Hybridní integrované obvody a jejich nekonvenční aplikace

Transkript

1 Hybridní integrované obvody a jejich nekonvenční aplikace (tlustovrstvové senzory, elektroluminescenční prvky, výkonové a topné elementy) (8)

2 Obsah 1 Tlustovrstvové senzory 2 Elektroluminescenční prvky a displeje 3 Topné elementy 4 Výkonové moduly

3 Úvod - důvody pro použití vrstvových obvodů pro nekonvenční aplikace a senzory Flexibilní nevakuová technologie umožňující vytvářet různé konfigurace, tvary a uspořádání vodivých, odporových, dielektrických a dalších vrstev Dobrý odvod tepla, vysoká tepelná odolnost, příznivá tepelná roztažnost) Vytváření různých tvarů (MPV, rozložené parametry, antény, elektrody) Přesné, stabilní a odolné pasivní prvky a sítě v různém uspořádání Vysoká spolehlivost a životnost Vysoká flexibilita a malá sériovost

4 1. Tlustovrstvé senzory Co je senzor Funkcí senzoru je v podstatě převést snímanou hodnotu měřené veličiny na signál (nejčastěji elektrický), který je úměrný snímané hodnotě a který lze snadno zpracovat. Nejčastěji využívanou výstupní veličinou je elektrický signál (senzory odporové, indukční, kapacitní, napěťové, proudové ). Využívá se však i veličin optických (změna barvy nebo jasu), mechanických (posunutí ukazatele) apod. Výstupní signál lze dále rozdělit na analogový a digitální.

5 Tlustovrstvé senzory Co je senzor Obecný princip senzoru Základní pojmy: Senzor, Senzorová pole, Multifunkční senzor

6 Tlustovrstvé senzory Vlastnosti senzorů Statické vlastnosti senzorů - statická přenosová charakteristika, limit detekce, plný rozsah senzoru, citlivost, linearita, hystereze, rozlišení.

7 Tlustovrstvé senzory Požadavky na senzor Mezi obecné požadavky na vlastnosti senzorů patří: - jednoznačná závislost výstupní veličiny na veličině měřené, - velká citlivost senzoru, - vhodný průběh základních statických charakteristik, -velká přesnost a časová stálost, - minimální závislost na vlivech okolního prostředí (mimo vlivů měřených), - minimální zatěžování měřeného objektu, - vysoká spolehlivost, - velmi nízká pořizovací cena a nízké náklady na provoz, - jednoduchá obsluha a údržbu.

8 Tlustovrstvé senzory Vývoj a postavení senzorů Vývoj senzorů a názvy vyjadřující nárůst složitosti Postavení senzoru ve struktuře řídící jednotky

9 Tlustovrstvé senzory Dělení podle vstupní veličiny fyzikální převod převod je realizován zvoleným fyzikálním dějem. Jedná se například o převod mechanicko - elektrický, termorezistivní, termoelektrický, pyroelektrický, piezoelektrický, piezorezistivní, magnetorezistivní, fotokonduktivní, senzory využívající Hallova jevu atd., - geometrických veličin (měření polohy, posunutí, atd.), - mechanických veličin (měření rychlosti, akcelerace, síly, tlaku, průtoku, mechanického napětí), - teplotních veličin (teplota, tepelný tok, atd.), - elektrických a magnetických veličin, - intenzity vyzařování (elektromagnetické, radiační veličiny ve viditelném, IR a jiném spektru, zvukové, atd. ), chemický převod převod je založen na chemické reakci probíhající na rozhraní analyt senzor (koncentrace iontů, atd.), biochemický převod ke své činnosti využívají biologicky aktivní látky. (koncentrace enzymů, atd.).

10 Tlustovrstvé senzory Rozdělení senzorů Dělení podle vstupní veličiny Dělení podle výstupní veličiny Dělení podle principu převodu Dělení podle chování výstupu Dělení podle převodu neelektrické veličiny Dělení styku senzoru s měřeným prostředím Dělení podle výrobní technologie Dělení podle základního funkčního principu Senzory založené na obvodové technologii Senzory založené na vlastnostech standardních past Senzory založené na vlastnostech speciálních past

11 Rozdělení nekonvenčních aplikací Senzory Mikrovlnné obvody a antény pro čipové karty Topné elementy Tlustovrstvé zobrazovací jednotky - optické displeje, tepelné tiskové hlavy Piezoelektrické reproduktory Vysokoteplotní supravodiče Vysokonapěťové aplikace a rychlé pojistky Rychlé tlustovrstvové pojistky Vývody a elektrody solárních článků Lékařství

12 Tlustovrstvé senzory Rozdělení senzorů podle základního funkčního principu (podle past) Senzory založené na obvodové technologii Měření polohy kapacitním senzorem

13 Tlustovrstvé senzory Rozdělení senzorů podle základního funkčního principu (podle past) Senzory založené na obvodové technologii Měření průtoku Měření polohy kapacitním senzorem odporovým senzorem Nekonvenční tlustovrstvé aplikace, tlustovrsvé senzory

14 Tlustovrstvé senzory Rozdělení senzorů podle základního funkčního principu (podle past) Senzory založené na obvodové technologii Měření tlaku Měření teploty kapacitním senzorem kapacitním senzorem

15 Tlustovrstvé senzory Rozdělení senzorů podle základního funkčního principu (podle past) Senzory založené na obvodové technologii Příklad - Senzor vlhkosti

16 Tlustovrstvé senzory Rozdělení senzorů podle základního funkčního principu (podle past) Senzory založené na vlastnostech standardních past Standardní (komerční) pasty: vodivé pasty (vodiče, kontakty, elektrická propojení,...): cermetové: na bázi Ag (Ag, Pd Ag, Pt Ag, Pd Pt Ag), na bázi Au (Au, PtAu, PdAu), na bázi Pt, na bázi Mo, W, Cu, Ni,... cermetové: složené z drahých kovů, oxidů a nízkotavných skel (RuO 2, Bi 2 Ru 2 O 7, Pd, Ag,...), keramika a sklo: (BaTiO 3, skla) pasty pro dielektrika kondenzátorů, izolace mezi hladinami, ochranné a krycí vrstvy, atd. Rezistorové pasty: Dielektrické, krycí a izolační vrstvy: polymerní: směs aktivních vodivých materiálů Ag, Ni, Cu, C a pojivové složky tvořené organickými polymery (polyester, epoxid, acrylic, vinyl) polymerní rezistorové materiály: pasty pro vypalování při nižších teplotách polymery: vícevrstvé obvody, ochranné povlaky pro nepříznivé prostředí (termosety), atd.

17 Tlustovrstvé senzory Rozdělení senzorů podle základního funkčního principu (podle past) Senzory založené na vlastnostech speciálních past termorezistivní: NTC termistorové pasty, oxidy Mn, Co, Cu, Ni, Fe, Ti, Zn, Mg, Cr, Li PTC termistorové pasty: na bázi BaTiO3, critesistory TiO2, VO2, V2O3 pasty pro RTD na bázi Pt, Ni nízkoteplotní termistory: RuO2, (vykazují rovněž magnotorezistivní vlastnosti) magnetorezistivní (na bázi Ni) feromagnetické (obsahující feromagnetické složky) pyroelektrické (polymerní PVDF) citlivé na vlhkost: polymerní sloučeniny hydrotalcitní protonické vodiče cermetové pasty: SnO2,... Nekonvenční tlustovrstvé aplikace, tlustovrsvé senzory

18 Tlustovrstvé senzory Rozdělení senzorů podle základního funkčního principu (podle past) Senzory založené na vlastnostech speciálních past piezorezistivní: cermetové piezorezistivní pasty PTF: C a Ag polymerní sloučeniny chemicky citlivé: pevné elektrolyty: ZrO2,... pasty na bázi kovových oxidů: SnO2,... polymery: polyelektrolyty, uhlíkové polymerní vrstvy, polyetheruretan,... piezoelektrické: na bázi BaTiO3 na bázi PZT (olovo, zirkon, titan), vykazují i feroelektrické vlastnosti piezoelektrické polymery: PVDF biocitlivé (polymerní lože s receptorovými částicemi) další oblasti (např. vysokoteplotní supravodiče, atd.) Nekonvenční tlustovrstvé aplikace, tlustovrsvé senzory

19 Tlustovrstvé senzory Rozdělení senzorů podle základního funkčního principu (podle past) Senzory založené na vlastnostech speciálních past Příklad - Tlustovrstvý senzor pro měření vlhkosti s integrovaným obvodem pro zpracování signálu (astabilní klopný obvod převádí změnu odporu vrstvy na změnu frekvence) Nekonvenční tlustovrstvé aplikace, tlustovrsvé senzory

20 Příklad senzoru vlhkosti horní elektroda polymerní snímací vrstva substrát spodní elektroda

21 Tlustovrstvé senzory Příklady tlustovrstvých senzorů Příklady senzorů podle principu převodu: Převod mechanicko-elektrický:

22 Tlustovrstvé senzory Příklady tlustovrstvých senzorů Převod termo-rezistivní: Nekonvenční tlustovrstvé aplikace, tlustovrsvé senzory

23 Tlustovrstvé senzory Příklady tlustovrstvých senzorů Převod termo-elektrický: Nekonvenční tlustovrstvé aplikace, tlustovrsvé senzory

24 Tlustovrstvé senzory Příklady tlustovrstvých senzorů Převod piezo-rezistivní: Nekonvenční tlustovrstvé aplikace, tlustovrsvé senzory

25 Tlustovrstvé senzory Příklady tlustovrstvých senzorů Převod chemicko-elektrický: Nekonvenční tlustovrstvé aplikace, tlustovrsvé senzory

26 Tlustovrstvé senzory Příklady tlustovrstvých senzorů Převod chemicko-elektrický: Nekonvenční tlustovrstvé aplikace, tlustovrsvé senzory

27 Tlustovrstvé senzory Příklady tlustovrstvých senzorů Převod biochemicko-elektrický: Nekonvenční tlustovrstvé aplikace, tlustovrsvé senzory

28 2. Elektroluminescenční prvky

29 TLV Elektroluminicenční prvky :

30 Úvod do nekonvenčních aplikací Co jsou nekonvenční aplikace? Nekonvenční aplikace jsou Nekonvenční tlustovrstvé aplikace, tlustovrsvé senzory

31 Rozdělení nekonvenčních aplikací Tlustovrstvé zobrazovací jednotky Elektroluminiscenční optické displeje Nekonvenční tlustovrstvé aplikace, tlustovrsvé senzory

34 Rozdělení nekonvenčních aplikací Tlustovrstvé zobrazovací jednotky Elektroluminiscenční optické displeje Tisk Přední vrstvy elektroda č.5 č.3 č.6 č.2 a - č.4 Svítící Zadní na základním - Dielektrická elektroda ochranná fosforová substrátu vrstva: a přední přívod: - Podkladový 7153E 7145L J UV Stříbro dielektrikum bílá Vytvrzení substrát: E 7151J ITO Polyester Uhlík zelenomodrá film -Tisk 7154J vrstvy žlutozelená č.1: E na polyester Nekonvenční tlustovrstvé aplikace, tlustovrsvé senzory

35 Rozdělení nekonvenčních aplikací Tlustovrstvé zobrazovací jednotky Elektroosmotické optické displeje Nekonvenční tlustovrstvé aplikace, tlustovrsvé senzory

36 Rozdělení nekonvenčních aplikací Tlustovrstvé zobrazovací jednotky Tepelné tiskové hlavy Nekonvenční tlustovrstvé aplikace, tlustovrsvé senzory

37 3. Topné elementy

38 TLV Topná tělesa Komerční technika - elektrické ohřívače, rychlovarné konvice, žehličky, kávovary, topné desky elektrických sporáků, rozmrazováni skel Průmyslová technika - topná tělesa libovolných tvarů, termostaty, ohřev kolejnic a mechanismů výhybek, ochrana potrubí proti mrazu,

39 Rozdělení nekonvenčních aplikací Topné elementy Nekonvenční tlustovrstvé aplikace, tlustovrsvé senzory

40 Příklad výroby topného tělesa Podkladový materiál - ocel izolant sklo um F F výpal 35xx res 36xx odporová res vrstva m 7760 kontak t kontaktní plošky F Výpal

41 Mohou spolehlivě pracovat na běžném keramickém substrátu do 500 o C a to s teplotní změnou až 40 C /s Tlustovrstvové topné elementy na keramických substrátech

44 4 Výkonové moduly

45 Řešení výkonových modulů a d e b c b Součásti výkonového modulu: a. nakontaktované drátky (wire bond) b. pájka c. keramický substrát d. pájka vývodů e. zapouzdření 45

46 Poruchy výkonových modulů Poruchy konaktovaných spojů Poruchy keramického substrátu Poruchy pájených spojů

47 Snížení celkového tepelného odporu Přístupy ke snížení tepelného odporu: a) zvýšení tepelné vodivosti na rozhraní součástka chladič (dnes je tepelná vodivost materiálů na hodnotě 2 3 W/mK) - využití materiálů s dobrou teplotní vodivostí b) zlepšení smáčivosti materiálů obou povrchů na rozhraní pájených spojů c) lepší kontaktování čipu k pouzdru pro snížení odporu kontaktů d) větší plocha chladiče resp. materiálu vyzařujícího teplo do okolí - snížení tloušťky rozhraní pro zkrácení přenosové cesty tepla e) vyloučení některé z ploch na rozhraní v tepelné dráze přenosu Ukázka rozraní dvou materiálů o délce x. Přítomnost vzduchových mezer tvoří přídavný tepelný odpor na rozhraní. U pájených spojů je kritická smáčivost materiálu

48 Materiály pro odvod tepla Pro kvalitní odvod tepla ze součástky je třeba: dobře volit materiál, který odvod tepla mezi součástkou a chladičem zajišťuje vrstva materiálu co nejtenčí Materiály pro tepelný management dělíme na: tekuté (teplovodivé gely) pevné (lepidla, pájky) Povrchy na rozhraní čip teplovodný materiál chladič jsou upravované např.: eloxováním (anodická oxidace) naprašováním pokovováním oxidovým (kysličníkovým) růstem (např. černý oxid na mědi) Z důvodu tepelné roztažnosti díky zahřívání se musí dobře zvolit který druh materiálu použít, aby nedošlo např. k prasknutí čipu

49 Heat pipes Řešení odvodu tepla obnáší různé techniky jak vzduchové tak kapalné a také speciální materiály. Dle některých předpovědí se zvýší během následujících 10-ti let pracovní teplota z dnešních 45 až 55 ºC až několikanásobně (200 ºC?). Jsou to kondenzační chlazení, aplikace heat-pipes, teplotní bloky a pyroelektrické materiály. Předmětem výzkumu je i termodynamické chování organických polymerů, grafitu a diamantu.

50 Nanotrubice mohou přispět ke zlepšení teplotního managementu v elektronice Červené čáry naznačují teplotu na čipu při rostoucím výkonu Modré čáry ukazují sníženou teplotu čipu opatřeného uhlíkovými chladícími nanotrubicemi. Plné a přerušované čáry znázorňují experimentální a simulované průběhy.

51 Literatura V prezentaci byly použity obrázky a příklady z nabídkových a informačních listů firem: DuPont, National High Magnetic Field Laboratory, BI Technologies Corporation, ESL ElectroScience, BVT Technologies, a.s., Solartec, s.r.o., Alain Ripart,Sorin Group, osobní sdělení Nekonvenční tlustovrstvé aplikace, tlustovrsvé senzory