Pietsoresistiivinen venymäanturi
No Thumbnail Available
URL
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Helsinki University of Technology |
Diplomityö
Checking the digitized thesis and permission for publishing
Instructions for the author
Instructions for the author
Authors
Date
2004
Department
Major/Subject
Elektroniikan valmistustekniikka
Mcode
S-113
Degree programme
Language
fi
Pages
89+15
Series
Abstract
The literary part of this thesis introduces the theory of strain and stress and discusses the different kinds of sensors made from silicon, or more precisely, reviews sensors for strain measurement. It also studies the crystal structure of silicon among its properties and piezoresistivity. This part of the thesis presents piezoresistive strain gauges. Special attention is given to sensor rosette planning, which is introduced comprehensively with numerous pictures and equations. It also discusses gauging and calibration. The experimental part of the thesis aimed to design and process a flip chip consisting of strain gauges, heating resistors and thermometers. It first presented the materials and devices. The first design task was to create a tentative layout and specify the dimensions of the components. The components were placed into the chip, at which point the layout was completed. This part also introduced the planning and progression of the manufacturing process. Simplified pictures were created to illustrate the manufacturing process for each mask layer. They illustrate the most important process stages and their effect on the wafer. Mask planning began at the same time as the chips. The process parameters were defined when the process was found to be substantially correct. Some of the parameters could be determined by experimental methods only. The exact flow chart and parameters were shown for every mask layer. The process functionality was examined visually and by measuring resistance values of the resistors. These methods made it possible to find possible problems and defects in the manufacturing process. The manufacturing process appeared to work. The values of piezoresistors were close enough to the wanted ones. The calculated values for heating resistors and thermometers could not be achieved due to the manufacturing procedure. However, they were operative. Further studies should focus on product development and developing the manufacturing process.Työn teoriaosassa esitellään aluksi venymä ja jännitys sekä niiden välisiä yhteyksiä. Teoriassa käsitellään myös yleisellä tasolla erilaisia piistä tehtyjä antureita sekä tarkastellaan tarkemmin venymä antureita. Lisäksi käsitellään piin rakennetta ja ominaisuuksia sekä pietsoresistiivisyyttä. Lopuksi tarkastellaan pietsoresistiivisiä venymä antureita. Erityisesti kiinnitetään huomiota anturiasetelmien suunnitteluun, jota esitellään kattavasti useiden kuvien ja kaavojen avulla. Teoriassa on myös havainnollistettu mittausta ja kalibrointia. Työn kokeellisessa osassa oli tavoitteena suunnitella ja prosessoida pietsoresistiivisistä venymä antureista, lämmitysvastuksista sekä lämpömittareista koostuva kääntö siru. Aluksi esitellään prosessoinnissa käytetyt materiaalit ja laitteet. Sen jälkeen siirrytään sirun suunnitteluun, jossa ensimmäinen vaihe oli layoutin tekeminen. Alustavan layoutin jälkeen määriteltiin kaikkien komponenttien dimensiot ja ne sijoiteltiin sirulle. Tällöin muodostettiin sirun varsinainen layout. Kokeellisessa osassa esitellään lisäksi valmistusprosessin suunnittelu ja eteneminen. Valmistusprosessin kulku on esitelty yksinkertaistettuina kuvina maskitasoittain. Jokaisessa kuvassa on nähtävillä tärkeimmät prosessivaiheet sekä niiden vaikutus kiekkoon. Sirujen prosessointia suunniteltaessa aloitettiin myös maskien suunnittelu. Kun prosessi oli pääosin kunnossa, määritettiin valmistuksessa käytettävät prosessiparametrit, joista osa pystyttiin selvittämään vain kokeellisesti. Tarkka prosessikaavio ja käytetyt prosessiparametrit on myös esitetty maskitasoittain. Kiekkojen valmistuttua prosessoinnin onnistuminen tutkittiin visuaalisella tarkastuksella sekä mittaamalla vastusten arvot. Näin pystyttiin tutkimaan, kuinka hyvin todelliset vastukset vastasivat laskettuja arvoja. Lisäksi haluttiin selvittää valmistuksen mahdolliset ongelmakohdat ja puutteet. Saatujen tulosten perusteella valmistusprosessi vaikuttaa kaikin puolin toimivalta. Pietsovastusten arvot olivat riittävän lähellä haluttuja laskennallisia arvoja. Lämmitysvastusten sekä lämpömittareiden laskennallisia arvoja ei voitu saavuttaa valmistuksellisista syistä, mutta ne ovat täysin toimivia. Työn tavoitteena ollut kääntö siru pystyttiin toteuttamaan ja kaikki sirun komponentit toimivat tehtävänsä edellyttämällä tavalla. Jatkotutkimuksen tulisi suuntautua mahdollisen tuotekehityksen lisäksi lähinnä valmistusprosessin kehittämiseen.Description
Supervisor
Kivilahti, Jorma|Lehto, AriThesis advisor
Lehto, AriKeywords
stress, jännitys, strain, venymä, resistor, vastus, strain gauge, venymäanturi