xxiii Ïανελληνιο ÏÏ Î½ÎµÎ´Ïιο ÏÏ ÏÎ¹ÎºÎ·Ï ÏÏεÏÎµÎ±Ï ÎºÎ±ÏαÏÏαÏÎ·Ï & εÏιÏÏÎ·Î¼Î·Ï ...
xxiii Ïανελληνιο ÏÏ Î½ÎµÎ´Ïιο ÏÏ ÏÎ¹ÎºÎ·Ï ÏÏεÏÎµÎ±Ï ÎºÎ±ÏαÏÏαÏÎ·Ï & εÏιÏÏÎ·Î¼Î·Ï ...
xxiii Ïανελληνιο ÏÏ Î½ÎµÎ´Ïιο ÏÏ ÏÎ¹ÎºÎ·Ï ÏÏεÏÎµÎ±Ï ÎºÎ±ÏαÏÏαÏÎ·Ï & εÏιÏÏÎ·Î¼Î·Ï ...
You also want an ePaper? Increase the reach of your titles
YUMPU automatically turns print PDFs into web optimized ePapers that Google loves.
Κατασκευή και Xαρακτηρισμός Αισθητήρα Θέσης με Συνδυασμό Τεχνολογιών<br />
Μικρομηχανικής και Τυπωμένων Κυκλωμάτων<br />
Α. Πετρόπουλος 1 , Γ. Καλτσάς 1, 2 , Α. Γ. Νασιοπούλου 1<br />
1 Ινστιτούτο Μικροηλεκτρονικής, Ε.Κ.Ε.Φ.Ε. «Δημόκριτος» , 15310 Αγία Παρασκευή, Αθήνα<br />
2<br />
ΤΕΙ Αθήνας, Τμήμα Ηλεκτρονικής, Αγ. Σπυρίδωνος, 12210 Αιγάλεω, Αθήνα<br />
tpetro@imel.demokritos.gr<br />
1. Εισαγωγή<br />
Στην παρούσα εργασία παρουσιάζεται η μελέτη ενός καινοτόμου αισθητήρα θέσης, ο οποίος κατασκευάστηκε μέσω μιας<br />
νέας τεχνολογίας κατασκευής θερμικών αισθητήρων σε πλαστικά υποστρώματα [1]. Συνδυάζοντας τυπικές διαδικασίες<br />
κατασκευής της μικροηλεκτρονικής καθώς και την τεχνολογία των τυπωμένων κυκλωμάτων, η προτεινόμενη υβριδική<br />
τεχνολογία αποτελεί μια μέθοδο δημιουργίας αισθητήρων απαλλαγμένη από πολλά προβληματικά στάδια που ενυπάρχουν<br />
στις παραδοσιακές τεχνολογίες κατασκευής αισθητήρων όπως το wire bonding, die bonding, die cutting, ενώ επιτρέπει την<br />
απευθείας ολοκλήρωση του αισθητήρα με τα ηλεκτρονικά κυκλώματα ελέγχου. Επιπλέον, η παντελής απουσία πυριτίου ή<br />
άλλων μετάλλων πέρα από το πολύ μικρής θερμικής μάζας αισθητήριο στοιχείο (αντιστάτης πλατίνας πάχους 300nm) στο<br />
κύριο σώμα της όλης διάταξης, εξασφαλίζουν πολύ υψηλό βαθμό θερμικής μόνωσης και κατά συνέπεια αυξημένη<br />
ευαισθησία και μικρό χρόνο απόκρισης.<br />
Εικ 1. Τα στάδια της τεχνολογίας κατασκευής<br />
(α) Μορφοποίηση χαλκού στην επιφάνεια του FR4<br />
(β) Λιθογραφία στρώματος ομαλοποίησης (SU-8)<br />
(γ) Λιθογραφία mA-p<br />
(δ) Εναπόθεση πλατίνας<br />
(ε) Lift off<br />
2. Τεχνολογία Κατασκευής<br />
Η διαδικασία κατασκευής παρουσιάζεται συνοπτικά στην Εικ. 1. Το<br />
αρχικό στάδιο είναι η μορφοποίηση του χαλκού πάνω σε υπόστρωμα<br />
τυπωμένων κυκλωμάτων (α), η οποία επιτυγχάνεται μέσω της<br />
φωτοχημικής μεθόδου (photoengraving). Η συγκεκριμένη μέθοδος<br />
αποφέρει σαν αποτέλεσμα μια σχετικά ομαλή επιφάνεια πλακέτας σε<br />
σχέση με την εναλλακτική μέθοδο διαμόρφωσης του χαλκού, αυτή της<br />
μηχανικής εγχάραξης (mechanical milling). Γενικά η υπάρχουσα<br />
επιφανειακή ανωμαλία του PCB είναι το βασικό πρόβλημα προκειμένου<br />
να εφαρμοστούν τεχνικές μικροηλεκτρονικής προς κατασκευή<br />
διατάξεων πάνω στις πλακέτες. Αυτή η ανωμαλία προκύπτει από την<br />
δεδομένη τραχύτητα του υποστρώματος FR4, αλλά και από το μεγάλο<br />
πάχος των διαδρομών του χαλκού (τυπικά ~25μm) σε σχέση με τις προς<br />
κατασκευή διατάξεις. Η αντιμετώπιση του προβλήματος<br />
πραγματοποιείται με την υλοποίηση ενός στρώματος ομαλοποίησης με<br />
χρήση του αρνητικού τόνου φωτοευαισθητοποιητή SU-8 σε πάχος 15μm<br />
(β). Το στρώμα αυτό δεν αναπαράγει την ανομοιομορφία του<br />
υποστρώματος και παρέχει μια σχετικά ομαλή άνω επιφάνεια ως<br />
πλατφόρμα για περαιτέρω λιθογραφικά βήματα. Στη συνέχεια, ορίζονται<br />
οι διαδρομές των αντιστατών πλατίνας, με την λιθογραφική<br />
διαμόρφωση ενός στρώματος θετικού τόνου φωτοευαισθητοποιητή mAp,<br />
πάχους 15μm, έτσι ώστε τα άκρα τους να είναι σε επαφή με τις<br />
διαδρομές του χαλκού (γ). Η μετέπειτα εναπόθεση πλατίνας (δ) και το<br />
lift-off της mA-p φέρνουν την διάταξη στην τελική της μορφή (ε). Οι<br />
αντιστάτες πλατίνας λειτουργούν ως τα αισθητήρια στοιχεία τα οποία<br />
καθιστούν δυνατή την καταγραφή του θερμοκρασιακού πεδίου και την<br />
έμμεση εξαγωγή αποτελεσμάτων για σχετιζόμενα φυσικά μεγέθη.<br />
3. Αισθητήρας θέσης<br />
3.1 Αρχή λειτουργίας<br />
Η καταγραφή της θέσης ενός κινούμενου σώματος τυπικά επιτυγχάνεται μέσω συσκευών βασισμένων στην<br />
ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία, στο οπτικό φάσμα, σε μετρήσεις χωρητικότητας και μέσω υπερήχων [2-5]. Ο παρών<br />
αισθητήρας αποτελεί την πρώτη προσέγγιση για καταγραφή της θέσης μέσω της αξιοποίησης της διάχυσης της θερμότητας.<br />
Η αρχή λειτουργίας του αναφέρεται στον εντοπισμό της θέσης μιας κινούμενης θερμικής πηγής μέσω της αποτύπωσης του<br />
δημιουργούμενου θερμοκρασιακού πεδίου στο χώρο. Η κίνηση αυτή πραγματοποιείται σε επίπεδο παράλληλο με αυτό των<br />
αντιστατών, σε διεύθυνση κάθετη στον άξονά τους (Εικ 2α). Η θερμική πηγή δημιουργεί στον άμεσο χώρο που την<br />
περιβάλλει μια θερμοκρασιακή κατανομή, έτσι ώστε όταν ένας από τους αντιστάτες εισέρχεται μέσα στο πεδίο αυτό, η<br />
αυξημένη θερμοκρασία έχει σαν αποτέλεσμα την συνακόλουθη αύξηση της τιμής της παρατηρούμενης αντίστασης. Η<br />
περαιτέρω προσέγγιση της πηγής στον αντιστάτη έχει σαν αποτέλεσμα την επιπλέον αύξηση της τιμής της αντίστασης.<br />
Προφανώς η κορυφή στην κατανομή της τιμής της αντίστασης αντιστοιχεί στην εγγύτατη θέση μεταξύ του αισθητήριου<br />
στοιχείου και της πηγής. Μείωση της τιμής καταδεικνύει την απομάκρυνση της πηγής. Η κατανομή του πεδίου αυτού πρέπει<br />
να είναι πολύ εντοπισμένη, έτσι ώστε να είναι σε θέση το σύστημα να αποδώσει αξιοποιήσιμα δεδομένα από άποψη<br />
ευκρίνειας. Ιδανικά η μεταφορά της θερμότητας θα γινόταν μόνο μέσω του ενδιάμεσου στρώματος αέρα, ωστόσο οι<br />
υπάρχουσες απώλειες προς το υπόστρωμα και το περιβάλλων την αντίσταση υλικό, μειώνουν την ευαισθησία της συσκευής.<br />
Η παρούσα διάταξη παρουσιάζει πολύ καλή θερμική μόνωση, λόγω των πολυμερών υλικών στα οποία είναι βασισμένη η<br />
80
Change language