Tez Arşivi

Tez aramanızı kolaylaştıracak arama motoru. Yazar, danışman, başlık ve özete göre tezleri arayabilirsiniz.


Orta Doğu Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü

A Piezoresistive pressure and temperature sensor cluster

Bir piezorezistif basınç ve sıcaklık duyargası modülü

Teze Git (tez.yok.gov.tr)

Bu tezin tam metni bu sitede bulunmamaktadır. Teze erişmek için tıklayın. Eğer tez bulunamazsa, YÖK Tez Merkezi tarama bölümünde 119063 tez numarasıyla arayabilirsiniz.

Özet:

ABSTRACT A PIEZORESISTIVE PRESSURE AND TEMPERATURE SENSOR CLUSTER Zorlu, Özge M.Sc, Department of Electrical and Electronics Engineering Supervisor: Assoc. Prof. Dr. Tayfun Akın September 2002, 165 pages This thesis reports the design, fabrication, packaging, and characterization of a piezoresistive pressure and temperature sensor cluster for industrial applications. The working principle of the pressure sensors is based on the piezoresistive effect. Four diffused piezoresistors are placed on a thin diaphragm in a Wheatstone bridge configuration. The deflection of the diaphragm due to applied pressure causes a stress on the piezoresistors. The resistance values of two piezoresistors decrease and that of two increase with this exerted stress. The differential output voltage variation due to these resistance changes is monitored as the pressure information. The temperature information is sensed using four different approaches: the resistance mchange of metal and diffused resistors and forward voltage change of p+-n and Schottky diodes. In the scope of this study, twenty-four piezoresistive pressure sensor structures were designed with different sensitivities having five different pressure ranges. Apart from the standard IC fabrication techniques, electrochemical etch-stop was employed for the backside etching of the wafer for diaphragm formation. The sensor clusters were produced on 4" wafers, each wafer containing 1029 cells. Each cell contains a piezoresistive pressure sensor and metal and diffused resistor- and diode-type temperature sensors. The cell dimensions are 2.2mmx2.2mm or 2.5mmx2.5mm. A package was designed and implemented for the sensor cluster die that is suitable both for testing and mass production. A pressure and temperature measurement setup was also constructed for the characterization of the sensors. Measurements show that maximum sensitivity obtained from the pressure sensors is 59.9uV/VmmHg. The average temperature sensitivity of the offset (TSO) is -165.4uV/VK. The total bridge resistance is pressure independent and its typical temperature coefficient of resistance (TCR) value is 1400ppm/K. Average TCR values for diffused and metal resistors are 1284 and 3420ppm/K, respectively. The p+-n and Schottky diode voltage temperature sensitivities are -2.75 and -2.29m V/K, respectively. This research is an important step for producing MEMS devices in Turkey, leading to mass production. Keywords: Piezoresistive pressure sensors, temperature sensors, packaging. IV

Summary:

öz BİR PİEZOREZISTIF BASINÇ VE SICAKLIK DUYARGASI MODÜLÜ Zorlu, Özge Yüksek Lisans, Elektrik ve Elektronik Mühendisliği Bölümü Tez Yöneticisi: Doç. Dr. Tayfun Akın Eylül 2002, 165 sayfa Bu tezde, endüstriyel uygulamalar için bir piezorezistif basınç ve sıcaklık duyargası modülünün tasarımı, üretimi, pakatlenmesi, ve testleri bildirilmektedir. Basınç duyargalarının çalışma prensibi piezorezistif etkiye dayanır. Dört katkılanmış piezodirenç, ince bir diyafram üzerine Wheatstone köprüsü oluşturacak şekilde yerleştirilmişlerdir. Uygulanan basınçtan dolayı eğilen diyafram, piezodirençler üzerinde bir gerilim yaratır. Bu gerilim sonucunda, piezodirençlerin ikisinin direnç değeri azalırken, diğer ikisininki artar. Bu direnç değişimlerinden oluşan çıkış fark gerilimi, basınç bilgisi olarak gözlemlenir. Sıcaklık bilgisi, dört farklı yöntem kullanılarak ölçülmüştür: metal ve katkılı direçlerin direnç değerlerinin değişimi ve p+-n ve Schottky diyotlar ın üzerlerindeki gerilimlerinin değişimi.Bu çalışma kapsamında, farklı hassasiyetlerde ve toplam beş değişik basınç aralığında yirmidört piezorezistif basınç duyargası yapısı tasarlanmıştır. Standart tümdevre üretim tekniklerinin yanısıra, diyafram oluşturmak için yapılan arka yüzeyden aşındırma işleminde, elektro-kiyasal aşındırma durdurma yöntemi kullanılmıştır. Duyarga modülleri 4 inçlik pullar üzerinde üretilmiştir ve her pulda 1029 adet hücre vardır. Her hücre, bir piezorezistif basınç duyargası ve metal ve katkılı direnç tipi ve diyot tipi sıcaklık duyargaları içermektedir. Hücre boyutları, 2.2mmx2.2mm ya da 2.5mmx2.5mm'dir. Duyarga modülü kırmıkları için, hem test hem de seri üretim amacına yönelik bir paket tasarlanmış ve gerçekleştirilmiştir. Duyargaların testleri için, bir basınç ve sıcaklık ölçüm düzeneği kurulmuştur. Ölçümler sonucunda, basınç duyargalarından elde edilen en fazla basmç hassasiyeti 59.9|iV/VmmHg olarak belirlenmiştir. Kayıklık geriliminin sıcaklık hassasiyetinin (KGSH) ortalama değeri -165.4uV/VK'dir. Toplam köprü direncinin değeri basınçtan etkilenmemektedir ve bu direncin sıcaklık katsayısının (DSK) tipik değeri 1400ppm/K'dir. Katkılı ve metal dirençler için ortalama DSK değerleri sirasi ile, 1284 ve 3420ppm/K'dir. P+-n ve Schottky diyot voltaj larının ortalama sıcaklık hassasiyeti sırasıyla -2.75 ve -2.29mV/K'dir. Bu araştırma, Türkiye'de seri üretime yönelik MEMS aygıtlarının üretimi için atılmış önemli bir adımdır. Anahtar Kelimeler: Piezorezistif basınç duyargası, sıcaklık duyargası, paketleme. vı