MEMS mérőfej tervezése Kelvin-szondás felületi potenciál mérésére
Mindennapjaink során elektronikai termékek sokaságát használjuk vagy élvezzük az általuk nyújtott kényelmet és biztonságot. Ezeket az eszközöket és szolgáltatásokat a mikroelektronikai tömeggyártás nagyfokú integráltságának köszönhetően egyre összetettebb és kisebb mérettartományban tudjuk megvalósítani. Az integráltság növelésével az elektronikai eszközök méréstechnológijának is fejlődnie kell. A chipek működését és meghibásodásait, így egyre nagyobb felbontással kell vizsgáljuk, erre ad lehetőséget a Kelvin-szondás mérés.
A mérés során a mintafelület elektrosztatikus potenciálviszonyait tudjuk vizsgálni, a mintával történő kontaktálás nélkül, így nem megzavarva annak működését. Dolgozatom során egy ilyen Kelvin-szondás mérésre alkalmas mikro-elektromechanikai rendszer (MEMS) tervezését és fejlesztését vizsgálom.
A tervezés első fázisaiban a szükséges paraméterek megállapítása volt a cél, így elektromágneses szimulációkat végeztem, melyek segítségével specifikálható a tervezendő MEMS eszköz mechanikai szerkezete. Az elektromágneses szimulációkat a felületelem módszer felhasználásával végeztem el, így elkerülve a térfogati diszkretizációt és csökkentve a szükséges számítási kapacitás mértékét. A szimulálandó modelltér méretének meghatározásához egy analitikai modellt dolgoztam ki, mely a kialakuló elektromágneses mezőt megfelelően közelíti. A mező jellegének javítása érdekében egy fókuszálási módszert is alkalmaztam a szimulációk során. A szimulációk eredményéül előálló elektromágneses tér alapján definiáltam a mérőfej érzékenységét és meghatároztam ennek az érzékenység térbeli eloszlását. A szimulációk során előálló elosztott paraméterű modell alapján egy koncentrált paraméterű helyettesítőképet alkottam, melyet a későbbi számítások során fel is használtam. A Kelvin-szondás mérés kimeneti jeléül szolgáló áramot a koncentrált paraméterű modell alapján közelítettem, mely a mechanikai specifikáció megalkotását tette lehetővé. A szimulációs és adatfeldolgozó munkafolyamatot MATLAB és PYTHON scriptek segítségével automatizáltam, kihasználva a COMSOL MULTIPHYSICS adta lehetőségeket. A szimulációk és utófeldolgozáshoz szükseges idő ezáltal jelentős mértékben csökkenthető volt.
Az elektromágneses térszámítás eredményeinek birtokában elkezdtem a mechanikai szerkezet méretezését és tervezését. A Kelvin-szondás méréshez szükséges rezgést termo-mechanikus csatolás lévén érem el, elkerülve az elektrosztatikus gerjesztés okozta interferenciát. A működési sebesség növelése érdekében a gerjesztést pár 10 kHz frekvencián kell elvégezni, mely megfelelő méretezés mellett megegyezne a rendszer mechanikai rezonanciájával ezáltal növelve a kitérés amplitúdóját. A szükséges számítási igény csökkentése érdekében tranziens szimulációt csak a mérőfej validációjára használnék, a méretezés során pedig egy szinuszos állandósult állapotot vizsgálnék. Szükséges volt továbbá a termomechanikus csatolt egyenletek szinuszos állandósult állapotbeli alakját implementációja a szimulációs szoftverben. A mechanikai gerjesztést végző termikus aktuálást optimalizáltuk a nagyobb kitérérések érdekében, valamint megvizsgáltunk lehetséges csillapítási mechanizmusokat.
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
