MEMS mérőfej tervezése Kelvin-szondás felületi potenciál mérésére
Napjainkban a napelemek egyre növekvő elterjedésével az energiapiacon, egyre fontosabb igény a napelemek hatásfokának növelése, és a gyártásuk a megbízhatóbbá tétele. Számos vizsgálati módszert dolgoztak ki, melyek segítségével növelhető a gyártási pontosság és lehetőség nyílik az esetlegesen kialakuló hibahelyek feltérképezésére a napelemcellákban. Az egyik ilyen elterjedt érintésmentes vizsgálati módszer a Kelvin-szondás mérés, melynek során egy rezgőkondenzátor segítségével mérik a minta felületének potenciálját. A mérés során a félvezető minta felületétől 100 um-1 mm távolságban mozgatjuk az elektródát állandó frekvenciával, melynek következtében a kapacitás változás miatt váltakozó áram jön létre. Ez az áram azonban a megfelelő kompenzáló feszültséggel nullára csökkenthető. Az egyes pontokban létrejövő kontaktpotenciál különbségek feltérképezéséből pedig a hibahelyekre lehet következtetni.
Az eddigi mérési berendezésekkel és mérőszondákkal azonban nem volt lehetőségünk a nagyfelbontású lokális mérések végzésére. A felbontás növelésére kézenfekvő megoldás lenne a mérőfejben elhelyezkedő rezgőkondenzátor méretének csökkentése. A jelenlegi mechanikai kialakítás mellett azonban a rezgőelektróda mérete nem csökkenthető tovább, mivel a szórt kapacitások jelei elnyomják a mérőjelet. A fejlesztés során ezért az eddig rezgőkondenzátort egy síkelektródás MEMS (mikro-elektromechanikus rendszer) rezgőszerkezetre cserélnénk, amely kisebb szórt kapacitása és nagyobb rezgési frekvenciája révén kisebb mérőfelület esetében is lehetőséget biztosít megbízható mérésre, de egyben újfajta kihívásokat is állít elénk.
A mikroméretű rezgőkondenzátor méretei miatt a Kelvin-szondás mérés már alkalmas lenne egy néhányszor 10 mikrométeres tartományt lokálisan vizsgálni, lehetőség nyílnia a mérési idő csökkentésére is nagyobb működési frekvenciák mellett, valamint a jel-zaj viszony is növelhető lenne. Az új mérőfejjel a napelemcellákon végzett pásztázás után már nem csupán az adott cellában található hibahelyek lennének meghatározhatók, hanem egy gyártósorba illeszthető mérőegység is megvalósítható lenne, amellyel a gyártás során érintésmentesen lehetne karakterizálni az egyes cellákat. A cellákat változtatható terhelés alá helyezve és a felületi potenciált folyamatosan figyelve, a cella kimeneti karakterisztikáját érintésmentesen és lokálisan tudnánk mérni.
A dolgozatomban ezen MEMS alapú, felületi potenciál mérésére alkalmas rezgőkondenzátor tervezését részletezem. A tervezés jelenlegi fázisában szerkezet geometriai paraméterezése zajlik, melynek során egy elhajló lemez numerikus analízisével foglalkoztam. A csatolt fizikai leírás és modellezés kiterjed a mikromechanikai és termikus leírásra és végeselem szimulációjára.
Munkám során kitérek még a rezgőkondenzátoros Kelvin-szondás mérés működésére, a rezgőelektróda specifikációja és előzetes méretezési megfontolásaira, valamint a méretezést segítő analitikai modellre és ennek számítógépes változatára. A mérőfejről alkotott modell végeselem szimulációja mellett, a végeselem módszer működéséről és alkalmazásáról is értekezek.
szerző
-
Deák Elemér Dávid
Villamosmérnöki szak, mesterképzés
mesterképzés (MA/MSc)
konzulensek
-
Dr. Szabó Péter Gábor
egyetemi docens, Elektronikus Eszközök Tanszék -
Dr. Plesz Balázs
egyetemi docens, Elektronikus Eszközök Tanszék
