Humidity sensors using MEMS and standard CMOS technologies
MEMS ve standart CMOS teknolojileri ile nem sensörleri
- Tez No: 143251
- Danışmanlar: DOÇ. DR. TAYFUN AKIN
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği, Electrical and Electronics Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2003
- Dil: İngilizce
- Üniversite: Orta Doğu Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Elektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: 143
Özet
Bu tezde MEMS ve standart CMOS süreci kullanılarak geliştirilmiş nem sensörleri anlatılmaktadır. İki çeşit nem sensörü tasarlanmış ve üretilmiştir. Birinci sensör, neme duyarlı dielektrik katmam polyimide kullanılarak yapılmış kapasitif bir sensördür. Diğer sensör, havanın ve su buharının ısıl iletkenlikleri arasındaki farkı ölçen, ısıl iletkenlik bazlı nem sensörüdür. Kapasitif sensör, polyimide katmanının iki metal elektrot araşma sıkıştırıldığı üç maskelik bir süreçle üretilmiştir. Alt elektrot, su yoğunlaşması riskinin bulunduğu yüksek nem seviyelerinde ölçüm yapma olanağı sağlayan ısıtıcı direnç şeklinde tasarlanmıştır. Üretilen sensör üzerinde yapılan testler, sensörün nem değişimini 145fF/%RH'lik hassasiyet ve 0.2%'den düşük orantı katsayısı hatası ile algıladığını göstermiştir. Sensör anahtarlamalı kapasitör okuma devresiyle entegre edilmiştir. Hibrid yapının hassasiyeti 19.4mV/%RH, orantı katsayısı hatası 0.2%'den düşük olarak bulunmuştur. Sensörün histeresisi 2.57% RH'dir. Isıtıcının çalışması da sıcaklığa ve güce bağlı direnç karakteristiğinin ölçümüyle doğrulanmıştır. Isıl iletkenlik bazlı nem sensörü, standard CMOS ve CMOS sonrası gövde aşındırma işlemleri kullanılarak elde edilen, ısıl olarak yalıtılmış diyotlar kullanılarak elde edilmiştir. Isıl yalıtım, TMAH çözeltisi kullanılarak, yönlü silisyum gövde aşındırması ve elektrokimyasal aşındırma-durdurma yöntemi ile sağlanmıştır. Diyotlardan bir tanesi kapatılarak ısıl iletkenliği sabit tutulmuş, diğer diyot çevreyle temas eder durumda bırakılarak ısıl iletkenliğinin nemle değişmesi sağlanmıştır. Bu nedenle sabit akımla beslendiklerinde farklı çıkış gerilimleri üretmektedirler. Diyotların çıkış gerilimleri arasındaki fark fark-geçiş-ileti yükselticisi ile akıma dönüştürülmüş, akım da anahtarlamalı kapasitör entegratörü ile entegre edilerek yükseltilmiş çıkış sinyali elde edilmiştir. lOOum akım seviyesinde ve 150°C'den 250°C'ye olan sıcaklık aralığında, diyotlarm sıcaklık hassasiyetleri -1.3mV7K olarak ölçülmüştür. Sensörün bağıl nem hassasiyeti 20°C, 30°C ve 40°C sıcaklık şartlarında sırasıyla 14.3mV/%RH, 26mV/%RH ve 46.9mV/%RH olarak ölçülmüştür. Sensörün ölçülen histeresisi 1% RH'den azdır. Sensör 5V ile beslenmektedir ve 1.38mW güç harcamaktadır.
Özet (Çeviri)
This thesis presents the development of humidity sensors using surface rmcromachining and standard CMOS processes. Two types of humidity sensors are designed and implemented. The first one is a capacitive humidity sensor with a polyimide film as the humidity sensitive dielectric layer. The second sensor is a thermal conductivity based humidity sensor, which measures the amount of humidity using the difference between the thermal conductivity of the air and the water vapor. The capacitive humidity sensor is fabricated by three mask process, where the humidity sensitive polyimide layer is sandwiched between two metal electrodes. The bottom electrode is designed in a heater resistor shape, which provides humidity measurement at high relative humidity levels where there is the risk of water condensation. Characterization results show that the fabricated sensor tracks the humidity change with a sensitivity of 145fF/%RH, with nonlinearity less than 0.2%. The hysteresis of the sensor is 2.57% RH. The sensor is hybrid connected to a switched capacitor readout circuit, which dissipates 1.75mW power. The measured sensitivity of the hybrid module is 19.4mV/%RH with nonlinearity less than 0.2%. Operation of the integrated heater is also verified by monitoring the resistance versus temperature and resistance versus power characteristics. The thermal conductivity based humidity sensor is implemented using thermally isolated p-n junction diodes obtained by standard CMOS and post-CMOS bulk silicon micromachining processes. Thermal isolation is achieved by anisotropic bulk silicon etching using electrochemical etch stop technique in a TMAH solution. One of the suspended diodes is sealed and has a fixed thermal conductance, while the other one is exposed to the ambient and has humidity dependent thermal conductance; therefore, they provide different diode voltages when they are heated with same biasing currents. The difference between the diode voltages are converted into current through a monolithic transconductance amplifier, and this current is integrated by a switched capacitor integrator to obtain an amplified output signal. The measured temperature sensitivity of the diodes is -1.3mV7K within 150°C to 250°C range at lOOuA bias level. Relative humidity sensitivity of the sensor is 14.3mV/%RH, 26mV/%RH, and 46.9mV/%RH for 20°C, 30°C, and 40°C ambient temperature respectively with a nonlinearity less than 0.3%. The measured hysteresis of the sensor is less than 1% at 20°C and 30°C ambient temperature conditions. The sensor operates from a 5V supply and dissipates 1.38mW power.
Benzer Tezler
- MEMS ile entegre mikro ısıtıcı ve IDE mikro sistemlerin fabrikasyonu ve nano kompozit yarı iletken gaz sensör uygulaması
Fabrication of integrated micro heater and ide micro systems with MEMS and application of nano composite semiconductor GAS sensor
HALİME İLBEYİİLİNGİ
Yüksek Lisans
Türkçe
2024
Fizik ve Fizik Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiFizik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ BERNA MOROVA
DOÇ. DR. CİHAT TAŞALTIN
- Design and construction of a data acquisition system for sensors used in automotive industries over GPRS
Otomotiv endüstrisinde kullanılan sensörler için GPRS üzerinden veri toplama sistemi tasarımı ve uygulaması
ERSEN PESEN
Yüksek Lisans
İngilizce
2010
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiÇukurova ÜniversitesiElektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
YRD. DOÇ. MURAT AKSOY
- Gerçek zamanlı – çok parametreli veri toplama sistemi
Real time – multiparameter data collection system
SERTAÇ SELİM SARICA
Doktora
Türkçe
2022
Jeofizik MühendisliğiSüleyman Demirel ÜniversitesiJeofizik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ZÜHEYR KAMACI
- Humidity SAW sensors sensitivity enhancement via electrospraying of silver nanowires
Gümüs nanotellerin elektrosprey aracılıgıyla SAW nem sensör hassasiyeninin gelistirilmesi
FARID SAYAR IRANI
Yüksek Lisans
İngilizce
2017
Kimyaİstanbul Şehir ÜniversitesiEndüstri ve Sistemler Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Assoc. Prof. Dr. BAHADIR TUNABOYLU
- Fabrication of silicon nanoporous humidity sensors and their electrical and spectroscopic characterizations
Silisyum nanogözenekli bağıl nem algılayıcı üretimi ve elektriksel ve spektroskopik karakterizasyonu
SEDA OĞUZ AYTEKİN
Doktora
İngilizce
2014
Fizik ve Fizik MühendisliğiYeditepe ÜniversitesiFizik Ana Bilim Dalı
PROF. DR. SYEDA RABIA İNCE