır. Oksit üzerine fotoresist maskesi kullanılarak ıslak
aşındırma uygulanır. Maske düz kutuplandırılır ve çizilen alanlar, kalın oksidi ifade
eder (Şekil 3.8). Kalın oksitin kullanım amacı gömülü iletkenler ve metal iletken
çizgileri arasında yalıtımı sağlamaktır.
Şekil 3.8 : TIKOX maskesinin uygulandığı pulun kesit görünüşü [17]
3.3.5 Sucon (Yüzey İletkeni)
Bu tabaka, yüzey iletkeni olarak tanımlanır. n epitaksiyel tabakasına fotoresist maske
kullanılarak p tipi implantasyonu yapılarak katkılandırılır (Şekil 3.9). Maske ters
kutupludur ve oluşan koyu renkli desenler, iletken olarak tanımlanır.
51
Şekil 3.9 : SUCON maskesinin uygulandığı pulun kesit görünüşü [17]
3.3.6 Sures (Yüzey Resistörü)
Bu tabaka yüzey resistörleri olarak tanımlanır. n epitaksiyel tabakasına fotoresist
maske kullanılarak p tipi implantasyonu yapılarak katkılandırılır (Şekil 3.10). Maske
ters kutupludur ve oluşan koyu renkli desenler, resistörler olarak tanımlanır.
Şekil 3.10 : SURES maskesinin uygulandığı pulun kesit görünüşü [17]
3.3.7 Nosur
Bu tabaka n+ yüzey tabakası olarak tanımlanır. Tabaka, fotoresist maske kullanılarak
n tipi implantasyon yapılmasıyla gerçekleştirilir (Şekil 3.11). Maske, düz kutupludur
ve çizilen desenler implantasyonlu olmayan bölgeleri ifade etmektedir. Sonuç olarak,
çizgi genişliği implantasyonlu olmayan alanları simgeler.
Tabakanın kullanım alanları aşağıdaki gibidir:
• n-kontaklarının yüksek seviyede katkılanması
• Anodik bağlı alanların karşısındaki gömülü iletkenlerin pasifleştirilmesi
Bu tabaka mümkün olan heryere konulabilir. Bununla beraber, n+ -implantasyonu
yüzey tabakasındaki gerilmeyi teşvik eder. Bu durum, direnç ve diyafram alanları
gibi gerilmeye duyarlı yapıların yakınında veya içinde bertaraf edilmelidir.
52
Şekil 3.11 : NOSUR maskesinin uygulandığı pulun kesit görünüşü [17]
3.3.8 Cohol (Temas Boşlukları)
Bu tabaka, ince oksit üzerindeki bağlantılar için temas boşluklarının desenleri olarak
tanımlanır. İnce oksit, fotoresist maske vasıtasıyla aşındırılır. Metalle yüzey veya
gömülü iletken arasındaki elektrik bağlantısını sağlar (Şekil 3.12). Ayrıca, diğer
alanlardaki ince oksit tabakalarını kaldırmak amacıyla kullanılır. Bununla birlikte,
NOBOA’daki (Anodik bağ olmayan tabaka) istenmeyen oksit tabakalarını soymak
için önerilir. Çünkü, silisyum yüzey bu yöntemle daha uzun süre korunmaktadır.
Eğer bu proses uygulanmazsa, bir sonraki adımdaki metal katkılandırılması ve
aşındırma işlemleri korunmasız silisyum alanlarında hasara ve kirlenmeye sebep
olabilir.
Şekil 3.12 : COHOL maskesinin uygulandığı pulun kesit görünüşü [17]
3.3.9 Mcond (Metal İletkenler)
Bu tabaka, ara kablo bağlantıları için alüminyumun desenlendirilmesinden oluşur.
99,99% saflıktaki Alüminyum tabaka, tüm plaka üzerinde yerleştirilir ve fotoresist
maske kullanılarak ıslak kazıma yapılır. Maske düz kutupludur ve maske üzerinde
çizilen alanlar alüminyum çizgileri olarak tanımlanır (Şekil 3.13).
Şekil 3.13 : MCOND maskesinin uygulandığı pulun kesit görünüşü [17]
53
3.3.10 Betch (Arka Yüzey Oksit Desenlendirilmesi)
Bu tabaka, pn birleşimi üstündeki elektrokimyasal aşındırıcı durdurucular vasıtasıyla
silisyum pulun TMAH içine daldırılarak arka yüzeyinin anizotropik aşındırma
yapılmasıyla gerçekleştirilir (Şekil 3.14). Basınç sensörü tasarımında BETCH’in
amacı basınç uygulanacak bölge olan diyaframı oluşturmaktır.
Şekil 3.14 : BETCH maskesinin uygulandığı pulun kesit görünüşü [17]
3.3.11 Noboa (Anodik Bağsız Bölge)
BETCH yapıldıktan sonra ön yüzeydeki izole görevini üstlenen oksit tabakası ıslak
aşındırma ile yok edilerek anodik bağ alanındaki silisyumun saf olarak ortaya
çıkarılması işlemidir (Şekil 3.15). İnce oksit tabakanın ıslak aşındırılması anodik bağ
için gerekli bir işlemdir. Arka yüzeydeki oksit tabakası tamamiyle bu bölgeden
uzaklaştırılır.
Şekil 3.15 : NOBOA maskesinin uygulandığı pulun kesit görünüşü [17]
3.3.12 Retch (Serbest Aşındırma)
Diyafram boyunca varolan yapıların kuru aşındırma ile ortadan kaldırılması
işlemidir. (Şekil 3.16) Aşındırma işlemi sadece epitaksiyel tabaka üzerinde yapılır, n-
well tabakası aşındırılmaz. Aşınma derinliği maksimum 6 µm’dir.
54
Şekil 3.16 : RETCH maskesinin uygulandığı pulun kesit görünüşü [17]
3.3.13 Toge, Bogef, Bogeb
Sensörün paketlenmesi amacıyla kullanılan proseslerdir. Sensörün üzerindeki camın
tek veya çift taraflı izotropik aşındırılma işlemidir. (Şekil 3.17)
Şekil 3.17 : TOGE, BOGEF,BOGEB uygulandığı pulun kesit görünüşü [17]
3.4 Piezorezistif Basınç Sensörü Tasarımında Kullanılan MPW Prosesleri
3.4.1 Base
Bu yapı pul diye tabir edilen sensörü oluşturan ana yapıdır. 3000x3000 µm
boyutlarında ve 403 µm kalınlığındaki yapı, silisyum malzemeden oluşan, farklı
kalınlıklardaki 4 tip alt yapıdan oluşmaktadır. Şekil 3.18’de gösterilen bu yapılar
sırasıyla aşağıda verilmiştir.
• 380 µm kalınlığındaki alt gövde
• 20 µm kalınlığındaki n-well tabaka
• 3 µm kalınlığındaki n-epi tabaka
55
Şekil 3.18 : Base yapısının oluşumu
3.4.2 Nowell
3.3.1 bölümünde uygulama yöntemi bahsedilen nowell prosesiyle basınca maruz
kalacak alanın nihayi kalınlığı belirlenmiş olur (Şekil 3.19). Bu proses yalnızca 3 µm
kalınlığındaki diyafram ve göbekli diyafram uygulamalarında kullanılacaktır.
56
Şekil 3.19 : Nowell prosesi sonucu açığa çıkan yapı
3.4.3 Betch
Betch maskesi uygulanarak piezorezistif basınç sensörüne basınç uygulanacak bölge
açığa çıkarılır. Örneğin; 3 µm kalınlıktaki diyafram uygulaması için açığa çıkan
bölgenin boyutları 300x300 µm’dir. Betch işlemi sonucu açığa çıkan bölgede 2 kat
n-well tabakası ve 1 kat n-epi tabakası bulunmaktadır (Şekil 3.20).
57
Şekil 3.20 : Betch prosesi sonucu açığa çıkan yapı
3.4.4 Sures
Tasarımda gömülü direnç yerine yüzey dirençleri tercih edilmiştir. Bunun sebebi
basınç uygulandığı zaman gerilmelerin yüzeyde oluşacağı ve bu gerilmelerin yüzey
dirençleriyle daha hassas ölçülebilmesidir. Gömülü dirençlerin kullanım ömürleri
yüzey dirençlerine göre daha uzun olsa da algılamaları daha düşüktür. Sures maskesi
de sensörün üzerine piezorezistif elemanların yerleştirilmesi amacıyla
kullanılmaktadır (Şekil 3.21). Sensör yüzeyinde oluşturulan yüzey dirençlerinin
boyutları Bölüm 3.1.2 de verilmiştir.
58
Şekil 3.21 : Sures prosesi sonucu açığa çıkan yapı
3.4.5 Mcond
Mcond maskesi vasıtasıyla dirençler arası metal iletkenler bağlanarak Wheatstone
köprüsü oluşturulur. (Şekil 3.22) Kullanılan metal iletkenlerin malzemesi Al’dir.
Wheatstone köprüsü oluşturulurken dikkat edilecek husus, metal iletkenleri simetrik
olarak yerleştirmektir. Böylece gerilme ölçümü sırasında piezorezistif elemanlara
metal iletkenlerden artık dirençler gitmeyerek daha hassas bir gerilme ölçümü
sağlanacaktır.
59
Şekil 3.22 : Mcond prosesi sonucu dirençler arasına bağlanmış metal iletkenler
3.4.6 MPW ile Göbekli Piezorezistif Basınç Sensörü Tasarımı
Göbekli Piezorezistif basınç sensörü tasarımında da yukarıda bahsedilen maskeler ve
prosesler sırasıyla kullanılmaktadır. Burada diğerlerinden farklı olarak göbeğin
oluşumunda Nowel maskesi 3 defa kullanılmaktadır. Böylelikle 20 µm kalınlığında
Şekil 3.23’te gösterilen göbek oluşturulmaktadır.
60
Şekil 3.23 : MPW da tasarlanmış göbekli kare diyaframlı basınç sensörü
Tasarımı yapılan 3 farklı piezorezistif basınç sensörü CW’de bir sonraki adım olan
meshleme işlemine tabi tutulmaktadır. Burada mesh elemanı olarak “mapped bricks”
kullanılmıştır (Şekil 3.24). Mesh boyutu ise 3 µm ve göbekli kare diyafram için 5
µmve 23 µm’luk diyafram içinde 30 µm’dur. Dolayısıyla, 3 µm, 23 µm ve göbekli
kare diyafram için kullanılan mesh adedi sırasıyla 3600, 3761 ve 3744’tür.
Şekil 3.24 : Meshlemede kullanılan mesh elemanı
61
4. ANALİZ SONUÇLARI ve YORUMLAR
Bu bölümde, Coventor Ware programı yardımıyla MPW üretim sınırlamaları
dahilinde tasarımı yapılan herbir piezorezistif tabanlı basınç sensörünün
yerdeğiştirme, gerilme ve elektriksel devre bağlantı sonuçlarının analiz değerlerinin
teorik olarak hesaplanan değerlerle karşılaştırılması yapılmaktadır. Öncelikle, farklı
noktalardaki yerdeğiştirme değerleri karşılaştırılarak maksimum yerdeğiştirmenin
diyaframın hangi bölgesinde oluştuğu gösterilecek. Daha sonra Tresca ve Von
Misses gerilme değerleri karşılaştırılacak. Son olarak ise elektriksel devre bağlantı
değerleri hesaplanarak çıkış voltajları değerlendirilecek.
4.1 Yerdeğiştirme Analizi
Diyaframa etkiyen basınç kuvvetinden kaynaklı olarak meydana gelen
yerdeğiştirmeler, diyaframın kenarı 0 noktası olarak kabul edilerek merkezine kadar
olan noktalar belli aralıklarla ölçülmüştür. Bu değerler, 3 µm, kalınlığındaki
diyafram için Tablo 4.1’de gösterilmiştir.
Görüldüğü üzere teorik olarak hesaplanan bölümde maksimum yerdeğiştirme değeri
2,0383 µm olarak verilirken bu değer CW analizi sonucunda 1,6964 µm olarak
hesaplanmıştır. Şekil 4.1’de bu değerlerin birlikte yeraldığı grafik yeralmaktadır.
62
Tablo 4.1 : Diyafram kalınlığının 3 µm olduğu durumdaki yerdeğiştirme değişimi
İşletme Basıncı P
[MPa]
Diyafram Kenar
Uzunluğu L (µm)
Diyafram Kalınlığı h (µm)
x (µm) y (µm) Teorik
Yerdeğiştirme w (µm)
CW ile Hesaplanan
Yerdeğiştirme w (µm)
0,08 300 3 0 150 0,0000 0,0000
0,08 300 3 10 150 0,0223 0,0185
0,08 300 3 20 150 0,0881 0,0733
0,08 300 3 30 150 0,1946 0,1620
0,08 300 3 40 150 0,3372 0,2807
0,08 300 3 50 150 0,5096 0,4241
0,08 300 3 60 150 0,7042 0,5861
0,08 300 3 70 150 0,9126 0,7596
0,08 300 3 80 150 1,1257 0,9369
0,08 300 3 90 150 1,3341 1,1103
0,08 300 3 100 150 1,5287 1,2723
0,08 300 3 110 150 1,7011 1,4158
0,08 300 3 120 150 1,8436 1,5344
0,08 300 3 130 150 1,9502 1,6231
0,08 300 3 140 150 2,0160 1,6779
0,08 300 3 150 150 2,0383 1,6964
0,0000
0,5000
1,0000
1,5000
2,0000
2,5000
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150
Diyafram Kenar Uzunluğu (µm)
Yerd
eğ
işti
rme (µ
m)
Teorik Sonuçlar
CW Analiz Sonuçları
Şekil 4.1 : Diyafram kalınlığının 3 µm olduğu durumdaki teorik ve analizle
hesaplanan yerdeğiştirme
Şekil 4.1’de de görüldüğü üzere diyaframın merkezine gidildikçe uygulanan basınç
sonucu oluşan yerdeğiştirme artış göstermektedir. Bu durum merkezde maksimum
halini almaktadır. Şekil 4.2’de, bu yerdeğiştirme sonucu diyaframda oluşan görünüm
CW programı üzerinde gösterilmiştir. Burada iki hesaplama yöntemi arasında açığa
çıkan hata miktarı da aşağıdaki verilmektedir.
63
16,00383,2
6964,10383,2deg =
−=
−=
Hesaplanan
ÖlçülenHesaplanane istirmeyer (4.1)
Şekil 4.2 : Diyafram kalınlığının 3 µm olduğu durumdaki yerdeğiştirmenin CW
programındaki görünümü
Yukarıda 3 µm kalınlığındaki diyafram için yapılan analiz sonuçlarına benzer bir
şekilde 23 µm kalınlığındaki diyafram için farklı basınç altında açığa çıkan
yerdeğiştirme değerleri sırasıyla Tablo 4.2, Şekil 4.3 ve Şekil 4.4’te gösterilmiştir.
64
Tablo 4.2 : Diyafram kalınlığının 23 µm olduğu durumdaki yerdeğiştirme değişimi
İşletme Basıncı P
[MPa]
Diyafram Kenar
Uzunluğu L (µm)
Diyafram Kalınlığı h (µm)
x (µm) y (µm) Teorik
Yerdeğiştirme w (µm)
CW ile Hesaplanan
Yerdeğiştirme w (µm)
0,14 1840 23 0 920 0,0000 0,0000
0,14 1840 23 92 920 0,2741 0,2150
0,14 1840 23 184 920 1,0696 0,8389
0,14 1840 23 276 920 2,3087 1,8106
0,14 1840 23 368 920 3,8699 3,0351
0,14 1840 23 460 920 5,6006 4,3924
0,14 1840 23 552 920 7,3313 5,7498
0,14 1840 23 644 920 8,8926 6,9743
0,14 1840 23 736 920 10,1316 7,9460
0,14 1840 23 828 920 10,9271 8,5699
0,14 1840 23 920 920 11,2012 8,7849
Aynı şekilde bu değerlerle ortaya çıkan hata miktarı 23 µm kalınlığındaki diyafram
için %26 olarak hesaplanmıştır.
0,0000
2,0000
4,0000
6,0000
8,0000
10,0000
12,0000
14,0000
0 92 184 276 368 460 552 644 736 828 920
Diyafram Kenar Uzunluğu (µm)
Yerd
eğ
işti
rme (µ
m)
Teorik Sonuçlar
CW Analiz Sonuçlar
Şekil 4.3 : Diyafram kalınlığının 23 µm olduğu durumdaki teorik ve analizle
hesaplanan yerdeğiştirme
65
Şekil 4.4 : Diyafram kalınlığının 23 µm olduğu durumdaki yerdeğiştirmenin CW
programındaki görünümü
Son olarak, tasarımı yapılan 3 µm diyafram kalınlığında ve 20 µm kalınlığında 60x60
µm genişliğinde göbek bulunan göbekli kare diyaframın CW programı yardımıyla
yapılan tasarımın analiz sonuçları Tablo 4.3, Şekil 4.5 ve Şekil 4.6’da görülmektedir.
Tablo 4.3 : Göbekli kare diyaframdaki yerdeğiştirme
İşletme Basıncı P
[MPa]
Diyafram Kenar
Uzunluğu L (µm)
Diyafram Kalınlığı h (µm)
Göbek Kenar
Uzunluğu (µm)
Göbek Kalınlığı
(µm)
x (µm)
y (µm)
CW ile Hesaplanan
Yerdeğiştirme w (µm)
0,08 350 3 60x60 20 0 175 0,0000 0,08 350 3 60x60 20 15 175 0,0707 0,08 350 3 60x60 20 30 175 0,3712 0,08 350 3 60x60 20 45 175 0,8321 0,08 350 3 60x60 20 60 175 1,3756 0,08 350 3 60x60 20 75 175 1,9409 0,08 350 3 60x60 20 90 175 2,4783 0,08 350 3 60x60 20 105 175 2,9454 0,08 350 3 60x60 20 120 175 3,3074 0,08 350 3 60x60 20 135 175 3,5322 0,08 350 3 60x60 20 150 175 3,6095 0,08 350 3 60x60 20 165 175 3,6106 0,08 350 3 60x60 20 175 175 3,6108
66
0,0000
1,0000
2,0000
3,0000
4,0000
5,0000
0 15 30 45 60 75 90 105 120 135 150 165 175
Diyafram Kenar Uzunluğu (µm)
Ye
rdeğ
işti
rme
(µ
m)
CW Analiz Sonuçlar
Şekil 4.5 : Tasarımı yapılan göbekli kare diyafram için hesaplanan yerdeğiştirme
Şekil 4.6 : Tasarımı yapılan göbekli kare diyafram için hesaplanan
yerdeğiştirmenin CW programındaki görünüşü
67
4.2 Gerilme Analizi
Yerdeğiştirme analizine benzer olarak uygulanan basınç sonucu diyafram yüzeyinde
oluşan gerilme değerleri teorik ve CW programı yardımıyla her bir uygulama için
ayrı ayrı hesaplanmıştır. Diyaframın merkez noktası x=0 ve y=0 kabul edilerek,
Tablo 4.4 ve Tablo 4.5’te sırasıyla 3 ve 23 µm kalınlıklardaki diyaframlar için teorik
gerilme değerleri gösterilmektedir. Tablo 4.4 ve Tablo 4.5’te teorik olarak
hesaplanan gerilme değişim, daha sonra Şekil 4.7, Şekil 4.8, Şekil 4.9 ve Şekil
4.10’da CW analizi sonucunda ortaya çıkan gerilmeleri görülmektedir.
Tablo 4.4 : Diyafram kalınlığının 3 µm olduğu durumdaki gerilme değişimi
x (µm) y (µm) İşletme Basıncı P [MPa]
Diyafram Kenar
Uzunluğu L (µm)
Diyafram Kalınlığı h (µm)
CW'de hesaplanan
Gerilme [MPa]
0 150 0,08 300 3 160,11
10 150 0,08 300 3 158,66
20 150 0,08 300 3 154,32
30 150 0,08 300 3 147,04
40 150 0,08 300 3 136,75
50 150 0,08 300 3 123,42
60 150 0,08 300 3 107,05
70 150 0,08 300 3 87,97
80 150 0,08 300 3 67,35
90 150 0,08 300 3 48,56
100 150 0,08 300 3 48,69
110 150 0,08 300 3 73,35
120 150 0,08 300 3 114,43
130 150 0,08 300 3 166,95
140 150 0,08 300 3 228,70
150 150 0,08 300 3 287,86
68
CW Simulasyonla Hesaplanan Gerilme
0
50
100
150
200
250
300
350
0 20 40 60 80 100
120
140
x [µm]
Geri
lme [M
Pa]
Şekil 4.7 : Diyafram kalınlığının 3 µm olduğu durumdaki CW programı ile
hesaplanan gerilme değerleri. Y ekseni 150 µm olarak alınmıştır.
Şekil 4.8 : Diyafram kalınlığının 3 µm olduğu durumdaki Von Mises gerilmesi
69
CW programında oluşturulan gerilme durumunu Şekil 4.8’da daha açık bir şekilde
görülmektedir. Bu şekilden de diyafram kenarlarında gerilmenin daha yoğun olduğu
ve merkeze doğru bu yoğunluğun azaldığı görülmektedir.
Şekilde görüldüğü üzere Von Mises gerilmeleri çizilmiştir. Bunun anlamı basma ve
çekme gerilmeleri arasında fark olmamasıdır.
Eğer sadece diyafram yüzeyi düşünülürse, gerilme kenarlara doğru maksimum
değerini alır. Merkezde ise maksimum değerin hemen hemen yarısıdır. Fakat ters
işaretlisidir. Bunun anlamı, üst taraf çekme alt taraf basma gerilmesidir. Eğer kenar
orta noktasından merkeze doğru bir çizgi üzerinden bakacak olursak belli bir yerde
gerilme basmadan çekmeye doğru değişim gösterecektir. Mavi olarak gösterilen bu
bölgeler değişim bölgeleridir. Yani bu bölgelerde gerilme sıfıra yakındır.
Diyafram köşelerindeki mavi bölgelerle ilgili olarak, bu bölgeler neredeyse
gerilmesiz bölgelerdir. Çok küçük yerdeğişimleri olan bu bölgelerde eğilme
momentleri de çok küçüktür. Bunu düşünmenin bir diğer yolu basınç vasıtasıyla
diyaframa uygulanan tüm enerji diyaframda yerdeğişimi olarak toplanır. Enerji
sürekli halde dağıtılır ve en verimli olacağı yeri seçer. Köşelerdeki mavi bölgeler
enerjinin dağıtılmadığı bölgelerdir.
Tablo 4.5 : Diyafram kalınlığının 23 µm olduğu durumdaki gerilme değişimi
x (µm) y (µm) İşletme
Basıncı P [MPa]
Diyafram Kenar
Uzunluğu L (µm)
Diyafram Kalınlığı h (µm)
CW'de Hesaplanan
Gerilme [MPa]
0 920 0,14 1840 23 130,11
92 920 0,14 1840 23 127,57
184 920 0,14 1840 23 119,86
276 920 0,14 1840 23 106,87
368 920 0,14 1840 23 88,31
460 920 0,14 1840 23 65,88
552 920 0,14 1840 23 42,24
644 920 0,14 1840 23 46,45
736 920 0,14 1840 23 99,11
828 920 0,14 1840 23 181,65
920 920 0,14 1840 23 261,40
70
CW Simulasyonla Hesaplanan Gerilme
0
50
100
150
200
250
300
0 92 184 276 368 460 552 644 736 828 920
x [µm]
Geri
lme [
MP
a]
Şekil 4.9 : Diyafram kalınlığının 23 µm olduğu durumdaki CW programı
ile hesaplanan gerilme değerleri. Y ekseni 920 µm olarak alınmıştır.
Şekil 4.10 : Diyafram kalınlığının 23 µm olduğu durumdaki Von Misses gerilmesi
71
Son olarak, Şekil 4.11 ve Şekil 4.12’de sırasıyla göbekli kare diyaframda oluşan Von
Mises gerilme değerleri grafiğini ve CW programındaki görüntüsü görebilirsiniz.
Görüldüğü üzere, kenar bölgelerde ve göbeğin köşelerinde gerilme değerleri oldukça
yüksek çıkmıştır.
0,0000
50,0000
100,0000
150,0000
200,0000
250,0000
300,0000
350,0000
400,0000
450,0000
0 15 30 45 60 75 90 105 120 135 150 165 175
Diyafram Kenar Uzunluğu [µm]
Von M
isses G
erilm
esi [M
pa]
CW Analiz Sonuçlar
Şekil 4.11 : Göbekli kare diyaframda CW ile hesaplanan gerilme.
Şekil 4.12 : Göbekli kare diyaframda oluşan Von Mises gerilmesi
72
Yukarıda CW ile elde edilmiş gerilme değerleri, Denklem 2.24 ile diyafram
merkezinde ve Denklem 2.25 ile diyaframın kenar orta noktasındaki gerilme
değerleri ile karşılaştırılarak Şekil 4.12’deki grafik elde edilmiştir.
Şekil 4.13 : Teorik ve CW ile hesaplanan gerilme değerlerinin karşılaştırılması
Görüldüğü üzere programdan elde edilen değerler teorik değerlerle uyum
göstermektedir. Dairesel olmayan diyaframlı basınç sensörlerinde, herhangi bir
noktadaki gerilme değerini verebilecek formül henüz bulunamamıştır. Yalnızca
ölçümlere ve FEM modelleri baz alınarak yaklaşık hesaplamalar ve modellemeler
yapılmıştır. (29,30)
4.3 Elektriksel Devre Analizi
Analiz kısmının son bölümünde uygulanan basınç ile wheatstone köprüsünden
okunan çıkış voltajları arasındaki ilişki incelenmiştir. Tablo 4.6’da 3 ve 23 µm
diyafram kalınlıklarında ve göbekli kare diyafram durumunda uygulanan basınca
göre açığa çıkan voltaj değerleri gösterilmiştir. Açığa çıkan voltaj ve hassasiyet
değerleri Şekil 2.6 ile uyumluluk göstermektedir.
73
Tablo 4.6 : Diyafram kalınlıklarına göre açığa çıkan voltaj değerleri
Diyafram Kalınlığı h (µm)
İşletme Basıncı P
[MPa]
∆R/R [Ω]
πl [Pa-1]
πt [Pa-1]
σl
[MPa] σt
[MPa]
Vbesl
eme [V]
Vcikis [mV]
3 0,08 0,1450 5,7E-10 -5,3E-10 287,86 -1E-05 5 820,40
23 0,14 0,1328 5,7E-10 -5,3E-10 261,40 -2E-05 5 744,99
Göbekli kare diyafram
0,08 0,2303 5,7E-10 -5,3E-10 404,010 -1E-05 5 1.151,43
Son olarak farklı basınç değerlerinde açığa çıkan gerilmelerden yola çıkarak Şekil
4.14, 4.15 ve 4.16’de tasarımı yapılan üç farklı basınç sensörünün çıkış voltaj
değerleri bulunarak hassasiyet eğrileri çıkarılmıştır.
3 µm kalınlığındaki diyaframın hassasiyet grafiği
y = 176,313x + 1,221
0,00
50,00
100,00
150,00
200,00
250,00
300,00
350,00
0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4 1,5 1,6
Uygulanan Basınç P [bar]
Vc
ikis/V
be
sle
me [
mV
/V]
Şekil 4.14 : 3µm kalınlığındaki diyaframın hassasiyet grafiği
23 µm kalınlığındaki diyaframın hassasiyet grafiği
y = 108,1712x + 0,3322
0,00
50,00
100,00
150,00
200,00
250,00
300,00
350,00
0,6 0,8 1 1,2 1,4 1,6 1,9 2,1 2,3 2,5 2,7
Uygulanan Basınç P [bar]
Vc
ikis/V
be
sle
me [
mV
/V]
Şekil 4.15 : 23µm kalınlığındaki diyaframın hassasiyet grafiği
74
3 µm kalınlığındaki göbekli diyaframın hassasiyet grafiği
y = 279,81x + 0,3848
0,00
50,00
100,00
150,00
200,00
250,00
300,00
0,2 0,4 0,6 0,8 1
Uygulanan Basınç P [bar]
Vcik
is/V
be
sle
me [
mV
/V]
Şekil 4.16 : Göbekli kare diyaframın hassasiyet grafiği
Yukarıdaki üç grafikte MPW tasarım sınırlamalarına göre elde edilmiştir. CW’den
hesaplanan gerilme değeri 500 MPa’yı geçmeyecek şekilde basınç uygulanmıştır.
Böylelikle üç farklı diyafram tipi içinde uygulanacak basınç aralıkları belirlenmiştir.
Yukarıdaki üç şekilden görüldüğü üzere tasarımı yapılan üç farklı basınç sensörü de
üç farklı lineer hassasiyet grafiklerine sahiptir. Elde edilen denklemler sonucu üç
basınç sensörünün de kendine ait basınç aralıkları içinde uygulanacak herhangi bir
basınç değerinde okunması gereken çıkış voltajı elde edilecektir.
Şekil 4.16’dan elde edilen denklemde, göbekli kare diyaframın aynı koşullarda 3 µm
kalınlığındaki diyaframa göre hassasiyetinin daha yüksek olduğunu göstermektedir.
Son olarak, Bölüm 3’te bahsedilen meshleme sistemiyle ilgili olarak, kullanılan mesh
sistemi dışında CW programında daha farklı mesh modülleri de yer almaktadır.
Ancak farklı mesh sistemleriyle yapılan denemelerde, örneğin 3 µm kalınlıktaki
diyafram için mapped bricks mesh elemanında lineer yerine parabolik bağ tipi
seçildiğinde, elde edilen yerdeğiştirme değerlerinin %15 daha fazla buna karşılık
gerilme değerlerinin %28 daha düşük çıktığı tespit edilmiştir. Bunu teorik
yerdeğiştirme değerleriyle kıyasladığımız zaman hata payının daha yüksek olduğu
görülmüştür. Bu sebeple tasarımı yapılan piezorezistif basınç sensörleri için en
uygun mesh elemanı olarak “mapped bricks” tipi lineer bağlı tipi tercih edilmiştir.
75
5. GENEL SONUÇLAR ve ÖNERİLER
5.1 Genel Sonuçlar
Bahsi geçen MEMS tabanlı piezorezistif basınç sensörlerinde, basınç ölçülebilmesi
için diyafram kenarlarına piezorezistif elemanlar yerleştirilerek ortaya çıkan voltaj
değerleriyle ölçülmektedir. Bunun yanı sıra gerilme analizi de bu elemanlar
sayesinde yapılmaktadır. Ortaya çıkan voltaj farkı Wheatstone köprüsü
konfigürasyonu yaratılarak dirençler arası değişim sayesinde ölçülebilmektedir.
Sensör tasarımları, MPW üretim standartlarına göre hazırlanmıştır. Diyafram
kalınlıkları 3 ve 23 µm olarak belirlenmiştir. Sensörlerin ikiside 403 µm
kalınlığındaki Si malzemeden oluşan kare pullar üzerine yerleştirilmiştir. Basınca
maruz kalacak diyafram bu kare pullar üzerinde oluşturulduktan sonra diyaframların
dört kenarına piezorezistif elemanlar yerleştirilerek Wheatstone köprüsü
oluşturulmuştur. Piezorezistif elemanları birbirine bağlayan Al iletkenler
kullanılmıştır.
Sensörün oluşumunda Multimems üretim teknikleri kullanılmıştır. Gövde
mikroişleme tekniğiyle tasarlanan sensörde 5 adet maske kullanılmıştır. Bu maskeler
sırasıyla, BASE, BETCH, NOWELL, SURES ve MCOND’dur.
Her iki sensör içinde farklı basınçlar uygulanmıştır. 3 µm kalınlıktaki diyafram için
0,08 MPa lık bir basınç uygulanarak açığa çıkan gerilme ve yerdeğiştirme değerleri
CW programı yardımıyla hesaplanmıştır. Ortaya çıkan değerler, teorik
hesaplamalarla karşılaştırılmıştır. Her iki hesap yönteminde de diyafram merkezinde
maksimum yerdeğişimi ve kenarlarda ise maksimum gerilme oluşmuştur. Bu durum
diğer bir uygulama olan 0,14 MPa basınç altındaki 23 µm kalınlığında diyafram için
de geçerliliğini korumuştur. Bunların dışında 20 µm göbek kalınlığı ve 3 µm
diyafram kalınlığında 0,08 MPa basınç altında tasarımı yapılan göbekli kare
diyafram için CW programı yardımıyla yerdeğişimi, gerilme ve çıkış voltajı değerleri
76
hesaplanmıştır. Bu sonuçlar kullanılarak, aynı diyafram kalınlıkların ve aynı
basınçlar altında göbekli kare diyaframın hassasiyetinin normal diyaframa göre daha
yüksek olduğu görülmüştür.
Sonuç olarak, tasarımı yapılan her üç piezorezistif basınç sensörü de gerek MPW
tasarım sınırlamaları gerekse teorik hesaplamalarla uyum gösterdiği için üretilebilir
durumdadır.
Maliyet açısından bakıldığında ise, MultiMEMS tarafından üretilen piezorezistif
basınç sensörleri endüstriyel uygulamalar için 1 kalıbın içinde bulunan 20 adet
piezorezistif basınç sensörü $10.000 mertebelerindedir. Fakat, üretim adedi arttıkça
maliyeti daha düşmektedir. Örneğin, 100.000 adetlerde üretildiği takdirde maliyeti
$1,00 a kadar gerilemektedir. Buda piyasadaki çoklu kullanımlar için büyük
avantajlar sağlamaktadır.
Piyasada kullanılan piezorezistif basınç sensörleri incelendiğinde örneğin Kistler
marka Type4005A modeli 0-2 bar, 0-5 bar ve 0-10 bar seçenekleri
bulunmaktadır[36]. Bu basınç sensörü içten yanmalı motorların emme subaplarında
basınç ölçümünde kullanılmaktadır (Şekil 5.1). Tasarımı ve analizi yapılan 3 farklı
piezorezistive basınç sensörü de bu amaç için kullanıma uygundur.
Şekil 5.1 : Kistler Type4005A tipi piezorezistive basınç sensörü
5.2 Öneriler
Bu çalışmanın amacı, Türkiye’de yeni ve hızlı bir şekilde gelişen MEMS
teknolojisinde, CW programı yardımıyla ve MultiMEMS sınırlamalarına dayanarak
tasarımı yapılan 3 farklı piezorezistif basınç sensörü Türkiye’de bu tarz çalışmaların
daha da geliştirilebilmesi için bir adım niteliği teşkil etmektir. Bunun dışında, diğer
basınç sensörlerine göre piezorezistif basınç sensörünün farklı basınç aralıklarına
77
hitap eden daha düşük maliyetli ve geniş uygulama alanına sahip bir basınç sensörü
olduğunu göstermektir.
Bu çalışma sayesinde CW gibi MEMS sensörleri tasarımında kolaylıklar sağlayan bir
program kullanılmıştır. Bu program kullanılarak bu çalışmadan sonra pek çok farklı
tipte sensör tasarımı yapılabilir. Örneğin CW kullanılarak bir ivmeölçer tasarımı
yapılabilir. Bunun dışında tasarım sınırlamaları içerisinde farklı boyutlarda, farklı
diyafram geometrilerinde ve farklı basınç aralıklarında piezorezistif basınç sensörleri
de tasarlanıp üretilebilir. Ayrıca, basınç sensörünün fonksiyonelliği arttırılarak
yanına birde sıcaklık sensörü entegre edilebilir. Böylelikle farklı sıcaklıklarda farklı
basınç aralıklarında ölçüm yapabilen sensörler tasarlanabilir.
Bir başka açıdan bakarsak, İTÜ’de kurulum aşamasında olan temiz odada bu tezin
yapılmış olan çalışması baz alınarak basınç sensörü üretimi yapılabilir.
78
KAYNAKLAR
[1] http://www.memsnet.org/mems, 2006.
[2] Judy, J.W.,2001. Microelectromechanical systems (MEMS): fabrication, design
and applications, Smart Materials and Structures, 10,
1115-1134.
[3] Nathanson, H.C., Newell, W.E., Wickstrom, R.A., and Davis, J.R.Jr., 1967.
The resonant gate transistor, IEEE Trans. Electron Devices, 14-117 .
[4] Howe, R.T., and Muller, R.S.,1986. Resonant-microbridge vapor sensor, IEEE
Advancement Sci., Gray-Milne Trust, London.
[5] Fan, L. S., Tai, Y.C., and Muller, R.S., 1989. IC-processed electrostatic
micromotors, Sensors Actuators, 20, 41–7.
[6] Pister K.S.J., Judy, M.W., Burgett, S.R., and Fearing, R.S.,1992.
Microfabricated hinges Sensors Actuators, 33, 249–56.
[7] Kaplan, H. and Dölen, M., 2003. Mikro-Elektro-Mekanik Sistemler (MEMS):
Üretim Teknikleri, 11. Ulusal Makine Teorisi Sempozyumu, Gazi
Üniversitesi, Ankara, Türkiye, Eylül 4-6.
[8] Kovacs, G.T.A., Maluf, N. I., and Petersen, K. E., 1998. Bulk Machining of
Silicon, Proc. of the IEEE, 86, 1536-1551.
[9] Kovacs, G.T.A., 1998. Micromachined Transducers Sourcebook, McGraw-Hill,
Boston.
[10] Petersen, K.E., 1982. Silicon as a mechanical material, Proc. IEEE, 70, 420–
57.
[11] L¨armer, F., and Schilp, P., 1994. Method of anisotropically etching silicon,
German Patent, DE4,241,045
[12] Klaassen, E.H., Petersen, K., Noworolski, J.M., Logan, J., Maluf, N.I.,
Brown, J., Storment, C., McCulley, W., and Kovacs, G.T.A., 1995.
79
Silicon fusion bonding and deep reactive ion etching; a new
technology for microstructures, Proc. Int. Solid-State Sensors and
Actuators Conf., Transducers ’97, Stockholm, pp. 556–9.
[13] Keller, C., and Ferrari, M., 1994. Milli-scale polysiliconstructures Solid-State
Sensor and Actuator Workshop Technical Digest, pp. 132–7, Hilton
Head Island, SC.
[14] Ehrfeld, W., 1987. Fabrication of microstructures using the LIGA process,
Proc. IEEE Micro Robots Teleoperators Workshop.
[15] http://www.dataacquisiton.us/industrial_electronics, 2006.
[16] Senturia, S.D., 2001. MicroSystem Design, Kluwer Academic Publishers,
Massachusetts.
[17] Multimems Microsystems Manufacturing Cluster Multimems Process Design
Handbook Version 3.0, PartIIIa, SensoNor, 2003.
[18] Smith, C.S., 1954. Piezoresistance effect in germanium and silicon, Physical
Review, 94, 42-49.
[19] Ragab, A.R., Bayoumi, S. E., 1999. Engineering Solid Mechanics
Fundamentals and Applications, CRC Pres, New York.
[20] Clark, S.C., Wise, K.D., 1979. Pressure Sensitivity in Anisotropically Etched
Thin-Diaphragm Pressure Sensors, IEEE Transactions on Electronic
Devices, ED-26, No:12.
[21] Tufte, O.N., Chapman, P.W., and Long, D., 1962. Silicon diffused-element
piezoresistive diaphragm, J.Appl.Phys., 33, 3322-3327.
[22] Bistue, G., Elizalde, J.G., Garcia-Alonso, S., Castano, E., Gracia, F.J., and
Garcia-Alonso, A., 1997. A design tool for pressure microsensors
based on FEM simulations, Sens. Actuators A, 62, 591-594.
[23] http://www.sclindia.com/news/Datasheet%20SCP02.pdf
[24] www.coventor.com/coventorware, 2006.
[25] Timoshenko, S., Woinowsky-Krieger, S., 1940. Theory of Plates and Shells,
McCraw-Hill, New York.
80
[26] Sandmaier, H., Kühl, K., 1993. A Square-Diaphragm Piezoresistive Pressure
Sensor with a Rectangular Central Boss for Low-Pressure Ranges,
IEEE Transaction on Electronic Devices, 40, 1754-1759.
[27] Young, W.C., Budynas, R.G., 2002. Roark’s Formulas for Stres and Strain,
McCraw-Hill, New York.
[28] Zorlu, Ö., 2002. A Piezoresistive Pressure and Temperature Sensor Cluster,
MSc Thesis, METU, Ankara.
[29] Blasquez, G., Naciri, Y., Blondel, P., Moussa, N. B., Pons, P., 1987. Static
Response of Miniature Capacitive Pressure Sensors with Square or
Rectangular Silicon Diaphragm, Revue Phys., 22, 505.
[30] Boman, P., Vienne, D., Bouwstra, S., Linear Behaviour of Differential
Pressure Loaded Square Diaphragms with Elastic Support, Tech.
Digest, 8th Micromechanichs Europe Workshops, Southampton, UK,
September 1997, 227.
[31] Trabzon, L., Lukat, K., Jankowski, I., Duerr, P., Schenk, H., Measurement
of Charging Under DUV Laser by a Test Chip for MOEMS and the
Mechanism of Charging, Proceedings of the 6th euspen International
Conference, Wien, Austuria, May 2006, 66.
[32] Erdener, O., Trabzon, L., Toker, A., Design and Analysis of Surface
Micromachined Accelerometer With High Dynamic Range by Force
Feedback Mechanism, 16th Workshop on Micromachining,
Micromechanics, and Microsystems, Göteburgh, Sweden, September
2005, 160.
[33] Yıldız, H. A., Önel, A., Trabzon, L., Karakaş, H. C., Uçar, N., On the Design
and Analysis of a Simple Smart Shirt for Monitoring Sudden Infant
Death in Babies, International Scientific Conference “Intelligent
Ambience and Well-Being”, Tampere, Finland, September 2005, 1.
[34] Trabzon, L., 2006. Fabrication of Microchannels, Journal of Engieer and
Machinery, 47, 34.
[35] Türkmen, Ö., 2006. MEMS Tabanlı Piezorezistif Akış Sensörü Tasarımı ve
Analizi, Y. Lisans Tezi, İTÜ, İstanbul.
[36] www.kistler.com, 2007.
81
ÖZGEÇMİŞ
Erdem ÇELİK, 06.05.1981 tarihinde İstanbul’da doğdu. Lise Öğrenimini Fatih Şehremini Lisesi’nde tamamladıktan sonra 1999 yılında İ.T.Ü. Makina Fakültesi Makina Mühendisliği Bölümüne girdi. 2004 yılında lisans eğitimini tamamladıktan sonra aynı sene İ.T.Ü. Makina Fakültesi, Malzeme ve İmalat Anabilim Dalı’nda yüksek lisans öğrenimine başladı. Halen yüksek lisans eğitimine devam etmekte ve aynı zamanda Mektes Mühendislik Ltd. Şti. firmasında Makina Mühendisi olarak çalışmaktadır.
