Помощничек
Главная | Обратная связь


Археология
Архитектура
Астрономия
Аудит
Биология
Ботаника
Бухгалтерский учёт
Войное дело
Генетика
География
Геология
Дизайн
Искусство
История
Кино
Кулинария
Культура
Литература
Математика
Медицина
Металлургия
Мифология
Музыка
Психология
Религия
Спорт
Строительство
Техника
Транспорт
Туризм
Усадьба
Физика
Фотография
Химия
Экология
Электричество
Электроника
Энергетика

Конструкція датчику вологості

ЛАБОРАТОРНА РОБОТА №2

з курсу “Електронні сенсори”

на тему: “Виготовлення та дослідження ємнісних датчиків вологості”

 

 

Виконали:

 

 

Київ 20.. р

1. Мета роботи: виготовлення та дослідження характеристик датчика вологості

 

2. Теоретичні відомості:

Процес фотолітографії

В літографічних процесах на поверхні підкладки формують шар резистивного, стійкого до наступних технологічних агресивних взаємодій матеріалу, який під впливом опромінення визначеної довжини хвилі незворотньо змінює свої властивості, втративши стійкість до спеціальних сумішей – проявників. Цей резистивний шар локально опромінюють за допомогою шаблону. В залежності від довжини хвилі застосованого опромінення розрізняють оптичну, рентгенівську та електронну літографію.

 
 

       
   
 

Рис.1. Класификація методів літографії

 

Оптична літографія (фотолітографія) відповідно зі способом отримання (експонування) може бути контактною або безконтактною (фотолітографія на мікропроміжку та проекційна фотолітографія, відповідно).

В виробництві сучасних мікросхем фотолітографія – самий універсальний технологічний процес. Вона дозволяє з великою точністю та повторюваністю виконувати складні рисунки з розмірами елементів до одиниць мікрону на різноманітних матеріалах.

За допомогою фотолітографії виготовляють фотошаблони – інструменти для виробництва самого процесу фотолітографії.

Основою процесу фотолітографії є фотохімічні реакції, котрі йдуть у світлочутливих матеріалах (фоторезистах) під дією опромінення, до якого матеріал фоторезистивного шару є чутливим та котре викликає необхідні зміни властивостей матеріалу.

Фотохімічні реакції підлягають наступним основним законам:

- закон Грогуса-Дреппера визначає, що будь-яка фотохімічна зміна може призвести тільки поглинання опромінення;

- закон Ейнштейна-Штарка визначає, що поглинений квант світла спроможній активізувати тільки одну молекулу.

Можливість реального протікання фотохімічної реакції залежить від енергії збудження молекул. В полімерах енергія зв’язку молекул лежить в межах 40-100 ккал/моль, що відповідає ультрафіолетовій області спектру. Кожний поглинений квант в залежності від його енергії переходить в електронно-збуджений стан або розриває на вільні радикали тільки одну вільну молекулу в фоторезистивному шарі.

Локальні області зруйнованого фоторезисту, котрі формуються при опроміненні, на відміну від неопромінених областей стають гідрофільними та легко виводяться в проявниках з лужними властивостями.

Фоторезисти представляють собою складні полімерні композиції, в складі котрих є фоточутливі та плівкоформуючі компоненти, розчинники та спеціальні додатки. Останні вводяться для покращення умов плівкоутворення (розріджувачі), для зміни фоточутливості (сенсибілізатори), для покращення адгезії фоторезистивного шару до підкладок, стійкості до дії кислот, лугів, високих температур тощо.

Розчинники визначають стабільність властивостей готових фоторезистів, впливають на процес нанесення та послідуюче висихання фоторезистивного шару.

Тип фоторезисту вибирають в залежності від конкретного використання. Позитивний фоторезист дозволяє отримати менші розміри елементів та більш чіткі межі рисунку. Негативні фоторезисти більш стійкі в процесах, пов’язаних з електролітичним осадженням металів та з глибоким травленням. Фоточутливість характеризує здібність фоторезисту незворотньо змінювати свою стійкість до проявника під дією опромінення.

Реакції, що йдуть на темновій стадії, призводять до структурування (зшивки), або, навпаки, до деструкції (руйнування) молекулярних ланцюжків полімеру. В результаті цього стійкість опромінених областей фоторезистивного шару до дії проявника збільшується, або, навпаки, зменшується. Фоторезисти, локальні області яких після дії опромінення за рахунок фотодеструкції виводяться в проявниках, а неопромінені – залишаються на підкладці та формують фоторезистивну контактну маску, називаються позитивними, рис.2,а.

Фоторезисти, локальні області яких під дією опромінення в результаті фотоструктурування робляться стійкими до дії проявника та на відміну від неопромінених залишаються на підкладці, називаються негативними.

                   
   
       
 

                   
         
 

       
   
 

Рис.2. Формування топології малюнку в випадку позитивного (а) та негативного (б) фоторезистів.

 

 

Принциповим фізичним фактором, який обмежує роздільну здатність оптичних систем експонування, є ефекти дифракції світла. Дифракція призводить до формування ореолів на краях ліній та втраті різкості зображення. Теоретично можливо досягнути мінімальну ширину лінії Lmin малюнку в залежності від довжини хвилі l опромінення, яке використовується для експонування. В залежності з критерієм Релею розраховується Lmin:

,

де n – показник заломлення середовища між об’єктивом та зображенням; p - апертурний кут виходу (кут між крайніми променями кінцевого пучку світла, який виходить із зіниці об’єктиву в сторону зображення). В реальних випадках n=1; sin (/2)=0,495; для p=400 нм; Lmin=0,26 мкм та для p=300 нм; Lmin=0,2 мкм. Це теоретичне обмеження оптичної літографії. На практиці воно не досягається. Об’єктиви мають суттєві аберації (скривлення зображень). Малюнки топологічних шарів мікросхем представляють собою складні поєднання елементів, дифракційні картини яких можуть частково накладатись одна на одну, і в самому фотолітографічному процесі привносяться дефекти. Фоточутливість оцінюють величиною S, яка зворотно пропорційна експозиції H, та якої достатньо для структурування або деструкції на всю товщину фоторезисту та відповідної максимальної швидкості проявлення зображення:

,

де Е – опроміненість, t –час експозиції.

Фоточутливість визначає продуктивність процесу фотолітографії. В залежності від дії довжини хвилі опромінення, яке поглинається даним фоторезистом, відрізняють інтегральну та спектральну фоточутливість. Роздільна здатність фоторезисту –максимальне число ліній однакової ширини, які розділені проміжками, рівними по ширині лінії, та яке можна отримати в фоторезистивному шарі на довжині 1 мкм після проявлення малюнку:

,

де L –ширина реально переданої лінії.

Стійкість до дії агресивних факторів визначається стійкістю самого фоторезисту, однорідністю та бездефектістю нанесеного фоторезистивного шару. Поверхневе натягнення фоторезисту визначає змочування ним поверхні підкладки та суттєво впливає на адгезійний зв’язок фоторезистивного шару з підкладкою.

У зв’язку з удосконаленням технології отримання конфігурації елементів інтегральних мікросхем, застосовують методи літографії, які використовують для експонування опромінення, яке має меншу довжину хвилі у зрівнянні з ультрафіолетовою довжиною.

Основу методу рентгенівської літографії складає взаємодія рентгенівського опромінення з рентгенорезистами, яка призводить до зміни їх властивостей в сторону зменшення або збільшення стійкості до проявників. Для рентгенівської літографії використовують характеристичне опромінення з довжиною хвилі 0,1-10 нм. Рентгенівські промені поглинаються цілими молекулами, та при цьому відбувається вибивання електронів з внутрішніх оболонок атомів рентгенорезисту. Електрони, які стали вільними, взаємодіють з полімером та відіграють переважну роль в хімічних перетвореннях руйнування або зшивання молекул. Порядок технологічних операцій отримання зображення той же, що й для звичайної контактної літографії, рис.4. Електронолітографія, незважаючи на складність обладнання у порівнянні з оптичним та рентгенівським, є легко автоматизованим технологічним процесом. Електронно-променеве експонування виконується в вакуумних установках та засновано на нетермічній взаємодії електронів з електронорезистом. Електронне бомбардування викликає збудження та іонізацію молекул електронорезисту.

Структурування або деструкція відбудуться повністю, якщо енергія падаючих електронів буде достатньою, для того щоб величина їх вільного пробігу перевищила товщину шару електронорезисту. Для електронно-променевого експонування застосовують установки з прискорюючою напругою 10-100 кВ, що відповідає довжині хвилі електронів 100-50 нм. На практиці за допомогою електронолітографії отримані зображення з розмірами елементів 0,1-0,2 мкм.

На цей час застосовуються два методи електронолітографії:

- обробка сфокусованим одиничним променем (скануюча електронолітографія);

- електронна проекція всього зображення (проекційна електронолітографія).

       
 
   
 

 
 

 
 

       
 
   
 
           
     
 
 

 
 

           
   
 
   
 
 
 


Рис. 3. Послідовність процесу фотолітографії.

 

Датчики вологості

 

Значення вологості повітря та інших газів може виявитися суттєвим для контролю різноманітних фізико-хімічних процесів. Необхідність її вимірювання пов`язана з причинами які можна класифікувати в відповідності з наступними задачами:

- побутове кондиціонування повітря

- кондиціонування повітря в промисловості

- визначення залишкових кількостей водяної пари

- експлуатація теплообмінників

- контроль за роботою сушилок і тд

 

Характеристики вмісту вологи в матеріалах: абсолютна, відносна вологість та температура точки роси.

Під абсолютною вологістю r розуміють відношення маси водяної пари mv до маси та сухого повітря в суміші з яким знаходиться ця водяна пара:

Під відносною вологістю U розуміють відношення парціального тику пари води при температурі Т до тиску насиченої пари при цій температурі:

Температура точки роси – це температура до якої потрібно охолодити вологе повітнря щоб досягти насичення, зберігаючи постійним масове співвідношення вологи в процесі охолодження.

 

Гігрометри

Гігрометри можна розділити на дві групи:

- гігрометри, засновані на фізичному законі, що дозволяє безпосередньо визначати вологість, конденсаційні гігрометри, психометри, електролітичні та сорбціонні гігрометри.

- гігрометри, принцип дії яких заснований на вимірюванні властивостей тіл, які пов`язані з вологістю, наприклад імпедансні гігрометри.Ці гігрометри дозволяють у відповідності до принципів закладених у їх основу визначити один з параметрів вологого повітря:

а) температура точки роси, що визначається конденсаційними, сорбціонними і електролітичними гігрометрами, а також гігрометрами на основі оксиду алюмінію;

б) температура вологого термометра, що вимірюється психометрами;

в) відносна вологість U (%), що визначається гігрометрами на основі зміни опору і ємності.

Співставлення різних типів гігрометрів ускладнено оскільки вони призначені для визначення різних параметрів вологого повітря.

 
 

Конструкція датчику вологості

В даній лабораторній роботі ми розглянули датчик вологості ємнісного типу. Конструкція його представлена на рисунку 4

 

Рис. 4. Датчик ємнісного типу

1

 
 

– основа; 2 – електроди; 3 – вологочутливий шар; 4 – вологопроникний електрод.

Еквівалентна схема даного датчика має наступний вигляд:

Рис. 5. Еквівалентна схема

 

В цій схемі Rв – опір влагопоглинаючого шару, Св – ємність влагопоглинаючого шару, Сд – ємність діелектрика, Rэ – опір влагопроникного електрода.

Завдяки адсорбційним якостям діелектрик поглинає вологу якак частково проникає через капіляри на поверхні діелектричного шару, а основна частина вологи, як правило адсорбується на поверхні діелектрика.

Розрізняють два види поглинання води:

- капілярне

- поверхневе

Шар полімерного діелектрика товщиною в декілька мікрон поглинає з оточуючого повітря молекули води в результаті чого встановлюється рівновага з повітрям. Це призводить до зміни діелектричної проникності шару і відповідно зміни ємності конденсатора, в якому використовується цей діелектрик. Вода, проникаючи в діелектрик міняє його діелектричну проникність, збільшуючи її оскільки ε води 82, а діелектрика не більше 8.

де S -площа конденсатора, d – відстань між пластинами.

Для збільшення ємності конденсатора застосовують гребінчасту структуру

 

 
 

Рис. 6. Планарний конденсатор

1 - основаа (сітал, кварц); 2 - електроди - Au; 3 – вологочутливий шар.

Вибір матеріалу електроду (2) визначається критеріями стійкості до корозії, зменшення процесів електроліза в приелектродній області. Поруч з с Au, застосовуються Cr, Ti-Ni, Al, Pt.

У якості вологочутливих діелектриків застосовують:

а) полііміди;

б) поліамиди;

в) поліелектроліти

г) сополімери

д) оксиди: Si02:LiСl, SiО2Al2О3,СеО2,Al2О3 тощо

Ємнісні характеристики деяких з цих матеріалів приведені на рис. 7

 

Рис. 7. Характеристики різних влагопоглинаючих діелектриків

 

Як видно з малюнку поліамід має невеликий гістерезис. Швидкість датчика визначається товщиною діелектрика оскільки всі процеси відбуваються на поверхні.

 

 
 

3. Технологічний маршрут виготовлення:

1.Нанесенння плівки Ti-Ni. Нанесення плівки Ti-Ni виконується методом вакуумного електронно-променевого випаровування.

2.Фотолітографія. Весь процес фотолітографії можна поділити на 3 основних етапи: формування на поверхні пластини фоторезистивного шару, формування фоторезистивної контактної маски, отримання елементів за допомогою резистивної маски.

На центрифузі на металізовану поверхню наносять фоторезист (оптимальна товщина фоторезистивного шару складає 0,5…1,5 мкм). Після цього виконують ІЧ-сушку пластини при температурі Т=60°С протягом 4-5 хвилин. Під час сушки прибирається розчинник і в плівці фоторезисту відбувається складний релаксаційний процес щільної упаковки молекул, який зменшує внутрішнє напруження і збільшує адгезію сформованого щільного фоторезистивного шару до пластини.

Далі проводять суміщення і експонування за допомогою установки експонування і відповідного фотошаблону. Після цього виконується процесс проявлення – видалення зайвих в фоторезистивному шарі частин відповідно до локального освітлення під час експонування. Проявлення проводять у водних розчинах лугу (0.3.. .0.5 % КОН, 1…2 % Nа3РО4).

Після проявлення пластину промивають, сушать на центрифузі і виконують процес термообробки – задублювання (друга сушка). Задублювання фоторезистивного шару виконується для відновлення набряклого малюнку та надання стійкості фоторезистивній масці від подальших агресивних впливів. Цей процес продовжується 15-30 хв при Т=140-150°С.

3.Контроль зображення. Після термообробки проводиться контроль отриманого зображення за допомогою мікроскопу.

4.Травлення плівки металу. Травлення плівки Ti-Ni відбувається в кислотних травниках враховуючи всі вимоги техніки безпеки при роботі з хімічними речовинами (працювати тільки під працюючою витяжкою в халаті та вукавицях). Після травлення промивають пластину в воді і виконують сушку на центрифузі.

5.Скрайбування.

6.Нанесення вологочутливого шару

7.Пайка контактів.

4. Прилади й устаткування:

Установка суміщення та експонування.

Центрифуга для нанесення фоторезисту.

Установка сушки.

Термошафи.

Фотошаблони.

Фоторезист, розчини для прояву, травлення, зняття фоторезисту.

Вимірювач ємності

Сольовий генератор

5. Порядок виконання вимірювань:

 

1. Помістити виготовлений та тестовий датчик в сольовий генератор і підключити виводи до вимірювального приладу.

2. Поміщаючи датчики в різні ємності сольового генератора зняти залежність ємності датчика від відносної вологості.

 

Обробка результатів

 

1. Побудувати залежності ємності датчиків від відносної вологості, застосовуючи при потребі апроксимацію

2. Визначити чутливість датчиків:

3. Написати висновки по роботі.

 

7. Контрольні питання:

1. Види літографічного процесу.

2. Що таке фоторезист та основні вимоги до нього.

3. Основні параметри фоторезистів.

4. Призначення процесу задублювання.

5. Чим позитивний фоторезист відрізняється від негативного

6. Послідовність фотолітографічного процесу

7. Основні параметри вологості

8. Основні напрямки застосування датчиків вологості

9. Види гігрометрів

10. Типи датчиків вологості

11. Принцип роботи ємнісного датчика вологості

12. Еквівалентна схема ємнісного датчика вологості

13. Структура планарного датчика вологості

14. Яким вимогам повинен відповідати матеріал електродів?

15. Які матеріали використовуються в якості вологочутливого шару

 

Вимоги до звіту

Звіт повинен містити:

1. Мету роботи.

2. Порядок виконання роботи.

3. Експериментальні результати в табличному та графічному вигляді.

4. Висновки.

Список літератури:

 

1. Фрайден Дж. Современные датчики. Справочник. – М.: Техносфера, 2005. – 588 с.

2. Аш Ж. Датчики в измерительных системах. Т.1, 2. – М.: Энергоатомиздат, 1993. – 564 с.

 

 




Поиск по сайту:

©2015-2020 studopedya.ru Все права принадлежат авторам размещенных материалов.