برق. قدرت. کنترل. الکترونیک. مخابرات. تاسیسات.

دایره المعارف تاسیسات برق (اطلاعات عمومی برق)

سنسور حرارتی با تکنولوژی فیلم ضخیم

ابعاد سنسورهای الکترونیکی هر روز کوچک و کوچکتر میشود. اینکار باعث کاهش توان مصرفی قطعه و مینیاتوریزه شدن آن میگردد، و در نتیجه مدارات جانبی کوچکتری را نیاز خواهد داشت. یکی از تکنولوژی های ساده و مرسوم برای نیل به این هدف استفاده از تکنولوژی "فیلم ضخیم" است. از آنجا که عمده مطالب این وبلاگ به معرفی و زیرساختهای این تکنولوژی می پردازد در این پست به معرفی یک سنسور دما که با این تکنولوژی ساخته شده است می پردازیم.

پروسه ساخت سنسورها بکمک Thick-Film ساده بوده و از دقت بالایی برخوردار است. برای ساخت سنسور دما روشهای زیادی وجود دارد. بعنوان مثال تغییرات در حجم، ابعاد فیزیکی، و مقاومت الکتریکی از جمله پارامترهایی هستند که میتوان بعنوان یک متغییر از آنها در ادراک دمای محیط استفاده نمود.

فلزات از جمله موادی هستند که مقاومت الکتریکی آنها با تغییر دما تغییر می کند. ضریب حرارتی فلزات در هر دو محیط سرد وگرم تغییر میکند. مقاومت فلز در محیط گرم افزایش و در محیط سرد کاهش میآبد.

سنسورهای حرارتی مرسوم شامل سیمی هستند که بدور یک عایق از جنس میکا پیچیده شده است که برای جلوگیری از خوردگی آنرا در یک لوله شیشه ای قرار میدهند. در اینجا ما میخواهیم به روش ساخت یک سنسور دما بکمک روش "تیک فیلم" بپردازیم. چسب مورد استفاده برای پرینت گرفتن فیلم روی زیرلایه از جنس نقره-پالادیوم است که روی بستری از جنس آلومینا اصطلاحاً رسوب داده می شود. روش کار بسیار ساده است و دانشجویان علاقمند در مقطع لیسانس و فوق لیسانس میتوانند آنرا با امکاناتی بسیار کم در رنج حرارتی متفاوتی انجام داده و سپس به characterization آن بپردازند. فقط باید توجه داشت که "توصیف مشخصه" یا characterization سنسور ساخته شده نیاز به دقت فراوان دارد. در نظر داشته باشید که در پروسه "تیک فیلم" Thick-Film مراحل مختلفی نظیر Firing وجود دارد که هر مرحله باعث ایجاد تغییرات در مشخصه سنسور میشود. بنابراین توصیه میشود که قبل و بعد از هر مرحله اندازه گیریهای لازم را صورت دهید.

در اینجا دو مدل قطعه ارائه میشود که یکی با کاور و دیگر بدون کاور است و اندازه گیری ضرائب مقاومتی هر دو مدل در دماهای متفاوت صورت میگیرد.

طراحی سنسور

در طراحی این سنسور از چسب نقره – پالادیوم به نسبت 6 به 1 با مقاومت فیلم 15 میلی اهم بر واحد سطح استفاده شده است. کاتالوگ یک نوع از این چسب را میتوانید از اینجا دانلود کنید که قیمت یک قوطی 50 گرمی آن معادل 400 دلار – به اضافه 50 دلار هزینه Shipping – است (توجه داشته باشید که با این 50 گرم شما باید بتوانید بیش از 1000 سنسور را ساخته و به قیمت حداقل 1.5 دلار بفروشید. با احتساب مبلغ 100 دلار برای آلومینا، هزینه wire bonding و بسته بندی معادل 300 دلار برای همه سنسورها، هزینه سیلک، اسکرین و فیلم 50 دلار و سایر هزینه های متفرقه معادل 50 دلار اقتصادی بودن آن کاملاً موجه می نماید). همچنین چسب مورد استفاده دارای ضریب انبساط حرارتی آلفا مساوی 6.519377x10-4 و هیسترزیس 0.2 اهم در محدوده -20 تا +55 درجه سانتیگراد است.

برای استاندارد سازی، مطابق با استاندارد IEC (International Electro-technical Commission) از ابتدا مقاومت سنسور برای دمای صفر درجه سانتیگراد معادل 100 اهم در نظر گرفته میشود (این همان استانداردی است که RTD از نوع Pt-100 را نیز شامل می شود). برای پرهیز از خطای اندازه گیری ناشی از سیمهای بکار رفته، از سیستم چهار – سیمه 4 Wiring System برای اتصال به المان سنسور استفاده می کنیم.

یکی از قواعد بسیار مهم در تکنولوژی "فیلم ضخیم" این است که مقدار مقاومتی که پس از انجام پروسه به آن میرسیم معمولاً در حدود 15 تا 20 درصد کمتر از مقاومت واقعی است. این نکته را در طراحی بخاطر می سپاریم.

عرض سطحی که برای پرینت فیلم در نظر گرفته ایم 10 میل یا 0.25 میلیمتر است. به کمک معادله

R=Rs L/W

و با توجه به مقاومت در نظر گرفته شده 100 اهمی در صفر درجه و کسر 20 درصد حداکثر خطای ساخت که آنرا به 80 اهم کاهش می دهد و مقاومت 15 میلی اهمی سطحی، به طولی معادل 1333.33 میلیمتر و نسبت طول به عرض 5333.33 که اصطلاحاً به آن Aspect Ratio گفته میشود، میرسیم. اما حدود یک متر و سی سانت طول برای المان سنسور را چگونه چاپ کنیم؟ این طول زیاد هنگام اندازه گیری باعث ایجاد پدیده خود گرمایش یا Self-Heating در قطعه و در نتیجه ایجاد خطای اندازه گیری می شود (چرا که در آن هنگام دمای محیط با حرارت ایجاد شده توسط قطعه میکس میشود).

برای کاهش این اثر و با توجه به اینکه عرض قطعه محدود به 10 میل شده است، سنسور را بصورت شکل زیر طرح میکنیم تا از اثر خودگرمایشی آن تا اندازه ای کاسته شود و ضمناً طول زیاد آن در فضای نسبتاً کوچکی گنجانده شود. به این طرحواره اصطلاحاً Scarp Area گفته میشود که در واقع بصورت سطح شیبدار بسمت مرکز بنظر میرسد. با این روش Aspect Ratio به مقدار 5365 افزایش یافته و مقاومت آن به 82.505 اهم می رسد.



شکل یک - طرح سنسور پرینت شده روی بستر

با توجه به عرض بسیار کم المان سنسور (حدود 0.25 میلیمتر) نیاز به اسکرین از جنس استیل داریم. توجه کنید که اسکرین پلی استر یا نایلونی در فشار 2 کیلوگرم بر سانتیمتر مربع کشیده شده و باعث تغییر در سایز مِش آنها میشود. مش مورد استفاده برای این اسکرین با توجه به کاتالوگ چسب 325 بر 20 میکرومتر است. سرعت پرینت را با توجه به ویسکوزیتی چسب 100 میلیمتر بر ثانیه انتخاب می کنیم. همچنین از Squeegee با زاویه 72 درجه استفاده میکنم (این قطعه لاستیکی که عملکردی شبیه T برای جمع کردن آب روی زمین دارد در ابعاد و اندازه های مختلفی عرضه میشود که میتوان با توجه به زاویه الیاف اسکرین و میزان فشاری که بر آن ایجاد میشود و دقت ابعاد طرحواره آنرا انتخاب کرد).

پس از پرینت قطعه را مطابق اطلاعات داده شده در چسب برای حدود 5 تا 10 دقیقه در دمای اتاق بحال خود رها می کنیم که اصطلاحاً به آن Leveling time گفته میشود. عمل خشک کردن را در دمای 125 درجه سانتیگراد و به کمک یک کوره نواری مادون قرمز (به شکل شماره پنج در اینجا مراجعه کنید) و بمدت 12 دقیقه انجام میدهیم. توجه داشته باشید که هر نوع اشکال در پرینت طرحواره روی بستر تا قبل از مرحله خشک کردن را میتوان با پاک کردن طرحواره از روی بستر با یک حلال مناسب (نظیر اَسِتون) برطرف کرد. بنابراین توصیه میشود که پس از طی زمان Leveling (که منجر به یکنواخت شدن چسب روی بستر میشود) طرحواره را به کمک یک ذره بین بدقت مورد بازبینی قرار دهید.

در مرحله Firing قطعه را بمدت 30 دقیقه درون کوره با دمای ماکزیمم 850 درجه قرار میدهیم. توجه داشته باشید که در این مرحله باید از کوره ای استفاده کنید که بتوانید به آن برنامه مورد نظر برای اعمال حرارت را بدهید. مثلاً دمای کوره در مدت 5 دقیقه از 100 درجه سانتیگراد (دمای پیشگرم) با شیب 100 درجه سانتیگراد بر دقیقه به 600 درجه برسد و مثلاً برای 3 دقیقه در این دما ثابت بماند و سپس با شیب 50 درجه سانتیگراد دردقیقه در مدت 5 دقیقه به 850 درجه سانتیگراد رسیده و در این دما بمدت 10 تا 12 دقیقه باقی بماند (توجه کنید که این مقدار از کاتالوگ چسب استخراج شده است). اینکار به استحکام و چسبندگی چسب برروی بستر کمک کرده و بجز ترکیب نقره – پالادیوم موجود در چسب، سایر مواد اضافی را حذف می کند. همچنین برای حذف هر نوع بهم چسبیدگی خطوط طرحواره پس از Firing، در صورت لزوم میتوانید از پرتوهای لیزر بکمک یک دستگاه Laser Trimming استفاده کنید.

اکنون سنسور شما آماده تست است. آزمایشهای رایجی نظیر SEM و Profile Projector برای دیدن سطح سنسور و آنالیز طیف سنجی برای دیدن عناصر سطح سنسور و میزان آنها میتوانند از کار شما بنحو مطلوبی حمایت کرده و میزان دقت کارتان را نشان دهند.

اندازه گیری مقاومت سنسور

اکنون میتوانید تعدادی از سنسورهای ساخته شده را با کمک یک چسب عایق (مثلاً ESL 4603 یا ESL 4604) به اصطلاح Encapsulate کرده و درون محفظه قرار دهید و سپس عملیات حرارت دادن به آنها را مطابق کاتالوگ چسب تکرار کنید. حال شما دو نوع سنسور حرارتی با محفظه و بدون محفظه دارید که میتوانید مقاومت آنها را در شرایط متفاوت اندازه گیری کنید تا به میزان پایداری حرارتی آنها پی ببرید. این اندازه گیری ها با کمک یک RLC میتر دقیق و مثلاً در دمای اتاق، صفر درجه سانتیگراد و محیطی با دمای 100 درجه سانتیگراد صورت دهید (پیشنهاد من این است که یک چمبر Chamber درست کنید و شرایط درون آن نظیر میزان رطوبت و دما را کاملاً کنترل کنید. همزمان از سنسورهای حرارتی موجود در بازار بهمراه یک ترمومتر دیجیتالی – در صورتیکه بتوانید آنرا به دیتا لاگر متصل کنید خیلی بهتر است - در کنار سنسورهای خود استفاده کنید).



شکل دو - مداری برای اتصال سنسور به دیتا لاگر یا یک میلی ولتمتر دقیق هنگام تست

تست دیگری که میتوانید صورت دهید، میزان قابلیت اعتماد به قطعه ساخته شده مثلاً در دوره های زمانی یک هفته ای تا یک ماه است. بدین ترتیب که قطعه را درون چمبر قرار داده و بکمک دیتالاگر تغییرات مقاومت آنرا در یک دمای ثابت (شرایط محیطی کاملاً کنترل شده) در طول یک پریود زمانی ثبت کنید. مقادیر زیر بعنوان نمونه برای هشت سنسور ساخته شده با این روش داده شده اند.
با محفظه
بدون محفظه

بعد از یکماه در صفر درجه سانتیگراد

(اهم)
بعد از یکماه در 24 درجه سانتیگراد

(اهم)
بعد از یکماه در صفر درجه سانتیگراد

(اهم)
بعد از یکماه در 24 درجه سانتیگراد

(اهم)

100.48
90.36
100.73
89.55

100.55
90.85
100.15
88.98

100.50
90.43
100.87
90.12

100.87
91.08
101.35
90.23


http://sensors.blogfa.com/8610.aspx


صفحات جانبی

نظرسنجی

    لطفاً نظرات خود را درمورد وبلاگ با اینجانب در میان بگذارید.(iman.sariri@yahoo.com)نتایج تاکنون15000مفید و 125غیرمفید. با سپاس


  • آخرین پستها

آمار وبلاگ

  • کل بازدید :
  • تعداد نویسندگان :
  • تعداد کل پست ها :
  • آخرین بازدید :
  • آخرین بروز رسانی :