Биографија
Бранко Вукелић је рођен 10.05.1985. у Загребу, општина Чрномерец. Основну
школу „Вук Карџић“ је завршио у Степојевцу, општина Лазаревац. Средњу
Електротехничку школу „Раде Кончар“ је завршио у Београду на смеру „Електротехничар
рачунара“.
Електротехнички факултет, Универзитета у Београду, уписао је 2004. године и
дипломирао 2009. године на Одсеку за Сигнале и системе, са просечном оценом 8,57.
Школске 2009/2010 године уписао је дипломске академске - мастер студије на Одсеку за
Електронику, на Електротехничком факултету, Универзитета у Београду. Мастер тезу
,,Развој паметног мерача притиска са мрежном комуникацијом” одбранио је 2011. године
завршивши тиме дипломске академске – мастер студије са просечном оценом 9,67.
Докторске студије на одсеку за Сигнале и системе, на Електротехничком факултету,
Универзитета у Београду уписао је 2011 год. Положио је све испите са просечном оценом
9,80.
Тренутно је запослен у својству истраживача сарадника у Институту за Хемију,
Технологију и Металургију, у оквиру Центра за Микроелектронске Технологије, ИХТМЦМТ. У центру се бави истраживањима везаним за области електронике, обраде сигнала и
мерења.
БИБЛИОГРАФИЈА
M.Sc. Бранко Вукелић, дипл. инж. електротехнике
Научноистраживачки резултати, укупно (од децембра 2009. године па до данас)
М10(0)+М20(1xМ23=3)+M30(4xM33+1xM34=4.5)+M40(0)+M50(0)+M60(4xM63+1xM64=2
.2)+M70(0)+M80(2xM83+1xM85=10)+M90(0)=19.7
Резултати од претходног избора (означени симболом * у табели)
М10(0)+М20(0)+M30(4xM33+1xM34=4.5)+M40(0)+M50(0)+M60(3xM63=1.5)+M70(0)+M8
0(2xM83=8)+M90(0)=14
М фактор
Пун назив референце
М23 Рад у међународном часопису
V. Jović, M. Matić, B. Vukelić, M. Starčević, M. M. Smiljanić, J. Lamovec, M.
Vorkapić: "Montaža čipova MEM silicijumskih piezorezistivnih senzora pritiska
M23 (1)* korišćenjem različitih adheziva", Hemijska industrija, 65 (4) 497-505 (2011)
DOI:10.2298/HEMIND110509044J (oblast ENGINEERING, CHEMICAL
(123/134), IF - 0.117)
М33 Саопштење са међународног скупа штампано у целини
M. Frantlović, I. Jokić, Ž. Lazić, B. Vukelić, M. Obradov, D. Vasiljević-Radović,
"Temperature Measurement Using Silicon Piezoresistive MEMS Pressure
M33 (2)
Sensors", Proc. 29th International Conference on Microelectronics MIEL 2014,
Niš, Serbia, May 12-15, pp. 159-161, ISBN 978-1-4799-5295-3
B. Vukelić, R. Stančić, S. Graovac, "Microcontroller Based Implementation of an
Integrated Navigation System for Ground Vehicles", 1st IFAC Workshop on
M33 (3)
Advances in Control and Automation Theory for Transportation Applications
September 16-17, 2013. Istanbul, Turkey, pp. 139-144
B. Vukelić, M. Frantlović, "Implementation of IEEE 1451.4 transducer electronic
datasheet using an 'mbed' microcontroller module", Proc. 6th International
M33 (4)
Scientific Conference on Defensive Technologies OTEH 2014, Belgrade, pp. 503506, Oct. 9-10, 2014, isbn 978-86-81123-71-3
B. Vukelić, M. Frantlović, "Implementation of IEEE 1451.4 Transducer Electronic
Data Sheet (TEDS) using an 'mbed' microcontroller module: the case of MEMS
M33 (5)
piezoresistive pressure sensors", Proc. 1st Conf. IcETRAN, Vrnjačka Banja, June
2 – 5, 2014, pp. MOI1.2.1-4, ISBN 978-86-80509-70-9
M34 Саопштење са међународног скупа штампано у изводу
I. Jokić, K. Radulović, M. Frantlović, D. Nešić, B. Vukelić, D. VasiljevićRadović, "Nonspecific reversible adsorption processes and their fluctuations in
M34 (6)
MEMS biosensors based on piezoelectric ceramic materials", 2nd Conference of
The Serbian Ceramic Society, Belgrade, Serbia, June 5-7, 2013
M63 Саопштење са скупа националног значаја штампано у целини
M. Obradov, B. Vukelić, M. Tadić, "Šupljinska stanja u poluprovodničkim
nanokristalima: poređenje Latindžer-Konovog i Bart-Foremanovog modela", Proc.
M63 (7)
56th ETRAN Conference, Zlatibor, June 11-14, 2012, MO2.5-1-4, ISBN 978-8680509-67-9
B. Vukelić, M. Obradov, B. Rosandić, S. Milosavljević, J. Lamovec, "Wet etch
M63 (8)
rates and selectivity in DIMES CR100 etching line", Proc. 55th Conference for
Electronics, Telecommunications, Computers, Automation and Nuclear
Engineering ETRAN, Banja Vrućica, June 6-9, 2011, pp. MO3.4.1-4, ISBN 97886-80509-66-2
B. Vukelić, R. Stančić, S. Graovac, "Primena mikrokontrolera u integraciji
navigacionog sistema za praćenje vozila", Proc. 57th ETRAN Conference,
M63 (9)
Zlatibor, June 3-6, 2013, AU1.6-1-6, ISBN 978-86-80509-68-6
B. Vukelić, M. Frantlović, M. Obradov, "Razvoj prototipa inteligentnog merača
M63 (10) pritiska sa Ethernet komunikacijom", Proc. 56th ETRAN Conference, Zlatibor,
June 11-14, 2012, MO3.7-1-4, ISBN 978-86-80509-67-9
М64 Саопштење са скупа националног значаја штампано у изводу
M. Matić, V. Jović, B. Vukelić, M. Starčević, M. Smiljanić, J. Lamovec, M.
Vorkapić: “Attachment of piezoresistive silicon pressure sensor dies using low
M64 (11)
melting point glass”, 1st Conference of the Serbian Ceramic Society (1CSCS2011), March 17-18, Belgrade, Serbia, p. 38, ISBN: 978-86-7306-107-8
M83 Ново лабораторијско постројење, ново експериментално постројење, нови
технолошки поступак (уз доказ)
M. M. Smiljanić, Ž. Lazić, V. Jović, K. Radulović, B. Vukelić, B. Popović, D.
Vasiljević-Radović, "Primena tehnike maskless nagrizanja u vodenom rastvoru
M83 (12)
TMAH u realizaciji SOI SP-11 i usavršavanju SP-9 i SP-12 senzora pritiska", TR32008 MPN Beograd, korisnik IHTM, rukovodilac D. Vasiljević-Radović, 2012
V. Jović, J. Lamovec, I. Mladenović, M. Smiljanić, D. Todorović, Ž. Lazić, B.
M83 (13) Popović, B. Vukelić, "Realizacija silicijumskih mikrogredica za fotoakustična
merenja", TR-32008 MPN Beograd, korisnik IHTM, rukovodilac V. Jović, 2012
M85 Прототип, нова метода, софтвер, стандардизован или атестиран инструмент,
нова генска проба, микроорганизми (уз доказ)
B. Vukelić, M. Frantlović, I. Jokić, D. Vasiljević-Radović, “Laboratorijski
prototip inteligentnog merača pritiska sa Ethernet komunikacijom”, laboratorijski
M85 (14)*
prototip, TR 32008 MPNS, realizatori: IHTM-CMTM, korisnici:IHTM-CMTM,
EPS, odgovorno lice: Miloš Frantlović, početak primene: 01.10.2011
Montaža čipova MEM silicijumskih piezorezistivnih senzora pritiska
primenom različitih adheziva
Vesna B. Jović, Milan J. Matić, Branko M. Vukelić, Marko S. Starčević, Milče M. Smiljanić, Jelena S.
Lamovec, Miloš D. Vorkapić
Institut za hemiju, tehnologiju i metalurgiju, Centar za mikroelektronske tehnologije i monokristale (IHTM – CMTM),
Univerzitet u Beogradu, Beograd, Srbija
Izvod
U ovom radu se porede i diskutuju adhezivi koji su korišćeni za montažu čipova silicijumskih
piezorezistivnih senzora pritiska. Posebna pažnja je poklonjena montaži čipova senzora za
niske pritiske (<1 bar) zbog toga što su oni posebno osetljivi na naprezanja koja nastaju kao
posledica samog procesa montaže i karakteristika primenjenih materijala. Za montažu čipa na
kućište su korišćeni komercijalno dostupni adhezivi „Scotch Weld 2214 Hi-Temp“ proizvođača
“3M Co.” i „DM2700P/H848“ proizvođača „DIEMAT“, SAD. Prvi adheziv je epoksidna pasta sa
česticama aluminijuma kao puniocem, a drugi je pasta stakla sa niskom temperaturom topljenja. Poredeći karakteristike montiranih čipova piezorezistivnih MEM senzora niskog pritiska, pokazano je da je za ovu primenu montaže pogodnije koristiti pastu stakla sa niskom
temperaturom topljenja, jer senzori montirani primenom ovog adheziva mogu da se pasivno
temperaturno kompenzuju i ta kompenzacija je vrlo stabilna. Montaža senzora ovim adhezivom pruža mogućnost rada senzora i na povišenim temperaturama do 120 °C.
STRUČNI RAD
UDK 621.38
Hem. Ind. 65 (5) 497–505 (2011)
doi: 10.2298/HEMIND110509044J
Ključne reči: mikro-elektro-mehanički (MEM) piezorezistivni senzor relativnog pritiska;
staklena pasta sa niskom temperaturom topljenja; epoksidna pasta sa aluminijumskim puniocem; pasivna temperaturna kompenzacija senzora pritiska.
Dostupno na Internetu sa adrese časopisa: http://www.ache.org.rs/HI/
Tehnike pakovanja MEM (mikro-elektro-mehaničkih) senzora su izvedene od tehnologija pakovanja standardnih poluprovodničkih komponenti i hibridnih pakovanja prateće elektronike [1,2]. Postoje neke ključne
razlike i zahtevi u inkapsulaciji MEM senzora koji proističu iz činjenice da senzor mora da bude u direktnom
kontaktu sa sredinom koju karakteriše i pri tome je izložen agresivnim komponentama te sredine, radu na
povišenim temperaturama i nepredvidivim mehaničkim
šokovima. Stoga je konstrukcija pakovanja MEM senzora stalna potreba da se razvije pakovanje koje mora da
ispuni sve zahteve i da pri tome ima svoju ekonomsku
opravdanost. Mnogi od zahteva za pakovanje MEM piezorezistivnih senzora su u vezi sa konstrukcijom senzora
i primenom. Pre je pravilo nego izuzetak da svaki proizvođač osmišlava vlastiti način pakovanja u skladu sa
tehnološkim mogućnostima i nekim opštim zahtevima
koji se moraju ispunitii da bi se eliminisao uticaj pakovanja na karakteristike senzora.
Glavni zahtevi pakovanja mogu se grubo podeliti na
električne zahteve, zahteve vezane sa termalnim karakteristikama pakovanja i mehaničke zahteve. Dok su prva
dva zahteva relativno jasna i opšta i za MEM sisteme i
Prepiska: V.B. Jović, IHTM – CMTM, Njegoševa 12, 11000 Beograd,
Srbija.
E-pošta: [email protected]
Rad primljen: 9. maj, 2011
Rad prihvaćen: 23. jun, 2011
za poluprovodničke komponente, mehanički zahtevi se
grubo mogu podeliti u tri kategorije: minimizacija naprezanja izazvana nesaglasnošću termičkih koeficijenata širenja materijala koji formiraju pakovanje i samog
senzorskog čipa, minimizacija naprezanja koje nastaje
usled dejstva spoljašnjih opterećenja i eliminisanje mehaničkih lomova pakovanja u toku eksploatacije senzora. S obzirom na to da su senzori pritiska tipovi uređaja koji su vrlo osetljivi na naprezanja, prva dva razmatranja su i vučna sila za razvoj i poboljšanje pakovanja.
Smanjenje naprezanja koje unosi način pakovanja, a
posebno njegova temperaturna zavisnost, do nivoa koji
neće uticati na pokazivanje senzora, težak je i zahtevan
posao. Rezultat ovoga je da cena pakovanja iznosi i do
2/3 ukupne cene pojedinačnog senzora [3].
Različito termičko širenje među komponentama pakovanja (na primer između senzorskog čipa na monokristalnom Si i staklene podloške koja nosi čip i adheziva, kojim se čip sa podloškom montira u kućište, glavni je uzrok naprezanja na čipu koja su izazvana načinom
pakovanja, a koja nastaju za vreme termičkog cikliranja.
Ovaj problem se ne može rešiti samo korišćenjem materijala koji imaju slične ili čak podudarne koeficijente
termičkog širenja u pojedinim temperaturnim oblastima, jer je spektar materijala koji se koriste za inkapsulaciju vrlo različit pa samim tim oni imaju i čitav niz termomehaničkih osobina. Posledica je da se pakovanje
mora optimizovati da bi se minimizirao uticaj uvedenih
naprezanja usled rada u zadatom opsegu temperatura.
497
V.B. JOVIĆ i sar.: MEM SILICIJUMSKI PIEZOREZISTIVNI SENZORI
Hem. ind. 65 (5) 497–505 (2011)
Predviđanje znaka (da li je skupljanje ili širenje) i veličine naprezanja koja deluju na senzorski čip inkapsuliran u kućište konstruisano upotrebom više materijala je
vrlo zahtevan i kompleksan posao. Jedan od načina optimizacije je konstrukcija i realizacija pakovanja i naknadno testiranje karakteristika senzora u radnom intervalu temperature.
EKSPERIMENTALNI DEO
MEM piezorezistivni senzor pritiska je urađen primenom tehnike zapreminskog mikromašinstva [4]. Piezootpornici su formirani selektivnim difuzijom bora u
monokristalni silicijum (100) orijentacije i n-tipa provodnosti i raspoređeni su u konfiguraciji Vitstonovog
(Wheatstone) mosta na ivicama membrane realizovane
vlažnim hemijskim nagrizanjem. Piezorezistivni senzor
sadrži dva longitudinalna piezootpornici (R2 i R3) i dva
transverzalna piezorezistora (R1 i R4) u granama Vitstonovog mosta koji je šematski prikazan na slici 1. Most
se napaja strujom konstantne jačine (2,5 mA). R1–R4 su
piezootpornici formirani difuzijom B u monokristalnom
Si. RP je otpornik kojim se izlaz temperaturno kompenzije za pun merni opseg (eng. span). R2kr i R3kr su serijski
otpornici za korekciju odstupanja od nulte vrednosti.
R3kp i R2kp su otpornici za temperaturnu kompenzaciju
odstupanja od nulte vrednosti.
Piezootpornici mere naprezanje na ivicama membrane koja se deformiše pod uticajem sile primenjenog
pritiska i generišu električni izlaz proporcionalan ugibu
membrane. MEM piezorezistivni senzori pritiska, koji su
predmet ispitivanja u ovom radu, urađeni su u IHTM –
Centru za mikroelektronske tehnologije i monokristale
iz Beograda [5].
Čip piezorezistivnog senzora pritiska se sastoji od
MEM senzora koji je anodno zabondovan sa staklenom
podložkom. Podložka je od stakla koje se može anodno
bondovati i ima koeficijenat termičkog širenja kompatibilan sa Si (Pyrex®, Cornning 7740) [6]. Na staklenoj
podlozi postoji otvor kojim se ostvaruje kontakt Si
membrane i sredine čiji se pritisak meri.
Čip se montira na staklenu cevčicu (termički koeficijenat širenja je kompatibilan sa Si), koja prolazi kroz
centar komercijalnog tranzistorskog kućišta. Ovaj način
montaže omogućava da se pritisak dovede sa obe strane senzorskog čipa i na taj način realizuje senzor relativnog pritiska. Šematski prikaz montiranog MEM piezorezistivnog senzora pritiska na komercijalno podnožje
tranzistorskog kućišta (TO) je dat na slici 2.
Na šematskom prikazu na slici 2 crnom bojom je
označen adheziv (lepak) kojim se staklena cevčica učvršćuje za tranzistorsko kućište (spoj koji se uvek formira
prvi) i isti adheziv kojim se senzorski čip lepi po obodu
cevčice. Ovaj spoj cevčice i čipa senzora pritiska svojim
termo-mehaničkim osobinama najviše utiče na karakteristike piezorezistivnog senzora pritiska. Adhezivi unose
dodatna mehanička naprezanja na mestima spajanja
prvenstveno usled nesaglasnosti njihovih koeficijenata
termičkog širenja i koeficijenata termičkog širenja materijala koji se spajaju. Na uvođenje dodatnih naprezanja utiče i promena elastičnih osobina materijala sa
temperaturom, na primer Jungovog modula elastičnosti, granice razvlačenja i slično.
Pokazuje se da metod inkapsulacije ima presudnog
uticaja na karakteristike ovog tipa senzora. MEM piezorezistivni senzor pritiska konvertuje mehaničko naprezanje u električni signal i ne može da se razlikuje naprezanje nastalo na senzoru usled dejstva signala (sile pritiska) i naprezanje na piezorezistorima koje nastaje
usled dejstva termičkog cikliranja ili drugih pojava (naprezanje izazvano razlikom u veličini koeficijenata termičkog širenja, naprezanje izazvano očvršćavanjem adheziva, unutrašnja naprezanja u Si izazvana difuzijom
primesa tokom formiranja piezootpornika i slično) [7,8].
5
R
+ IN
R2kp
R1
+ OUT
1
Rp
- OUT*
4
3
R3kr
R3
R4
- IN
R2kr
R2
- OUT
R3kp
2
(a)
(b)
Slika 1. a) Konfiguracija piezootpornika senzora pritiska u Vitstonovom mostu; b) fotografija MEM piezorezistivnog senzora pritiska
sa gornje strane membrane na kojoj se vidi raspored piezootpornika.
Figure 1. a) Wheatstone bridge configuration of piezoresistors for pressure sensors; b) photograph of Si sensor chip from the front
side where the resistors arrangement can be seen.
498
V.B. JOVIĆ i sar.: MEM SILICIJUMSKI PIEZOREZISTIVNI SENZORI
Hem. ind. 65 (5) 497–505 (2011)
2
2.
1
3.
3
4
staklo kompatibilno sa silicijumom
staklene perlice na tranzistorskom kućištu
adheziv ("lepak") čiji se uticaj ispituje
tranzistorsko kućište
1
čip piezorezistivnog senzora pritiska koji je anodno zabondovan sa
odgovarajućom staklenom podložkom
2
3
4
električne izvodnice
električni pinovi na tranzistorskom kućištu
staklena cevčica
Slika 2. Šematski prikaz montiranog piezorezistivnog senzora relativnog pritiska.
Figure 2. Schematic presentation of mounted relative pressure sensor chip.
Montiran senzor pokazuje promenu parametara sa
temperaturom i iz merenja određenih karakteristika
senzora može se odrediti optimalan adheziv, odnosno
način montaže čipova senzora pritiska koja će za rezultat imati senzore sa odgovarajućim karakteristikama
posle pasivne temperaturne kompenzacije [9].
Adhezivi koji se koriste za spajanje čipa piezorezistivnog senzora pritiska sa kućištem i termička
obrada adheziva
Testirana su dva adheziva i to: epoksidna pasta u
kojoj je punilac aluminijum pod nazivom „Scotch Weld
2214 Hi-Temp“ proizvođača “3M Co.”, SAD i pasta
niskotopivog stakla „DM2700P/H848“ proizvođača
„DIEMAT“, SAD.
U tabeli 1 navedene su neke od karakteristika korišćenih pasti koje imaju uticaja na pakovanje senzora.
Radi poređenja navedene su i relevantne karakteristike
monokristalnog Si i pireks stakla koje može da se anodno bonduje sa silicijumom.
„Scotch Weld 2214 Hi-Temp“ adheziv se nanosio ručno na površine koje se spajaju (bonduju). Redosled lepljenja je kao što je navedeno. Spoj očvršćava zagre-vanjem na 120 °C u vazdušnoj atmosferi.
Adheziv „DM2700P/H848“ sadrži čestice stakla sa
niskom temperaturom topljenja (<350 °C) koje su dispergovane u organskom vezivu. Prečnik čestica stakla je
manji od 15 μm. I ovaj adheziv se nanosi ručno i proces
termičke obrade se u najopštijem slučaju sastoji iz tri
stupnja: stupanj sagorevanja organskog veziva iz paste
(eng. organic burn-out step), stupanj površinskog ostakljivanja (eng. glazing step) i stupanj formiranja neraskidive veze (eng. sealing step), odnosno potpunog ostakljivanja spoja. Tokom prva dva stupnja obrade, površine koje se spajaju su razdvojene, zatim se dovode u
kontakt i formira se spoj potpunim ostakljivanjem paste.
499
V.B. JOVIĆ i sar.: MEM SILICIJUMSKI PIEZOREZISTIVNI SENZORI
Hem. ind. 65 (5) 497–505 (2011)
Tabela. 1. Poređenje važnih karakteristika korišćenih adheziva (staklena pasta sa niskom temperaturom topljenja i epoksidna pasta
sa aluminijumom kao puniocem), Si i pireks stakla
Table 1. Comparisons of important properties of two adhesives used for packaging dies (LMT glass and aluminum filled epoxy),
Si and pyrex glass
Karakteristika
Si
Koeficijenat termičkog 2,4 (7 °C) i 3,2 (127 °C)
širenja×106, °C–1
149
Termička provodnost na
300 K, W·m–1·K–1
Pyrex® # 7740
(Corning Inc., Corning, NY)
3,25 (0–300 °C)
Scotch Weld 2214 Hi-Temp
(3M Co.)
48 (0-80°C)
DM2700P/H848
(DIEMAT”, USA)
7.7 (25–150 °C)
1,35
0,327
6,2 (23 °C, ASTM-D-150)
7,8 (90 °C, ASTM-D-150)
9,4×1014 (23 °C)
Nedostupna,
neznatno niža od
masivnog stakla.
71 (1 MHz, 25 °C)
Dielektrična konstanta
11,8
4,6 (1 MHz, 25 °C)
Zapreminska otpornost,
Ω·cm
Maksimalna radna
temperatura, °C
–
1,2×106 (250 oC) i
4,0×104 (300 oC)
821 (temperatura
omekšavanja)
Hermetičnost i
degazacija
Za visoke radne temperature (>120 °C),
piezorezistori se prave
na SOI podlogama.
−
−
Adhezija
120
>109
215 (tranziciona
temperatura)
275–285 (temperatura omekšavanja)
Odlična, vrlo niska.
Anodno zabondovan spoj
Hermetičnost spoja je
Si–staklo ima izvrsnu hermetič- ograničena nepropusnošću
nost i nisku degazaciju limitiranu
epoksidnog veziva.
difuzijom gasa kroz spoj.
Može anodno da se
Dobra adhezija na staklu,
Visok stepen adbonduje sa Si.
Si i kovaru.
hezije u odnosu na
Si–Si, Si–alumina,
Si–pireks staklo, itd.,
uključujući i pozlaćene površine.
Ovaj način inkapsulacije MEM komponenti, odnosno bondovanja primenom niskotopivih stakala je univerzalna tehnologija za inkapsulaciju na nivou supstrata
[10,11].
Na slici 3 prikazan je šematski prikaz termičkog ciklusa obrade paste stakla sa niskom temperaturom topljenja. Termički proces obrade paste se odvija u protoku suvog azota (500 ml·min−1) u peći „Tempress Ju-
temperatura
temperatura
formiranja
bonda
temperatura
temperatura početka
ostakljivanja
temperatura
sagorevanja organskog
veziva
V1
V5
V4
V2
τS
V3
sobna
temperatura
τG
τOBO
sobna
temperatura
vreme
(a)
vreme
uzorci koji se spajaju se dovode u
kontakt i primenjuje se pritisak
(b)
Slika 3. Šematski prikaz temperaturnog režima obrade paste stakla sa niskom temperaturom topljenja, koji se sastoji iz dva
odvojena termička ciklusa. a) Termički ciklus obrade staklene paste koji ima za cilj sagorevanje organskog veziva u pasti i površinsko
ostakljivanje očvrsle paste; b) termički ciklus kojem se podvrgava par koji se bonduje s ciljem formiranja neraskidive veze.
Figure 3. Schematic presentation of temperature profile during processing of low melting temperature (LMT) sealing glass paste,
which consists of two separate thermal steps. a) Organic burn-out and glazing temperature profile; b) thermal profiling for bonding
pair directed towards permanent sealing.
500
V.B. JOVIĆ i sar.: MEM SILICIJUMSKI PIEZOREZISTIVNI SENZORI
nior“ sa horizontalnom grejnom zonom koja se sastoji
iz tri elektrootporna grejača čija temperatura se nezavisno kontroliše preko digitalnog kontrolora temperature (DTC). Peć sa DTC-om omogućava programiranje
brzina grejanja i hlađenja i održavanje konstantne temperature u ravnoj zoni peći u zadatim intervalima vremena. Dovoljno dugačka zona uniformne temperature
(≈25 cm) omogućava da se istovremeno termički obradi
veći broj uzoraka.
Uzorak koji se inkapsulira nalazi se u nosaču od nerđajućeg čelika i sve se nalazi u kvarcnoj cevi sa uvodnicima za termopar (kuglica termopara se nalazi iznad
uzorka koji se bonduje i na taj način se kontroliše
stvarna temperatura uzorka) i ulaz i izlaz inertnog gasa.
U prvoj fazi se uzorak sa nanetom pastom ubacuje u
već zagrejanu peć i podvrgava termičkom režimu u skladu sa prikazom na slici 3a. U ovom delu ciklusa sklopovi
koji se spajaju su razdvojeni − pasta je naneta i na senzorski čip i na vrh staklene cevčice sa kojim će se spojiti.
Na ovom prikazu, sa V su označene realne brzine zagrevanja ili hlađenja, onako kako se registruju na termoparu u sistemu. V1 je brzina zagrevanja od sobne temperature do temperature sagorevanja organskog veziva
iz paste i ona ne bi smela da bude veća od 5 °C·min−1.
Temperatura sagorevanja organskog veziva je 350 °C, a
vreme sagorevanja, označeno sa τOBO na slici 3a, jeste
30 min. U istom termičkom ciklusu, po okončanju sagorevanja, uzorak sa delimično otvrdlom pastom se greje
velikom brzinom, V2 u opsegu od 30 do 60 °C·min−1 do
temperature površinskog ostakljivanja paste. Vreme
površinskog ostakljivanja, τG, vrlo je kratko i iznosi 2−3
min. Posle ovoga se uzorak sa delimično očvrslom pastom, hladi umerenom brzinom, V3, reda veličine 3−4
°C·min−1 do sobne temperature.
Delovi sklopa sa delimično ostakljenom pastom koje
je potrebno zabondovati, posle termičkog ciklusa na
slici 3a, dovode se u kontakt primenom statičkog pritiska i ceo sistem se podvrgava procesu potpunog ostakljivanja staklene paste pri čemu se formira neraskidiva veza. Na ovaj način je formiran bond primenom
međusloja tzv. staklene frite, koja predstavlja u potpunosti ostakljenu staklenu pastu. Temperaturni režim
formiranja bonda je prikazan na šemi sa slici 3b. Relativno velikom brzinom grejanja, V4, uzorci koji se lepe i
koji su u kontaktu, se greju do temperature od 350 °C,
na kojoj bi trebalo da se u toku 3−4 min (τS) formira
spoj, odnosno da se odigra formiranje bonda (lepljenje)
sa staklenim međuslojem. Brzina hlađenja do sobne
temperature formiranog spoja, V5, mora da bude takva
da spreči pucanje bonda usled eventualne razlike koeficijenata termičkog širenja substrata i ostakljene staklene paste. U našem slučaju se pokazalo da brzina hlađenja ne sme da bude veća od 2,5 °C·min−1.
Bondovanje niskotopivom staklenom pastom može
da se izvodi i u atmosferi suvog vazduha, pri čemu su
Hem. ind. 65 (5) 497–505 (2011)
temperature termičke obrade niže, a vremena bondovanja kraća. Rad u vakuumu uopšte nije pogodan, jer su
tada formirani bondovi (ako se uopšte i obrazuju) vrlo
porozni.
Testiranje montiranih MEM piezorezistivnih senzora
pritiska
MEM piezorezistivni senzori relativnog pritiska su
po okončanoj montaži testirani, kako bi se utvrdio uticaj adheziva, odnosno načina pakovanja čipova na kvalitet piezorezistivnih senzora relativnog pritiska.
Za testiranje je korišćena sledeća oprema:
− “Heraeus Vötsch” klima komora za testiranje (radna temperatura od −80 do 180 °C),
− strujni izvor “Agilent” E3649A programabilan izvor
jednosmerne struje
− “Mensor”, series 600, automatizovani kalibrator
pritiska i
− digitalni multimetar “Agilent” 34410A/11A, 6 ½.
Za testiranje su korišćeni i senzori čiji je pun opseg
merenja niži od 0,05 bar, s obzirom da se na osetljivijim
senzorima najviše iskazuju greške koje su posledica uticaja temperature, odnosno u ovom slučaju uticaja temperature na koeficijente termičkog širenja materijala
montiranog senzora pritiska.
Merenja su vršena na tri temperature, kako se i inače vrši merenje senzora radi izračunavanja otpornika za
pasivnu kompenzaciju Vitstonovog mosta senzora [12].
Pasivnom kompenzacijom se postiže da se temperaturne promene offset-a i span-a linearno kompenzuju
do granice greške koja se zahteva za senzor pritiska.
Pod offset-om se podrazumeva električni izlaz na senzoru koji postoji u uslovima kada bi trebalo da bude
jednak nuli. S obzirom na to da je reč o senzorima relativnog pritiska, kada se sa obe strane senzora primeni
isti pritisak, izlaz idealnog senzora bi trebalo da bude
jednak nuli. To nije slučaj za realne senzore. Span je razlika izlaznih signala za maksimalni i minimalni pritisak
(ulazni signal) na punom opsegu rada senzora.
REZULTATI I DISKUSIJA
Na slici 4 dat je grafički prikaz eksperimentalno utvrđenih zavisnosti promene odstupanja izlaznog signala
na nultom pritisku (eng. offset) od primenjenog statičkog pritiska za osam čipova senzora relativnog pritiska
koji su zabondovani primenom paste stakla sa niskom
temperaturom topljenja (DM2700P/H848).
Iz podataka u tabeli 2 za čipove senzore pritiska čije
su merene karakteristike prikazane na slici 4 vidi se da
za sve senzore koji su montirani primenom paste stakla
sa niskom temperaturom topljenja, parametar Δ ima
približno istu vrednost od oko −4.0 mV. Δ je razlika
offset-a za pojedinačne senzore relativnog pritiska za
najviše i najniže primenjene statičke pritiske. Ova uniformna vrednost parametra Δ za sve senzore za koje su
501
V.B. JOVIĆ i sar.: MEM SILICIJUMSKI PIEZOREZISTIVNI SENZORI
Hem. ind. 65 (5) 497–505 (2011)
odstupanje nulte vrednosti, [mV]
0
-5
serial1
-10
serial 2
serial3
-15
serial4
-20
serial5
-25
serial6
-30
serial7
-35
serial8
-40
0
20
40
60
80
statički pritisak, [bar]
100
120
Slika 4. Zavisnost nulte vrednosti signala od primenjenog statičkog pritiska za čipove koji su montirani primenom paste stakla sa
niskom temperaturom topljenja. Merni opseg ispitivanih čipova je bio od 0 do 100 mbar.
Figure 4. Dependence of offset on applied static pressure for chips attached with LMT (Low Melting Temperature) glass paste.
Pressure range for measured chips were from 0 to 100 mbar.
Tabela 2. Zavisnost offset-a (u mV) od primenjenog statičkog pritiska za čipove senzora relativnog pritiska koji su montirani pastom
stakla sa niskom temperaturom topljenja. Prikazana je i izračunata vrednost parametra Δ određena kao razlika offset-a pri najvišem
i najnižem primenjenom statičkom pritisku za svaki individualni sensor
Table 2. Dependence of offset (in mV) on applied static pressure for chips attached to package with LMT glass paste. From the
difference between offsets at the highest and the smallest applied static pressures for each individual sensors, the Δ is calculated
Statički pritisak, bar
0
20
40
60
80
100
Δ / mV
1
−11,7
−12,4
−13,2
−14,2
−15,0
−15,8
−4,13
2
−13,7
−13,9
−14,3
−15,2
−16,6
−17,6
−3,9
3
−10,7
−11,6
−12,4
−13,2
−14,1
−14,7
−4,0
čipovi montirani na navedeni način, ukazuje na odsustvo unutrašnjeg naprezanja u čipovima koje bi bilo posledica načina bondovanja.
Na slici 5 prikazane su temperaturne zavisnosti offset-a, slika 5A, i span-a, slika 5B, za senzore relativnog
pritiska koji su namenjeni za rad u mernom opsegu od
0 do 250 mbar. Čipovi ovih senzora pritiska su montirani primenom paste od stakla sa niskom temperaturom topljenja. Pokazuje se da je u ispitivanom opsegu
temperatura (od −20 do 60 °C) ova zavisnost linearna.
U tabeli 3 prikazane su sumirane vrednosti otpornosti za pasivnu temperaturnu kompenzaciju izračunate iz eksperimentalnih rezultata na uobičajeni način za
datu šemu mosta [12,13] (označeni sa RkP, u kΩ, na
šemi Vitstonovog mosta, slika 1a) za senzore pritiska za
koje su MEM piezorezistivni čipovi senzora montirani
jednom od ispitivanih pasti.
502
Broj Serijala
4
5
−31,9
−18,1
−32,2
−18,4
−32,6
−19,4
−33,3
−20,4
−34,2
−21,4
−35,1
−22,4
−3,2
−4,32
6
−4,6
−4,8
−5,7
−6,8
−8,1
−9,2
−4,6
7
−6,1
−7,0
−6,8
−8,6
−9,4
−10,1
−4,0
8
−13,0
−13,2
−14,4
−15,4
−16,3
−17,1
−4,0
Izračunavanja kompenzacije i rezultati merenja, neosporno ukazuju na činjenicu da otpornici za kompenzaciju temperaturne promene offset-a, koji su vezani
paralelno sa odgovarajućom granom Vitstonovog mosta, za senzore montirane pastom stakla sa niskom temperaturom više su nego duplo veći u odnosu na otpornike potrebne za temperaturnu kompenzaciju senzora
montiranih epoksidom sa aluminijumskim punjenjem.
Ovaj rezultat govori da je kompenzacija offset-a senzora montiranih staklenom pastom znatno stabilnija.
Na osnovu merenja, za senzore montirane epoksidnom pastom sa puniocem, otpornik za kompenzaciju
temperaturne promene span-a je u svim slučajevima
imao negativne vrednosti, što znači da bi linearna temperaturna kompenzacija ovako montiranih senzora bila
nemoguća. U grupi senzora montiranih pastom sa niskotopivim staklom, svi rezultati, bez izuzetka, bili su u
V.B. JOVIĆ i sar.: MEM SILICIJUMSKI PIEZOREZISTIVNI SENZORI
Hem. ind. 65 (5) 497–505 (2011)
odstupanje nulte vrednosti, [mV]
140
120
100
80
serial1
serial 2
60
serial3
40
-20
0
20
40
60
temperature, [oC]
(A)
odstupanje izlaza na 250 mbar, [mV]
140
120
100
serial1
serial 2
80
serial3
60
40
-20
0
20
40
temperatura, [oC]
60
(B)
Slika 5. Temperaturna zavisnost promene odstupanja izlaznog signala na nultom pritisku (offset-a) (A) i izlaza pri punom mernom
opsegu (span-a) (B) za senzore relativnog pritiska za merni opseg (0−250 mbar). Čipovi senzora relativnog pritiska su montirani
primenom paste stakla sa niskom temperaturom topljenja.
Figure 5. Offset (A) and span (B) change with temperature for relative pressure sensors for measurement range (0−250 mbar). Chips
or relative pressure sensors were attached to package with LMT glass.
Tabela. 3. Vrednosti otpornosti Rkp, u kΩ, za temperaturnu kompenzaciju offset-a za senzore relativnog pritiska koji rade u navedenim mernim opsezima. Čipovi senzora pritiska su montirani različitim adhezivima
Table 3. Values of Rkp, in kΩ, resistors for offset temperature compensation for pressure sensors with different operating ranges.
Chips are attached to package with two different adhesives
Montaža sa pastom od stakla sa niskom temperaturom topljenja
0–250
5,22
7,19
28,45
–
–
0–100
7,15
5,17
6,34
5,70
6,71
Merni opseg pritiska, mbar
0–30
4,71
3,34
2,68
–
–
uobičajenim granicama, što daje mogućnost kompenzacije u standardnim granicama.
Navedeni rezultati pokazuju da je montiranje čipova
MEM piezorezistivnih senzora pritiska optimalno kada
Montaža sa epoksidnom pastom sa Al puniocem
0–30
–1,67
–1,67
–2,08
–10,01
–0.50
se izvodi primenom paste stakla sa niskom temperaturom topljenja. Ovaj način montaže senzora omogućava da se na reproduktibilan način kontrolišu faktori
koji utiču na promenu pokazivanja senzora sa prome-
503
V.B. JOVIĆ i sar.: MEM SILICIJUMSKI PIEZOREZISTIVNI SENZORI
nom temperature ambijenta u kojoj se merenje odvija.
Promena span-a, otpornosti otpornika u mostu i offset-a
senzora je pod kontrolom jer se može primeniti linearna (pasivna) temperaturna kompenzacija.
Osim navedenog, inkapsulacija ovog tipa senzora relativnog pritiska na Si pruža mogućnost proširenja opsega temperatura do 120 °C u kojima senzor radi pouzdano. Na višim temperaturama rad senzora ograničava
izolacija p-n spoja pa se senzor radi na SOI ( eng. silicium on insulating) substratima [14]. Staklena pasta je
rešenje i za tu vrstu MEM piezorezistivnih senzora pritiska.
ZAKLJUČAK
Ispitivan je uticaj vrste adheziva koji se koristi za
inkapsulaciju (pakovanje) Si mikro-elektro-mehaničkih
(MEM) piezorezistivnih senzora relativnog pritiska. Senzori su urađeni na substratima Si tehnikom zapreminskog mikromašinstva i namenjeni su za merenje niskih
pritisaka (<0,05 bara). Testirana su dva adheziva: pasta
stakla sa niskom temperaturom topljenja (DM 2700P/
/H484) i epoksidna pasta sa metalnim puniocem (Scotch
weld 2214 Hi-Temp).
Merenja su vršena na trima temperaturama u opsegu od –20 do 60 °C, kako se i inače vrši merenje
senzora radi izračunavanja otpornika za pasivnu kompenzaciju Vitstonovog mosta senzora. Pasivnom kompenzacijom se postiže da se temperaturne promene
offset-a i span-a linearno kompenzuju do granice greške koja se zahteva za senzor pritiska.
Nakon izračunavanja kompenzacije i rezultata merenja, neosporno je zaključeno da su otpornici za kompenzaciju temperaturne promene offset-a, koji su postavljeni paralelno sa odgovarajućom granom mosta, za
grupu senzora bondovanih pastom stakla sa niskom
temperaturom topljenja, više nego duplo veći u odnosu
na otpornike potrebne za temperaturnu kompenzaciju
senzora montiranih lepljenjem epoksidom sa aluminijumskim punjenjem. Ovaj rezultat ukazuje da je kompenzacija offset-a senzora montiranih staklenom pastom znatno stabilnija.
Na osnovu merenja, za senzore montirane epoksidnom pastom sa puniocem, otpornik za kompenzaciju
temperaturne promene span-a je u svim slučajevima
imao negativne vrednosti, što znači da bi linearna temperaturna kompenzacija ovako montiranih senzora bila
nemoguća. U grupi senzora montiranih pastom sa niskotopivim staklom, svi rezultati, bez izuzetka, bili su u
uobičajenim granicama, što daje mogućnost kompenzacije u standardnim granicama.
Rad sa pastom stakla sa niskom temperaturom topljenja minimizira naprezanja izazvana nesaglasnošću
temperaturnih koeficijenata širenja između senzora,
kućišta i adheziva za montažu. Ovaj adheziv svodi na
504
Hem. ind. 65 (5) 497–505 (2011)
najmanju meru i naprezanja koja se uvode dejstvom
spoljnje sile pritiska pri merenju.
Primena paste stakla sa niskom temperaturom topljenja za inkapsulaciju piezorezistivnih senzora pritiska
na Si substratima omogućava da se proširi temperaturna oblast njihovog rada do 120 °C. Ova mogućnost
proširenja temperaturnog intervala primene piezorezistivnih MEM senzora pritiska na monokristalnom Si
proističe direktno iz više temperaturne stabilnosti adheziva stakla sa niskom temperaturom topljenja s obzirom na to da je ova temperatura maksimalna radna
temperatura za ovakva izvođenja piezootpornika na Si.
Ova pasta se može koristiti i za inkapsulaciju piezorezistivnih senzora pritiska na SOI supstratima koji su predviđeni za rad na povišenim temperaturama (do 300
°C). Zamenom supstrate monokristalnog Si, SOI supstratima proširuje se opseg radnih temperatura piezorezistivnih senzora a da pri tome za montažu može da
se koristi ista vrsta adheziva.
Zahvalnica
Ovaj rad je urađen u okviru projekta tehnološkog
razvoja TR 32008 pod nazivom: “Mikro, nano-sistemi i
senzori za primenu u elektroprivredi, procesnoj industriji i zaštiti životne sredine”, koji finansira Ministarstvo prosvete i nauke Republike Srbije.
LITERATURA
[1]
[2]
[3]
[4]
[5]
[6]
[7]
[8]
[9]
L.-Y. Chen, J.-F. Lei, in: The MEMS Handbook: Packaging
of Harsh-Environment MEMS Devices, M. Gad-el-Hak
(Ed.), CRC Press, Boca Raton, FL, USA, 2002, pp. 862–884
Handbook of Semiconductor Interconnection Technology, 2nd ed., G.C. Schwartz, K. V. Srikrishnan (Eds.), CRC
Press Taylor & Francis Group, Boca Raton, FL, USA, 2006
S. Beeby, MEMS Mechanical Sensors, Artec House, Inc.,
Norwood, MA, USA, 2004
V. Lindroos, M. Tilli, A. Lehto, T. Motooka, Handbook of
Silicon Based MEMS Materials and Technologies, Elsevier Inc., William Andrew, USA, 2010
J. Matović, Z. Djurić, N. Simičić, A. Vujanić, Piezojunction
effect based pressure sensor, Eletron. Lett. 29 (1993)
565–566
J.A. Dziuban, Bonding in Microsystem Technology, Springer, The Netherlands, 2006
J. Singh, K. Nagachenchaiah, M.M. Nayak, MEMS Based
Pressure Sensors – Linearity and Sensitivity Issues, Senth
sors & Transducers Journal, 90 Special Issue, 2008,
221–232
Q. Wang, J. Ding, W. Wang, Fabrication and temperature coefficient compensation technology of low cost
high temperature pressure sensor, Sensor. Actuator. A
120 (2005) 468–473
K.H. Peng, C.M. Uang, Y.M. Chang, The temperature
compensation of the silicon piezo-resistive pressure
sensor using the half-bridge technique, Proc. SPIE, 5343
(2004) 292–301
V.B. JOVIĆ i sar.: MEM SILICIJUMSKI PIEZOREZISTIVNI SENZORI
[10] R. Knechtel, Single crystalline silicon based surface micromachining for high precision inertial sensors: technology and design for reliability, Microsyst. Technol. 16
(2010) 885–893
[11] R. Knechtel, M. Wiemer J. Frömel, Wafer level encapsulation of microsystems using glass frit bonding, Microsyst. Technol. 12 (2006) 468–472
Hem. ind. 65 (5) 497–505 (2011)
nd
[12] S. Soloman, Sensors Handbook, 2 ed., The McGrawHill, NY, 1999
[13] J.S. Wilson Sensor Technology Handbook, Elsevier Inc.,
USA, 2005
[14] A. Sanz-Velasco, A. Nafari, H. Rődjegård, M. Bring, K.
Hedsten, P. Enoksson, S. Bengtsson, Sensors and actuators based on SOI materials, Solid State Electron. 50
(2006) 865–876.
SUMMARY
ATTACHMENT OF MEM PIEZORESISTIVE SILICON PRESSURE SENSOR DIES USING DIFFERENT ADHESIVES
Vesna B. Jović, Milan J. Matić, Branko M. Vukelić, Marko S. Starčević, Milče M. Smiljanić, Jelena S. Lamovec,
Miloš D. Vorkapić
IChTM − Center of Microelectronic Technologies and Single Crystals, University of Belgrade, Belgrade, Serbia
(Professional paper)
This paper gives comparison and discussion of adhesives used for attachment
of silicon piezoresistive pressure sensor dies. Special attention is paid to low pressure sensor dies because of their extreme sensitivity on stresses, which can arise
from packaging procedure and applied materials. Commercially available adhesives „Scotch Weld 2214 Hi-Temp“ from “3M Co.” and „DM2700P/H848“ from
„DIEMAT“, USA, were compared. The first is an aluminum filled epoxy adhesive
and the second is a low melting temperature (LMT) glass paste. Comparing test
results for low pressure sensor chips we found that LMT glass (glass frit) is a better
adhesive for this application. Applying LMT glass paste minimizes internal stresses
caused by disagreement of coefficients of thermal expansions between the sensor
die and the housing material. Also, it minimizes stresses introduced during applying external loads in the process of pressure measuring. Regarding the measurements, for the sensors installed with filled epoxy paste, the resistor for compensation of temperature offset change had negative values in all cases, which means
that linear temperature compensation of sensors installed this way would be impossible. In the sensors installed with LMT glass paste, all results, without exception, were in their common limits (values), which gives the possibility of passive
temperature compensation. Furthermore, LMT glass attachment can broaden
temperature operating range of MEM silicon pressure sensors towards higher
values, up to 120 °C.
Keywords: Micro-electro-mechanical
(MEM) piezoresistive relative pressure
sensor ● Low temperature melting glass
paste ● Aluminium filled epoxy paste ●
Pressure sensor passive temperature compensation
505
PROC. 29th INTERNATIONAL CONFERENCE ON MICROELECTRONICS (MIEL 2014), BELGRADE, SERBIA, 12-15 MAY, 2014
Temperature Measurement Using Silicon
Piezoresistive MEMS Pressure Sensors
M. Frantlović, I. Jokić, Ž. Lazić, B. Vukelić, M. Obradov, D. Vasiljević-Radović
Abstract - In industrial processes, as well as in many other
fields from vehicles to healthcare, temperature and pressure are
the most common parameters to be measured and monitored.
Silicon microelectromechanical (MEMS) piezoresistive pressure
sensors are the first and the most successful MEMS sensors,
widely used in the industry in various measurement
configurations. The inherent temperature dependence of the
output signal of such sensors adversely affects their pressure
measurement performance. However, it can be utilized for
temperature measurement, thus enabling new sensor applications.
In this paper a method is presented for temperature measurement
using MEMS piezoresistive pressure sensors.
I. INTRODUCTION
Temperature sensors most commonly used for contact
temperature measurement in industrial processes are those
based on Seebeck effect (thermocouples) and those based
on the temperature dependent resistance of platinum
(Resistance Temperature Detectors – RTDs). The former
do not offer high accuracy (typically worse than ± 0.5 °C),
but have the widest temperature range, while the latter can
be of very high performance (better than ± 0.05 °C for
Standard Platinum Resistance Thermometers – SPRTs). In
industrial environments they are used either in the form of
passive temperature probes or as part of temperature
transmitters.
In typical industrial applications both temperature and
pressure measurements are required at various points of the
process. Contemporary intelligent pressure transmitters
owe their high performance to sensor correction techniques
based on digital signal processing. In this paper we
investigate the possibility of using silicon piezoresistive
MEMS pressure sensors for temperature measurement,
utilizing resources already available in intelligent pressure
transmitters.
The IHTM - Center of Microelectronic Technologies
has been performing research, development, and
fabrication of MEMS piezoresistive pressure sensors for
more than 25 years, based on the proprietary technology
and using micromachining techniques [1]-[8]. A range of
electronic instruments for pressure measurement has been
developed at the Center, mainly for applications in
industrial processes [9], [10].
M. Frantlović, I. Jokić, Ž. Lazić, B. Vukelić, M. Obradov and
D. Vasiljević-Radović are with the Center of Microelectronic
Technologies, Institute of Chemistry, Technology and Metallurgy,
University of Belgrade, Njegoševa 12, 11000 Belgrade, Serbia,
E-mail: [email protected]
978-1-4799-5294-6/14/$31.00 © 2014 IEEE
One of the successful silicon MEMS piezoresistive
pressure sensing elements made by IHTM is the SP-9,
intended for measurement of absolute or relative pressure
in the range from 0.5 bar to 50 bar. The base material for
its fabrication is a double sided polished single crystal
n-type silicon wafer of the specific resistivity from 3 cm
to 5 cm. Four p-type piezoresistors are formed by boron
diffusion on the surface of the sensor's diaphragm, forming
a Wheatstone bridge. Two piezoresistors are in the radial
direction and the remaining two in the transversal direction
near the edge of the diaphragm. The diaphragm is square,
2×2 mm2 in size, fabricated by anisotropic etching of
silicon on the bottom side of the wafer. The diaphragm
thickness is from 43 μm to 160 μm, depending on the
nominal pressure of the sensing element. Position of the
piezoresistors is optimized for each diaphragm thickness in
order to achieve the highest linearity of the output signal.
The overall size of the sensing element die is
3.2×3.2×0.38 mm3. After the fabrication of the die, it is
anodically bonded to a 1.7 mm thick glass support. A hole
in the glass support ensures that a fluid at the reference
pressure is present on the bottom side of the diaphragm,
which is required for relative pressure measurement. A
photograph of the sensing element mounted on a TO-5
housing is shown in Fig. 1.
Fig. 1. Photograph of the SP-9 sensing element mounted on a
TO-5 housing.
The sensing element packaged in a metallic body that
ensures optimal operating conditions constitutes a pressure
sensor. A photograph of an industrial pressure sensor based
on the SP-9 sensing element is shown in Fig. 2. A
separation membrane prevents a fluid whose pressure is
measured to get in a direct contact with the sensing
element. Instead, the sensing element is surrounded by
chemically inert silicone oil which is also a good dielectric.
Fig. 2. Photograph of an industrial pressure sensor based on the
SP-9 sensing element.
The mechanical construction of all the sensors is the same,
featuring a separation membrane and silicone oil filling.
The experimental setup used for the characterization of the
sensors is similar to the one described in our previous work
[10]. Acquisition of the signals from the pressure sensor is
performed using a custom designed signal acquisition unit
connected to a personal computer. The temperature is
controlled using a temperature chamber in the range from
-20 °C to 70 °C. For the measurement of the pressure
sensor temperature a Pt-100 sensor is used, which was
connected to the same acquisition unit. The personal
computer receives the data from the unit, displays the
indication and saves the data to a file. The resistance Rbr of
the sensor, seen at its excitation port, is calculated as the
ratio of the voltage Vbr and the excitation current I0.
A diagram showing experimentally obtained
dependences of Rbr on the temperature T is shown in Fig. 4.
The experimental results are used to obtain the calibration
functions for each of the sensors. A polynomial function of
the second order is chosen to fit the experimental data.
Parameters of the function are calculated by using the least
squares optimization method [11]. The curves representing
the resulting calibration functions are shown in Fig. 5.
A simplified electrical circuit of a piezoresistive
sensor with current excitation is shown in Fig. 3. For a
typical sensing element made by IHTM, the resistances R1,
R2, R3, and R4 are approximately equal in the absence of the
applied pressure. Their value is within the range from 2 kΩ
to 3 kΩ, and the temperature coefficient of the resistance is
in the range from 0.13 %/°C to 0.15 %/°C. In some sensing
elements an additional resistor intended for temperature
compensation exists outside of the diaphragm. However, it
has rarely been used, as other temperature compensation
techniques proved to be more convenient.
Fig. 4. Experimentally obtained dependence of the resistance Rbr
on the temperature T.
Fig. 3. Simplified electrical circuit diagram of the SP-9 sensor.
II. METHOD
In order to devise a temperature measurement
method that uses the sensor's Wheatstone bridge, three
gauge pressure sensors based on the SP-9 sensing element
are characterized in terms of their temperature response.
Fig. 5. Calibration functions of the sensors.
III. RESULTS
ACKNOWLEDGEMENT
The measurement accuracy achieved by using the
described method can be assessed by analyzing the diagram
given in Fig. 6. It shows the calculated absolute
measurement error of the tested sensors, ΔT, as a function
of the temperature T. All the tested sensors exhibit a
measurement error within ± 0.25 °C in the observed
temperature range (from -20 °C to 70 °C). Sensor behavior
in a wider temperature range and some more advanced
techniques that may yield better performance will be
investigated in the future.
This work was funded by the Serbian Ministry of
Education, Science and Technological Development,
within the project TR-32008.
Fig. 6. Measurement error ΔT as a function of the temperature T
(same symbols as in previous diagrams).
IV. CONCLUSION
In this paper we presented a method for temperature
measurement using MEMS piezoresistive pressure sensors.
Three such sensors made by IHTM were tested and
characterized for temperature measurement. The
measurement error, which was within ± 0.25 °C in the
observed temperature range, can be considered as a good
result, as many dedicated semiconductor-based temperature
sensors and a majority of thermocouples exhibit greater
measurement errors. However, there are some
disadvantages. The size, the shape and the thermal behavior
of a typical industrial pressure sensor is far from ideal for
temperature measurement. Furthermore, being a siliconbased semiconductor device, a pressure sensing element
has a very limited temperature range compared to some
dedicated temperature sensors, such as platinum resistance
thermometers, and especially thermocouples. In spite of
these limitations, many applications exist where the
described temperature measurement method can be useful.
Such applications include industrial processes with many
pressure sensors installed, where there is often a need for
an additional temperature measurement.
REFERENCES
[1]
Z. Djurić, J. Matović, M. Matić, N. Mišović (Simičić), R.
Petrović, M. A. Smiljanić, and Ž. Lazić, "Pressure Sensor
with Silicon Diaphragm", in Proc. XIV Yugoslav
Conference on Microelectronics MIEL, Beograd, 1986, pp.
88-100.
[2] J. Matović, Z. Djurić, N. Simičić, M. Matić, and R.
Petrović, "A Nonlinear Simulation of Pressure Sensors", in
Proc. 19th Yugoslav Conference on Microelectronics MIEL
'91, Beograd, 1991.
[3] D. Tanasković, N. Simičić, Z. Djurić, Ž. Lazić, R. Petrović,
J. Matović, M. Popović, and M. Matić, "Temperature
Characterics of Silicon Pressure Sensor: The Effect of
Impurity Profile Variation", in Proc. 2nd Serbian
Conference on Microelectronics and Optoelectronics
MIOPEL 93, 1993, pp. 297-302.
[4] Z. Đurić, "Rezultati istraživanja i razvoja Si senzora i
transmitera pritiska u IHTM – Centru za mikroelektronske
tehnologije i monokristale", in Proc. 20th International
Conference on Microelectronics MIEL, 1995.
[5] M. M. Smiljanić, Z. Djurić, Ž. Lazić, M. Popović, and K.
Radulović, "Piezootporni senzori pritiska na SOI pločicama
namenjeni funkcionisanju na visokim temperaturama", in
Proc. 49th Conference for Electronics, Telecommunications, Computers, Automation and Nuclear
Engineering ETRAN, Budva, 2005,vol. 4, pp. 185-188.
[6] M. M. Smiljanić, Ž. Lazić, Z. Djurić, and K. Radulović,
"Dizajn i modelovanje modifikovanog senzora niskih
pritisaka SP-6 IHTM-CMTM" (Nagrađeni rad mladog
autora), in Proc. 51st Conference for Electronics,
Telecommunications, Computers, Automation and Nuclear
Engineering ETRAN, Herceg Novi - Igalo, 2007, pp.
MO3.2-1-4.
[7] M. M. Smiljanić, Z. Djurić, Ž. Lazić, and B. Popović, "SOI
piezootporni senzor pritiska za opseg radnih temperatura od
600C do 3000C", in Proc. 52nd Conference for Electronics,
Telecommunications, Computers, Automation and Nuclear
Engineering ETRAN, Palić, 2008, pp. MO2.6-1-4.
[8] M. M. Smiljanić, V. Jović, and Ž. Lazić, "Maskless convex
corner compensation technique on a (1 0 0) silicon substrate
in a 25 wt% TMAH water solution", J. Micromech.
Microeng. 22 115011, 1-11, 2012, doi:10.1088/09601317/22/11/115011
[9] M. Frantlović, I. Jokić, and D. Nešić, "A Wireless System
for Liquid Level Measurement", in Proc. 8th International
Conference on Telecommunication in Modern Satellite,
Cable and Broadcasting Services TELSIKS, 2007, pp. 475-8
[10] M. Frantlović, V. Jovanov, and B. Miljković, "Intelligent
Industrial Transmitters of Pressure and Other Process
Parameters", Telfor Journal, 2009, Vol. 1, No. 2, pp. 65-8
[11] J. Wolberg, Data Analysis Using the Method of Least
Squares, Berlin, Heidelberg: Springer-Verlag, 2006
International Federation of Automatic Control
1st IFAC Workshop on
Advances in Control and
Automation Theory for
Transportation Applications
ACATTA 2013
İstanbul, Turkey — September 16-17, 2013
PROCEEDINGS
Edited by
Tankut Acarman
Galatasaray University, Turkey
IFAC Proceedings Volumes (IFAC Papers-OnLine) — ISSN 1474-6670
Copyright © 2013 IFAC
All rights reserved. No parts of this publication may be reproduced, stored in a retrieval
system or transmitted in any form or by any means: electronics, electrostatics, magnetic
tape, mechanical, photocopying, recording or otherwise, without permission in writing form
the copyright holders.
IFAC Proceedings Volumes (IFAC-PapersOnline) — ISSN 1474-6670
Published by:
International Federation of Automatic Control (IFAC)
Available online at
http://ifac-papersonline.net
Publication date
October 2013
ISBN 978-3-902823-51-9
Copyright conditions
The material submitted for presentation at an IFAC meeting (Congress, Symposium,
Conference, Workshop) must be original, not published or being considered elsewhere. All
papers accepted for presentation will appear in the Preprints of the meeting and will be
distributed to the participants. Proceedings of the IFAC Congress, Symposia, Conferences
and Workshops will be hosted on-line on the IFAC-PapersOnLine.net website. The
presented papers will be further screened for possible publication in the IFAC Journals
(Automatica, Control Engineering Practice, Annual Reviews in Control, Journal of Process
Control , Engineering Applications of Artificial Intelligence, and Mechatronics), or in IFAC
affiliated journals. All papers presented will be recorded as an IFAC Publication.
Copyright of material presented at an IFAC meeting is held by IFAC. Authors will be
required to transfer copyrights electronically. The IFAC Journals and, after these, IFAC
affiliated journals have priority access to all contributions presented. However, if the author
is not contacted by an editor of these journals, within three months after the meeting,
he/she is free to submit an expanded version of the presented material for journal
publication elsewhere. In this case, the paper must carry a reference to the IFAC meeting
where it was originally presented and, if the paper has appeared on the website
www.IFAC-PapersOnLine.net, also a reference to this publication.
Preprints of the 1st IFAC Workshop on Advances in Control and
Automation Theory for Transportation Applications
September 16-17, 2013. Istanbul, Turkey
Microcontroller Based Implementation of an Integrated Navigation System
for Ground Vehicles
Branko M. Vukelic*, Rade Stancic**, Stevica G. Graovac***
*Institute of Chemistry, Technology and Metallurgy – Department of Microelectronic Technologies and Single Crystals,
Njegoseva 12, 11000 Belgrade
Serbia (Tel: +381-11-2630-757; e-mail: [email protected]).
** Serbia and Montenegro Air Traffic Services SMATSA,
Serbia (e-mail: [email protected]}
***University of Belgrade, Faculty of Electrical Engineering, Bulevar Kralja Aleksandra 73, 11000 Belgrade,
Serbia (e-mail:[email protected])
Abstract: Integration of low-cost inertial sensors with global position system is commonly used approach
to increase the reliability and accuracy of navigation. Such systems are widely used in vehicle navigation
and tracking systems. Integration of inertial navigation system and global positioning system (INS/GPS) is
followed by the implementation of the Extended Kalman filter (EKF) for the purpose of optimal error
estimation. The essence of integration lies in the fact that errors of each system are mutually uncorrelated.
GPS data are the main source of information. In cases when GPS data are not available, INS data together
with the EKF estimation are used. The main INS disadvantage is that it provides precise data only in short
period of time. The EKF algorithm is implemented on the "mbed" microcontroller module and for
purposes of communication with microcontroller, the user application is written. Original data have been
collected during the real drive, while the intervals of GPS absence are simulated. The results obtained by
simulation and practical implementation are presented in this paper.

described and explained in Section 4. Section 5 describes the
communication between the microcontroller module and user
application. The results that are obtained on the base of
simulation and practical implementation on the
microcontroller module are discussed in section 6.
1. INTRODUCTION
For the purposes of improved navigation and/or remote
tracking of ground vehicles, the integration of inertial
navigation and global positioning systems (INS/GPS) is
being used. The essence of this approach lies in the fact that
the errors of each system are mutually uncorrelated. Global
positioning system provides more precise information about
the position and linear velocity of the object, as opposed to
the inertial navigation system with sensors of relatively low
quality (based on MEMS technology). The output of INS
should be periodically corrected using the output of GPS.
Data frequency from inertial navigation system is larger than
the frequency of obtaining the data from global positioning
system and thus the gap between two adjacent data from the
GPS is filled. The main advantage of this approach is visible
during the absence of GPS signals when the corrected outputs
of INS are used. In order to estimate vehicle's position and
linear velocity errors, algorithm of Extended Kalman filter
(EKF) is used.
2. INS/GPS INTEGRATION SCHEME
The diagram shown on Fig.1 illustrates the standard INS/GPS
integration scheme that is used here. At a time when GPS
data is available, the correction of INS is performed and
information about the position and linear velocity of the
object are forwarded directly to the output of the system.
When the GPS data are not available, the system output is
obtained by correction, as a difference between: position and
linear velocity of INS and estimated position and linear
velocity errors, obtained by Kalman filtration. Input data for
Kalman filter are obtained as position and linear velocity
measurement difference between INS and GPS, and in those
moments when GPS measurements are available.
Correction
of INS
The integration scheme of INS/GPS is explained in section 2.
Section 3 describes the mathematical model of INS error,
both in continuous and discrete domain. EKF algorithm is
Copyright © 2013 IFAC
VINS,XINS
δV,δX
+
INS
Extended Kalman
Filter
-
This work is based on general principles of strap-down INS
design given in Titterton (2004) and Salychev (2004), basic
concepts of integration of INS and GPS given in Farrell
(1999), and Wagner (2003), and specific aspects of applying
of low cost inertial sensors discussed in Cannon (2001), Hide
(2003), and Stancic (2009, 2010).
+
-
VC,XC
GPS
VGPS,XGPS
Fig. 1. INS/GPS Integration scheme
139
δVKF,δXKF
OUTPUT
INS/GPS
V,X
IFAC ACATTA 2013
September 16-17, 2013. Istanbul, Turkey
Kalman filter performs the error estimation of position and
linear velocity during all time. GPS data are obtained
periodically on every TGPS seconds, while the data from INS
are obtained periodically on every TINS seconds, where
TGPS=50·TINS.
For the purpose of computer simulation and microcontroller
implementation, it is necessary to perform discretization of
INS error model. Discretization is described with following
difference equations, where index k denotes available data at
present and index k-1 denotes data from previous moment.
Vectors in Figure 1 are defined in the following way:
 k   k 1  TGPS
V
INS
 [V
INS
N
INS
E
,V
- INS linear velocity vector
]
X INS  [ NINS , INS
E ]
- INS position vector
V GPS  [VNGPS ,VEGPS ]
- GPS linear velocity vector
X GPS  [ NGPS , GPS
]
E
- GPS position vector
V  V INS  V GPS
- Vector of linear velocity errors
X  X INS  X GPS
- Position errors vector
 k   k 1  TGPS [(2 )
VN  VN
k
(2 ) 2VE k cos(k )
X KF
- Vector of estimated position errors
RM k  hk
VC
- Corrected vector of INS linear velocity
2(2 )
VDk
VE  VE
- Output vector of INS/GPS linear velocity
k
- Output vector of INS/GPS position
In
VN  VE cos( )[2E   sec(2 )] 
VD
VN  2(E   ) sin( )VE
RM  h
VE  2E (VN cos( )  VD sin( )) 
VN sec( )  2(E   ) sin( )VN 
(6)
k  k 1
TINS
sec(2k ) k 1 
(7)
 2( 2 ) E sin(k )VE k 1 
sin(k )VE k 1 ]
 TGPS [(2 )(2 EVN k cos( k ) 
k  k 1
VN k sec( k )) k 1 
TINS
k  k 1
TINS
(8)
) sin(k )VN k 1 
equations (6), (7), (8), variables
 k , k ,VN k ,VEk are not directly available based on
difference
measurements from Table 1 so they should be calculated
using the appropriate approximation. Approximations that are
describing variables from difference equations are the
following:
(1)
1
VE
( RP  h) cos( )
tan(k ) k 1 
1
(VDk  VN k tan( k ))VE k ]
RPk  hk
INS error is described by state space model of a forth order
system. Fourth order error model is described with following
equations:
   tan( ) 
k 1
TINS
2( 2 )( E 
3.1 INS error model in continuous domain
1
VN
RM  h
k 1
2VDk sin( k ) 
3. MATHEMATICAL MODEL
 
VN
k  k 1
- Corrected vector of INS position
V
X
TINS
 TGPS [(2 ) 2VE k cos(k )2 E k 1 
k 1
- Vector of estimated linear velocity errors
X
k  k 1
(5)
1
1
VE k 1 ]
2 ( RPk  hk ) cos(k )
VKF
C
1
1
VN k 1
2 RM k  hk
(2)
k  k 1  tan 1 (
(3)
k  k 1  tan 1 (
VN k 
(4)
VE k 
1
(VD  VN tan( ))VE
RP  h
yINS k  yINS k 1
RE
xINS k  xINS k 1
RE
)
)
(9)
yINS k  yINS k 1
TINS
xINS k  xINS k 1
TINS
where RE is radius of the earth, TGPS is period of GPS data
and TINS is period of INS data, xINS k and y INS k are
where:
δVN, δVE are linear velocity errors; VN, VE, VD are linear
velocity; δφ, δλ are position errors; φ, λ, h are position
coordinate (longitude, latitude, height); ωE is angular velocity
of the Earth’s rotation; RM, RP are radii of curvature along
meridian and parallel;
coordinates of INS position at present moment, while xINS k 1
and
yINS k 1 are coordinates of INS position from previous
moment.
3.2 INS error model in discrete domain
140
IFAC ACATTA 2013
September 16-17, 2013. Istanbul, Turkey
where  KF ,  KF , VN , VE
k
k
KF
KF
4. EXTENDED KALMAN FILTER
k
INS error model in the continuous domain is described by
equations (1-4) and can be presented in a standard form as:
x  A  x  w
position and linear velocity at the output of EKF filter.
During the time interval between two GPS signals, the EKF
output is obtained based on the last estimated state prediction,
that is, a priori estimation. In case of GPS signal loss, the
data from INS is declared as the GPS data, so the following
applies (18).
(10)
Where x, A, w, are respectively: the state vector, matrix of
state, and a white noise vector with zero mean. State vector is
defined by the equation (11) as:
x  [

VN VE ]
5. IMPLEMENTATION
Algorithm of the extended Kalman filter is implemented on
the NXP "mbed" development platform based on the NXP
LPC1768 ARM Cortex-M3 core. Clock frequency of this
microcontroller is 96 MHz. It disposes with 512 KB of flash
memory and 64 KB of RAM memory, and also has a large
number of embedded peripherals. Graphical representation of
available peripherals of “mbed” development board is shown
on Fig. 2.
(11)
while the elements of the matrix A are obtained by
differentiating equation (1), (2), (3), (4), relative to the
variables δφ, δλ, δVN,, δVE. A similar analogy applies to the
INS error model in discrete domain. Transition matrix F is
calculated from equation (12) as:
(12)
Fk  I  ATGPS
are estimated errors of
k
Measurement model is defined by the equation (13):
(13)
zk  H k  xk  vk
where zk, Hk, wk are respectively: measurement vector,
measurement matrix and white noise vector with zero mean.
Measurement vector is defined as:
zk  [ k
 k
VN
k
VE ]
k
(14)
elements of measurement vector are calculated as:
Fig. 2. Photo of “mbed” module with embedded peripherals.
GPS
 k  kINS
1   k
 k  

INS
k 1
GPS
k
(15)
VN  VNINS  VNGPS
k 1
k
VE  V
INS
E k 1
k
Data required for the work of EKF were collected based on
the real drive and they are written in the "DRIVE.mat" file.
The file contains Cartesian coordinates, obtained from the
inertial navigational and global positioning system. The
collected data are shown in Table 1 in form of:
k
V
GPS
Ek
Table 1. Form of collected data obtained based on the real
drive.
Algorithm of the Extended Kalman filter is described with
following equations:
xINSk
xk  Fk 1 xk1
K k  Pk 1  H T ( H k Pk 1H kT  R) 1

k
Pk  Fk ( I  K k H k ) Pk 1  FkT  Q
For every TINS seconds, application reads from the file
“DRIVE.mat” a set of data and sends them to the
microcontroller. Read data is of the type double and is
presented in Table 1. Microcontroller receives data in UART
interrupt routine, and based on the message format,
determines whether it is initial or raw data for EKF. In the
main “while” loop, data from interrupt routine are assigned to
appropriate variables that form double type data. While loop
is organized so every time within her is examined whether
the received information is data from the GPS or from INS. If
the data is from the GPS, a posteriori error estimation is
performed, and if data is from the INS, predicted error
estimation is performed. After calculating error of estimation,
data correction is performed in the way described by equation
(17), only in case the data from GPS are not available, in case
for the Kalman gain matrix, while PK, R, Q, are respectively,
covariance matrix of: the estimated state errors, process noise
and measurement noise. INS correction based on estimated
errors of position and linear velocity are given by following
equations:
 kc   kINS
1   KF
k
 
c
Nk
c
Ek
V
V
  KFk
INC
N k 1
V
 VN KF
INC
E k 1
V
 VE KF
yGPS k
while xGPS k , yGPS k are position coordinates from GPS.
xk is a priori, xk is a posteriori estimate, KK stands
INS
k 1
xGPS k
where:
xINSk , y INSk are coordinates of INS position, hk is altitude,
x  Fk  x  K k ( zk  H k  xk 1 )
c
k
hk
(16)

k
where
y INSk
(17)
k
k
141
IFAC ACATTA 2013
September 16-17, 2013. Istanbul, Turkey
the data from GPS are available no correction is performed.
Calculated values are transmitted to user application. The
application accepts these calculated values and writes them
into a file “RECEIVE.mat”. Flowchart of software
organization on “mbed” module is shown on Fig. 3.
The message consists of three fields. The meaning of the first
field is to announce to the microcontroller whether it is the
initial or raw data for EKF. Value “0xFF” means that this is a
initial data, while the value “0xEE” means data intended for
EKF. The "CODE" field is the length of one byte. The second
field is two bytes in length and has information about the
length of the data that participate in the communication. The
third field is the data field. The length of this field is
determined by “DATA LENGHT” field.
6. RESULTS OF SIMULATION AND EXPERIMENT
In this section we consider cases of approximation, due to
loss of the signal from the GPS. Four characteristic cases are
taken into consideration. The first refers to the situation when
the INS signal is directly used instead of the GPS signal:
xGPS k  xINS k
(18)
yGPS k  yINS k
Second case is when we use the last GPS value as a current
value:
xGPS k  xGPS k 1
(19)
yGPS k  yGPS k 1
The third case refers to the situation when previous a
posteriori error estimation is restored on EKF input, that is:
Fig. 3. Flowchart of software organization on “mbed”
module.

 k   KF
k 1
(20)
 k   KF
k 1
User application that communicates with microcontroller, via
“USB Virtual Serial Port”, is made for the purposes of
communication. Serial communication speed is set to 115200
bits per second, data length is set to be 8 bits, parity is set to
none, and stop bits are set to 1. Fig. 4 shows the application
user interface design.
VN  V
k

N KFk 1
VE  VE
k
KFk 1
The last case refers to the situation when previous a priori
error estimation is restored on EKF input, that is:

 k   KF
k 1
 k  

KFk 1
(21)
VN  V
k

N KFk 1
VE  VE
k
KFk 1
Graphs 1 and 2 shows the change of linear velocity with time
in the north and east direction. Data from the INS are marked
with red colour, while the blue colour is for data from the
GPS. On both graphs can be noted the points of discontinuity,
and they are the results of approximate method of calculating
linear velocity (9).
Fig. 4. User application appearance.
In communication between the microcontroller and user
applications on the personal computer, it was necessary to
develop an appropriate message format. Table 2 presents
message format in user application-microcontroller
communication.
80
Linear "north" velocity (m/s)
GPS - OFF
Table 2. Message format in user application–microcontroller
communication.
GPS - ON
60
40
20
0
-20
-40
CODE
DATA LENGTH
DATA
0
500
1000
1500
Time (s)
Graph 1. Linear velocity change in the north direction.
142
IFAC ACATTA 2013
September 16-17, 2013. Istanbul, Turkey
Graphs 5 shows latitude time dependence. Enlargement of
part of the segment from graph 5 is shown on graph 6.
80
GPS - ON
40
0.782
GPS - OFF
20
0
GPSk = GPSk-1
0.782
GPSk = INSk-1+estimation (+)
-20
-40
-60
-80
0
500
1000
1500
Time (s)
GPSk = INSk-1+estimation (-)
0.782
0.782
0.782
0.7819
Graph 2. Linear velocity change in the east direction.
0.7819
The Graph 3 shows the dependence of latitude with time, in
case when linear velocity errors in north and east direction
are considered into measurement matrix HK. It can be noted,
on the graph, that there is a divergence because linear
velocity measurement is not directly measurable, and the
values that are used to measure linear velocity error, in the
north and east direction, have a zero values.
0.7819
0
500
1000
1500
Time (s)
Graph 5. Latitude time dependence.
0.782
0.782
Latitude (rad)
0.84
GPS - OFF
GPS - ON
GPSk = INSk
0.82
Latitude (rad)
GPS - ON
GPSk = INSk
0.782
Latitude (rad)
Linear "east" velocity (m/s)
GPS - OFF
60
0.8
0.782
0.782
0.78
0.782
0.76
0.74
660
680
700
720
740
760
780
Time (s)
0.72
0
500
1000
1500
Graph 6. Enlarged segment of latitude change with time.
Time (s)
To decide which of these cases we should choose for
microcontroller implementation, observe for example the
relative error change of latitude, over the time. The relative
error is described with following equations:
Graph 3. Divergence as a result of indirect linear velocity
measurement.
The Graph 4 shows the trajectory of the vehicle, which was
obtained on the basis of real drive. Also, there are four
characteristic situations, displayed on the graph, in cases
when GPS signal loss occurs. The colour red is for data that
are from the INS. Green, magenta, black, and cyan are used
to show the situation described with equations (18),
(19),(20),(21). Data from the GPS are marked with colour
blue. A posteriori error estimation is marked with
estimation(+), while a priori error estimation is marked with
estimation(-), on the graph.
error 
relative
INS k  INS kC
INS k
(22)
where INSK are data obtain from INS, while
INS kC are
corrected data.
Graph 7 shows the relative error of latitude.
-5
1.4
x 10
0.782
GPSk = INSk
0.782
0.782
GPSk = INSk-1+estimation (+)
GPSk = GPSk-1
GPSk = INSk-1+estimation (-)
GPS - ON
0.782
0.782
0.782
0.7819
GPSk = INSk-1+estimation (+)
GPSk = INSk-1+estimation (-)
1
0.8
0.6
0.4
0.2
0.7819
0.7819
0.3579 0.3579 0.358
GPSk = GPSk-1
1.2
GPSk = INSk
Relative error of latitude
Latitude (rad)
GPS - OFF
0.358
0.358
0.358
0.358
0.358
0.358
0
0.358
Longitude (rad)
0
500
1000
1500
Time (s)
Graph 4. Latitude vs. longitude dependence.
Graph 7. The relative error change of latitude, over the time.
143
IFAC ACATTA 2013
September 16-17, 2013. Istanbul, Turkey
It may be noted, that, relative error is highest when the
previous value of GPS, is used, as a current (19). This is the
worst case and we eliminated it from consideration.
By enlarging part of the segment for the relative error of
latitude, on Graph 8, it can be noted that in segments with the
regular GPS signal, approximations described by equations
(18), (20), (21), are showing almost the same relative error,
while in those segments, with no GPS signal, the lowest
relative error is for the approximation described by equation
(18).
-6
1.4
GPSk = INSk
Relative error of latitude
Relative error of latitude
0.6
0.4
GPSk = INSk-1+estimation
The usage of a Kalman filter as an optimal estimator of the
inertial navigation system errors is considered in the context
of integrated ground vehicle navigation. This system is
mainly anticipated for the purposes of remote tracking,
basically for the intervals of GPS signal loss. The
implementation of an algorithm on a microcontroller required
the carefully chosen programming techniques in order to
provide the usage in real time as well as the proper choice of
the signal that should be used instead of missing GPS signal
(non-existing measurements), in intervals of prediction. It
was shown through simulation that among four possible cases
it is the best choice to use the outputs of INS for this purpose
(better than to use the last existing GPS signal or some
corrected INS output) . It was verified using the real INS and
GPS data from actual drive, simulating the loss of GPS. The
results obtained after the implementation on NXP LPC1768
ARM Cortex-M3, have been practically the same as in the
case of system simulation.
1
0.5
0
440
460
480
500
520
Time (s)
Graph 8. Enlarged segment of the change of latitude relative
error.
For that reason, for microcontroller implementation we are
choosing the first case described with equation (18).
On Graph 9 we can see vehicle trajectory obtained by
simulation and practical implementation on microcontroller.
0.782
REFERENCES
Cannon, M. E., Nayak, R., Lachapelle, G., Salychev, O. S.,
Voronov, V. V. (2001): Low-Cost INS/GPS Integration:
Concepts and Testing. Journal of Navigation, Vol. 54,
pp 119-134.
Farrell, J., Barth, A. M. (1999): The Global Positioning
System & Inertial Navigation. New York, McGraw-Hill.
Hide, C., Moore, T., Smith, M. (2003): Adaptive Kalman
Filtering for Low-Cost INS/GPS. Journal of Navigation,
Vol. 56, 143-152.
Salychev, O. S. (2004): Applied Inertial Navigation Problems
and Solutions. Moscow, The Bauman Moscow State
Technical University.
Stančić, R. Graovac S. (2009): One Approach to the
Integration of Low Cost Strap-Down Inertial Navigation
System and GPS, 6TH IFAC INTL. CONFERENCE WS
DECOM-TT, Ohrid, Macedonia
GPS - OFF
GPSk = INSk
0.782
microcontroler - double
GPS - ON
0.782
0.782
0.782
0.782
0.7819
0.7819
0.7819
0.3579 0.3579 0.358
0.358
0.358
0.358
0.358
1500
CONCLUSION
1.5
420
1000
(-)
2
400
500
Graph 10. The relative error change of latitude, over the time.
GPSk = INSk-1+estimation (+)
380
0
Time (s)
GPSk = GPSk-1
Latitude (rad)
0.8
0
GPSk = INSk
360
1
0.2
x 10
2.5
microcontroler - double
1.2
-7
3
x 10
0.358
0.358
0.358
Longitude (rad)
Graph 9. The dependence of latitude vs. longitude.
Stančić R., Graovac, S. (2010): The Integration of Strap-Down INS
and GPS Based on Adaptive Error Damping”, Robotics and
Autonomous Systems, Volume 58, Issue 10, p. 1117-1129.
Titterton, D. H., Weston, J. L. (2004): Strapdown inertial navigation
technology. AIAA, Volume 207.
Wagner, J. F., Wieneke, T. (2003): Integrating satellite and inertial
navigation – conventional and new fusion approaches, Control
Engineering Practice,
Vol. 11, 543-550.
www.mbed.org
On Graph 10, one can note that relative error is obtained by
simulation and practical implementation of 10-6 order.
Practically, this means that simulation results and these
obtained on microcontroller implementation are almost the
same.
144
IMPLEMENTATION OF IEEE 1451.4 TRANSDUCER ELECTRONIC
DATASHEET USING AN “MBED” MICROCONTROLLER MODULE
BRANKO VUKELIĆ
Institute of Chemistry, Technology and Metallurgy – Center of Microelectronic Technology, University of Belgrade,
[email protected]
MILOŠ FRANTLOVIĆ
Institute of Chemistry, Technology and Metallurgy – Center of Microelectronic Technology, University of Belgrade,
[email protected]
Abstract: In this paper we describe an implementation of IEEE 1451.4 Transducer Electronic Data Sheet using an
“mbed” microcontroller module. A program for the microcontroller is written, enabling communication with external
EEPROM memory containing Transducer Electronic Data Sheet (TEDS). A user application is created for the
communication with the “mbed” microcontroller module via the USB virtual serial port. It enables user-friendly
management of TEDS contents. This work is performed in order to facilitate manufacturing and maintenance of
intelligent pressure transmitters made by IHTM and based on proprietary Si piezoresistive MEMS pressure sensors.
Keywords: Smart Transducer; Transducer Electronic Data Sheet (TEDS); Mixed-Mode Interface (MMI);
Microcontroller.
The Center of Microelectronic Technologies (CMT) of
the Institute of Chemistry, Technology and Metallurgy
(ICTM) conducts research, development and production
of piezoresistive MEMS pressure sensors. In this paper
we implemented a Transducer Electronic Data Sheet
(TEDS) for piezoresistive pressure sensors according to
the IEEE 1451.4 standard, using the „mbed“
microcontroller module.
1. INTRODUCTION
The transducers (sensors and actuators) market is very
diverse. The demand for transducers constantly increases
following the technological development of all industrial
fields such as pharmaceutical, aerospace, automotive,
chemical and food industry. Transducers have also
become ubiquitous in common commercial products from
vehicles to household appliances and mobile phones, so
the need has arisen for small and affordable, easy to use
and maintain transducers which can be economically
mass produced.
2. THE IEEE 1451.4 STANDARD
The IEEE 1451.4 standard allows analog transducers to
share digital information using an appropriate protocol
and interface, for the purpose of self-identification and
configuration. The standard defines the Transducer
Electronic Data Sheet (TEDS) and the Mixed-Mode
Interface (MMI) [1].
Although analog transducers are still predominant, many
advantages of digital interfaces and digital signal
processing have led to their increasing use in the fields of
transducers and measurement systems. Various mutually
incompatible digital industrial interfaces were developed
during the last 3 decades and are still in use today. Hence
the users are often compelled to use the measurement
equipment produced by a single manufacturer, in order to
avoid problems with incompatibilities. Due to the lack of
relevant standards, some manufactures introduced
proprietary solutions that have seen limited acceptance in
the industry. The need for standardized transducer
interface and a unique set of standardized protocols
became obvious during the 1990s. As a response, the
IEEE 1451 family of standards appeared in 1997,
introducing the smart transducer concept and offering a
number of standardized interfaces aiming to enable
transducer interoperability.
The Transducer Electronic Data Sheet (TEDS) contains
all relevant information necessary to describe an analog
transducer and to enable plug-and-play operation. TEDS
is usually stored in an EEPROM or in a flash memory.
The IEEE 1451.4 standard suggests an external 256-bit 1Wire EEPROM memory (DS2430A) to be used for TEDS
implementation. TEDS consists of one mandatory part
and one or more optional parts. The mandatory part is
known as Basic TEDS, and contains a minimum set of
information necessary for transducer description. A Basic
TEDS is usually followed by a Standard Template TEDS
defined by the IEEE 1451.4 standard. Although the latter
is optional, it is expected in a majority of cases. It
503
Picture 3: Class 2 MMI with separate connections
contains one or more templates, either chosen from the set
of Standard Templates (template IDs from 25 to 39) or
defined specifically for the given transducer in order to
describe its properties in the best way. Optionally a
Calibration TEDS can be used in conjunction with one of
the templates. Calibration templates specify the inputversus-output curve as well as frequency response for the
sensor. The rest of memory is available for user data
(free-form TEDS).
3. SMART TRANSDUCER CONCEPT
An intelligent or smart transducer is the integration of an
analog or digital sensor or actuator element, a processing
unit, and a communication interface [2]. In order to be
able to say that a transducer is “smart”, it must have at
least one of the following functions: self-identification,
self-description, self-calibration, data processing, data
fusion etc.
The Mixed-Mode Interface (MMI) enables both digital
and analog signal transfer between a Network Capable
Application Processor (NCAP) or measurement/control
device, on one side, and a transducer on the other side.
The context for a Mixed-Mode Transducer and the
Interface is shown in Picture 1.
Picture 4a) shows a smart transducer model. The smart
transducer transforms the raw sensor signal to a
standardized digital representation and transmits the
corresponding digital signal to its users via a standardized
communication protocol [3].
Picture 1: Context for the IEEE 1451.4 Transducer and
Interface
There are two classes of the Mixed-Mode Interface. The
Class 1 MMI multiplexes the same electrical connections
in order to transfer either transducer signals or digital
TEDS data. The Class 1 MMI is shown in Picture 2.
Picture 4: a) Smart transducer model, b) Smart
transducer architecture
Picture 4b) shows the smart transducer architecture. We
can see that the Transducer Electronic Data Sheet (TEDS)
has been added and that the system is divided in three
main parts. The first part is the Network Capable
Application Processor (NCAP), the second part is the
Transducer Independent Interface (TII) and the third part
is the Transducer Interface Module (TIM).
The NCAP is responsible for data processing and network
communication. The TII defines the communication
medium and is responsible for communication between
the NCAP and the TIM. The TIM is responsible for
conditioning and conversion of the signals from (or to)
transducers. The Network Interface (NI) defines a
network communication protocol for communication
between the NCAP and the network.
Picture 2: Class 1 MMI with shared connections
Class 2 MMI uses separate connections to transfer
transducer signals and digital TEDS data. A Class 2 MMI
with separate connections is shown in Picture 3.
4. IMPLEMENTATION
The algorithm for accessing and parsing the TEDS
contents is implemented on the NXP “mbed”
development platform based on the NXP LPC1768 ARM
Cortex-M3 core [5, 6]. This microcontroller has various
peripherals such as: USB, 2xSPI, 2xI2C, 2xSerial, CAN
etc. It has 512KB of flash and 64 KB of RAM built-in
memory. The clock frequency is set to 96MHz.
504
Using the LabWindows/CVI enviroment, a user
application was created for the personal computer in order
to enable communication with the microcontroller. The
communication uses an USB virtual serial port. The user
application allows the management of the TEDS contents
stored in the external 1-Wire EEPROM memory
(DS2431). It allows editing of TEDS data, reading and
erasing of memory contents, analyzing the contents of
memory in terms of the protection that was used,
determining the total number of attached memories etc.
Picture 6 shows a part of the user application that is
intended for analyzing the memory contents.
Additionally, it is also possible to load an external *.bin
file in the memory, and to save the memory contents to a
*.bin file).
The TEDS implementation uses a 1024-bit 1-Wire
EEPROM memory (DS2431). Although not mentioned in
the standard, this memory IC was chosen for the
implementation because of the greater capacity compared
to the DS2430 used in the standard. Picture 5 shows a
photograph of the „mbed“ development board with a
DS2431 chip connected to it. Both are mounted on a
prototyping board.
For the purpose of communication between the
microcontroller and the user application, an appropriate
message format was devised. Picture 7 shows the message
format used in the communication between the
microcontroller and the user application.
Picture 5: Photograph of “mbed” development board and
DS2431 chip.
Picture 6: One part of the user application, intended for analyzing the contents of the memory.
Picture 7: Message format used in communication between the microcontroller and the user application.
505
Message validation is performed at both the transmitter
and the receiver side. If the message isn’t in the
appropriate format that message is discarded. A message
consists of six fields, and each field carries specific
information.
means for management of pressure sensors during their
production and maintenance. In our future work the same
approach will be considered for some other types of
sensors.
The START field indicates the beginning of the message
and it has a fixed value (0xAA). The COMMAND field
specifies a command that microcontroller has to perform.
The OPTIONAL field is used if needed (e.g. for a
possible message format expansion). The DATA
LENGTH field is two bytes long and it defines the total
number of bytes sent in the DATA field. The DATA field
is reserved for data. Its length depends on the amount of
sent and received data. The last field is the END field that
indicates the end of the message.
REFERENCES
[1] Institute of Electrical and Electronics Engineers,
IEEE Standard for a Smart Transducer Interface for
Sensors
and
Actuators:
Mixed-Mode
Communication Protocols and Transducer Electronic
Data Sheet (TEDS) Formats, IEEE Standard 1451.42004, 2004.
[2] “DS2430A
256-bit
1-Wire
EEPROM”,
Maxim/Dallas
Semiconductor
Corp.,
http://www.maximintegrated.com/en/products/digital
/memory-products/DS2430A.html
[3] W. Elmenreich and S. Pizek, "Smart Transducers –
Principles, Communication, and Configuration",
[Online], 10 July 2007, Available http://wwwu.uniklu.ac.at/welmenre/papers/elmenreich_Smart_Transd
ucers_Principles_Communications_and_Configurati
on.pdf.
[4] H. Kopetz, M. Holzmann, and W. Elmenreich. A
universal smart transducer interface: TTP/A.
International Journal of Computer System Science &
Engineering, 16(2):71–77, March 2001.
[5] http://mbed.org/platforms/mbed-LPC1768/
[6] LPC176x Product Data Sheet, NXP Semiconductors,
http://www.nxp.com/documents/data_sheet/LPC176
9_68_67_66_65_64_63.pdf
5. CONCLUSION
The IEEE 1451.4 standard defines the Transducer
Electronic Data Sheet (TEDS) as well as the Mixed-Mode
Interface (MMI) for analog transducers with analog and
digital operating modes.
In this paper we presented an implementation of the IEEE
1451.4 TEDS in the case of a piezoresistive pressure
sensor. The implementation was realized using the
“mbed” microcontroller module. The TEDS data are
stored on a 1-Wire, 1024-bit EEPROM memory
(DS2431). The developed user application communicates
with the microcontroller via the USB virtual serial port
and enables user-friendly management of the TEDS data.
The significance of the performed work is mainly in its
practical aspects, as it yields a standardized and efficient
506
Implementation of IEEE 1451.4 Transducer
Electronic Data Sheet (TEDS) using an “mbed”
microcontroller module: the case of MEMS
piezoresistive pressure sensors
Branko Vukelić, Miloš Frantlović

Abstract—In this paper we describe an implementation of
the IEEE 1451.4 standard, based on the "mbed" hardware and
software platform which enables simple and efficient
development of microcontroller-based solutions. The Class 2
Mixed Mode Interface (MMI), defined by the standard, was
chosen for ICTM silicon piezoresistive MEMS pressure sensors
used in intelligent pressure transmitters. A program for the
microcontroller is written, enabling communication with the
EEPROM memory containing the Transducer Electronic Data
Sheet (TEDS), as well as with a personal computer via the USB
virtual serial port. A user application is also created for
communication with the "mbed" module, enabling userfriendly management of the TEDS contents.
Index Terms—Transducer; Smart Transducer; Transducer
Electronic Data Sheet (TEDS); Network Capable Application
Processor (NCAP); Transducer Interface Module (TIM);
Mixed Mode Interface (MMI); Microcontroller.
I. INTRODUCTION
Transducers (sensors and actuators) are widespread today
more than ever. Their applications exist in almost all human
activities, from the industry, robotics and transportation to
common household appliances and mobile phones. In the
late 1980s, when computers and digital interfaces became
ubiquitous, a technological gap between analog transducers
and the rapidly developing digital computing infrastructure
became obvious. At the time, the gap was bridged by
proprietary interfaces that met a limited acceptance in the
industry. As a response to the industry’s need, a family of
smart transducer interface standards IEEE 1451 appeared in
1997. With some amendments and revisions it remains a
valuable resource today, giving design guidelines and
promoting interoperability of transducers and interface
equipment of different manufacturers.
The Center of Microelectronic Technologies (CMT) of
the Institute of Chemistry, Technology and Metallurgy
(ICTM) has a long tradition in research, development and
production of piezoresistive silicon MEMS pressure sensors.
This paper presents the work performed in order to support
the implementation of the IEEE 1451.4 standard by enabling
simple and convenient handling of the pressure sensor
Branko Vukelić is with the Institute of Chemistry, Technology and
Metallurgy, University of Belgrade, Njegoševa 12, 11000 Belgrade, Serbia
(e-mail: [email protected]).
Miloš Frantlović is with the Institute of Chemistry, Technology and
Metallurgy, University of Belgrade, Njegoševa 12, 11000 Belgrade, Serbia
(e-mail: [email protected]).
electronic datasheet (TEDS)
microcontroller platform.
using
the
"mbed"
II. SMART TRANSDUCERS
The term "smart transducer" can be often seen in the
literature. Although it lacks a strict definition, a smart
transducer typically refers to a device made by integration of
an analog or digital sensing or actuating element, a
processing unit, and a communication interface [1]. Smart
transducers must be capable of performing at least some of
the following functions: self-identification, self-description,
self-diagnosis, self-calibration, time-awareness, data
processing, data fusion, alert notification, standard-based
data formats etc.
A smart transducer model is shown in Fig. 1a. It consists
of four parts: sensors or actuators, signal conditioning and
signal conversion, the application processor, and the
network communications block. A signal from the output of
an analog sensor is conditioned and then converted using an
Analog-to-digital (A/D) converter into a digital signal used
by a microprocessor. After the digital signal processing, the
measurement data can be transmitted through the network
by using a suitable communication protocol.
Fig. 1. a) Smart transducer model, b) Smart transducer architecture
according to the IEEE 1451 standard.
The smart transducer architecture according to the IEEE
1451 standard is shown in Fig. 1b. The main differences
between Figs. 1a and 1b are that in Fig. 1b the Transducer
Electronic Data Sheet (TEDS) block has been added, and
the system is divided into two parts: the Network Capable
Application Processor (NCAP) and the Transducer Interface
Module (TIM), with the Transducer Independent Interface
Proceedings of 1st International Conference on Electrical, Electronic and Computing Engineering
IcETRAN 2014, Vrnjačka Banja, Serbia, June 2 – 5, 2014, ISBN 978-86-80509-70-9
pp. MOI1.2.1-4
(TII) between the NCAP and the TIM.
The NCAP is a network node and it is responsible for the
data processing and network communications functions. The
TIM performs conditioning and conversion of signals from
sensors or actuators. The TII defines a medium and a
communication protocol between the NCAP and the TIM
module. The Network Interface (NI) defines a network
communication protocol for the NCAP communication over
the network.
III. IEEE 1451.4 STANDARD
The IEEE 1451.4 standard defines the protocol and the
interface that allow a self-description feature to be
implemented in analog transducers. For that purpose it also
defines the format of the Transducer Electronic Data Sheet
(TEDS). The standard does not specify the transducer design
and signal conditioning, but offers a great flexibility in
terms of transducer types and user-defined properties [2,3].
A memory device suitable for TEDS and mentioned in the
standard is the DS2430A, a 256-bit 1-Wire EEPROM [3,4].
However, higher capacity 1-Wire EEPROM devices can be
used if needed. Transmission of data to and from the
EEPROM is according to the addressable multidrop bus
protocol that also provides the "parasitic" power to the
devices, thus reducing the number of electrical connections
to only two (the signal line and the ground) [4,5].
The Mixed Mode Interface (MMI) enables both analog
and digital signal transfer between the transducer on one
side and the NCAP or data acquisition system on the other
side, conforming to the IEEE 1451.4 standard. The protocol,
timings and electrical specifications given by the standard
define two classes of MMI. The Class 1 MMI, shown in Fig.
2a, allows analog and digital signals to share a single
connection in a multiplex, while the Class 2 MMI, shown in
Fig. 2b, provides separate connections [3].
Fig. 2. IEEE 1451.4 MMI: a) Class 1 MMI with a shared signal wire.
b) Class 2 MMI for a resistive bridge sensor, with separate analog and
digital connections.
The Transducer Electronic Data Sheet (TEDS) contains
the information necessary to achieve plug-and-play
connectivity of transducers. The TEDS is usually stored in a
flash or EEPROM memory and resides in the TIM. The
NCAP accesses all the TEDS memory elements connected
to the 1-Wire bus, identifies the transducers and interprets
the TEDS data. In this way the NCAP can adapt to the
particular set of sensors and actuators, constituting a smart
transducer.
As a minimum, the IEEE 1451.4 standard defines the
mandatory Basic TEDS. It is comprised of 64-bits and
includes the Manufacturer ID, model number, version letter,
version number, and the serial number of the device.
Typically, but not mandatory, the data describing
important properties of a particular transducer follow the
Basic TEDS. The IEEE 1451 standard defines a collection
of standard templates for common classes of transducers.
Templates 25 through 39 are transducer type templates.
Optionally, standard template TEDS can be followed by a
calibration template. Templates 40, 41, and 42 are
calibration templates. The remaining memory space is
designated for optional user data.
IV. IMPLEMENTATION
The Class 2 MMI is used for interfacing of a silicon
MEMS pressure sensor made by IHTM. The TEDS is
implemented using a 1024-bit 1-Wire EEPROM (DS2431)
[6], and the resistance sensor template was chosen as the
most suitable for the pressure sensor.
The algorithm for accessing and parsing the TEDS
contents is implemented on the NXP “mbed” development
platform based on the NXP LPC11U24 ARM Cortex-M0
Core [7,8]. This microcontroller has 8KB of RAM and
32KB of flash memory, and it operates at 48MHz. The
"mbed" platform includes on-line software tools and free
libraries, and enables rapid development of ARM-based
projects. The prototype of the proposed hardware solution
consists of the “mbed” development board and a terminal
block with a DS2431 attached, both mounted on a common
prototyping board. It is shown in Fig. 3. Both the power
supply and the communication with a personal computer are
realized through the USB interface.
Fig. 3. Photograph of the prototype hardware based on the “mbed”
development board.
A Windows application was developed using the
LabWindows/CVI
environment.
It
enables
the
communication with the "mbed" module via an USB virtual
serial port, as well as the user-friendly management of the
TEDS contents stored in the DS2431. The graphical user
interface of the developed application is shown in Fig. 4.
The user has numerous options available: determining the
total amount of memory in the attached 1-Wire device,
displaying the unique serial number of a particular memory
chip (more than one can be present on the 1-Wire bus),
reading and erasing the EEPROM contents, microcontroller
reset, editing of the TEDS data etc.
Fig. 4. Graphical user interface of the developed user application.
For the communication between the user application and
the microcontroller, it was necessary to develop an
appropriate message format. It is shown in Fig. 5.
Fig. 5. Message format used in the communication between the user
application and the microcontroller.
A message consists of six fields. The START field
indicates the beginning of the message. It has a fixed value
(0xAA). The COMMAND field indicates a command that is
sent to the microcontroller. Its length is one byte. The
OPTIONAL field is used if needed, and its length is one
byte. The DATA LENGTH field is two bytes long and
contains the total number of message bytes. The DATA
field is reserved for data. Its length depends on the amount
of data to be sent or received. Finally, the END field
indicates the end of the message. It has a fixed value (0xFF).
computer that executes the user application.
The developed user application communicates with the
microcontroller via the USB virtual serial port and enables
user-friendly management of the TEDS data stored in a
DS2431 EEPROM.
By giving the full control over the contents of pressure
sensor TEDS, the described work can greatly simplify the
use of the IEEE 1451.4 standard in both the production and
the maintenance of intelligent pressure transmitters
produced by the ICTM–Center of Microelectronic
technologies.
The plans for our future work in this field include the
implementation of the IEEE 1451.4 standard in other ICTM
products, and further development of the presented software
so to include the support for other types of sensors.
ACKNOWLEDGEMENT
This work has been funded by the Serbian Ministry of
Education, Science and Technological Development, within
the project TR 32008.
REFERENCES
V. CONCLUSION
In this paper we described an implementation of the IEEE
1451.4 TEDS using an “mbed” microcontroller module for
the case of MEMS piezoresistive pressure sensors. The
software written for the microcontroller enables the
communication with the TEDS EEPROM using the 1-Wire
protocol, and also the communication with a personal
[1]
[2]
[3]
Eugene Y. Song, Kang Lee, “Understanding IEEE 1451-Networked
Smart Transducer Interface Standard,” IEEE Instrumentation &
Measurement Magazine, April 2008, pp. 11–17.
Robert Johnson, “Building Plug-and-Play Networked Smart
Transducers”, Sensors Magazine, October 1997, pp. 40-46.
Institute of Electrical and Electronics Engineers, IEEE Standard for a
Smart Transducer Interface for Sensors and Actuators: Mixed-Mode
[4]
[5]
Communication Protocols and Transducer Electronic Data Sheet
(TEDS) Formats, IEEE Standard 1451.4-2004, 2004.
“DS2430A 256-bit 1-Wire EEPROM”, Maxim/Dallas Semiconductor
Corp., http://www.maximintegrated.com/en/products/digital/memoryproducts/DS2430A.html
“1-Wire
Master
Device
Configuration”,
Maxim/Dallas
Semiconductor Corp. Application Note 2965, http://www.maximic.com/AN2965.
[6]
[7]
[8]
“DS2431 1024-bit, 1-Wire EEPROM” Maxim/Dallas Semiconductor
Corp., http://www.maximintegrated.com/en/products/digital/memoryproducts/DS2431.html.
https://mbed.org/platforms/mbed-LPC11U24
LPC11U2x
Product
data
sheet,
NXP
Semiconductors,
http://www.nxp.com/documents/data_sheet/LPC11U2X.pdf
Programme and Book of Abstracts of The Second Conference of The Serbian Ceramic
Society publishes abstracts from the field of ceramics, which are presented at
international Conference.
Editors-in-Chief
Dr Sneţana Bošković
Prof. Vlaimir V. Srdić
Dr. Zorica Branković
Publisher
Institute for Multidisciplinary Research, University of Belgrade
Kneza Višeslava 1, 11000 Belgrade, Serbia
For Publisher
Prof. Dr Sonja Veljović Jovanović
Printing layout
Vladimir V. Srdić
Press
FUTURA, Novi Sad, Serbia
CIP – Каталогизација у публикацији
Народна библиотека Србије, Београд
666.3/.7(048)
66.017/.018(048)
SERBIAN Ceramic Society. Conference (2nd ; 2013 ; Beograd)
Program ; and the Book of Abstracts / 2nd Conference of the Serbian Ceramic
Society, 2CSCS-2013, June 5-7, 2013, Belgrade, Serbia ; [organizers] The Serbian
Ceramic Society ... [et al.] ; edited by Sneţana Bošković, Vladimir Srdić, Zorica
Branković. - Belgrade : Institute Multidisciplinary Research, 2013 (Novi Sad :
Futura). - 102 str. ; 24 cm.
Tiraţ 120. – Registar.
ISBN 978-86-80109-18-3
1. Bošković, Sneţana [уредник] 2. Serbian Ceramic Society (Beograd)
a) Керамика - Апстракти b) Наука о материјалима – Апстракти
c) Наноматеријали - Апстракти
COBISS.SR-ID 198593292
The Serbian Ceramic Society
The Academy of Engineering Sciences of Serbia
Institute for Multidisciplinary Research-University of Belgrade
Institute of Physics-University of Belgrade
Vinĉa Institute of Nuclear Sciences-University of Belgrade
PROGRAMME AND THE BOOK
OF ABSTRACTS
2nd Conference of The Serbian Ceramic Society
June 5-7, 2013
Belgrade, Serbia
2CSCS-2013
Edited by:
Sneţana Bošković
Vladimir Srdić
Zorica Branković
2nd Conference of The Serbian Ceramic Society
P-48
NONSPECIFIC REVERSIBLE ADSORPTION PROCESSES AND
THEIR FLUCTUATIONS IN MEMS BIOSENSORS BASED ON
PIEZOELECTRIC CERAMIC MATERIALS
Ivana Jokić, Katarina Radulović, Miloš Frantlović, Dušan Nešić, Branko
Vukelić, Dana Vasiljević-Radović
Institute of Chemistry, Technology and Metallurgy – Center of Microelectronic
Technologies and Single Crystals, University of Belgrade, Serbia
MEMS (microelectromechanical systems) devices based on piezoelectric
ceramic materials offer a promising technology platform for highly sensitive
biological sensors. One class of these devices is film bulk acoustic wave resonators
(FBAR). For biosensing applications one FBAR's surface is coated with
functionalizing molecules, serving as specific binding sites for molecules to be
detected. Adsorption of target molecules changes the resonant frequency of a
resonator which is related to the adsorbed mass of target molecules on its surface.
Binding of biomolecules is often reversible, causing fluctuations of the resonant
frequency, known as the adsorption-desorption fluctuations, which affect a sensor
minimum detectable signal. However, molecules from a sample also bind
nonspecifically to the FBAR's surface out of functionalizing sites, thus contributing
to the total adsorbed mass and the sensor's output signal, as well as to its
fluctuations. In this paper we present the analysis of the influence of nonspecific
adsorption on the sensor's signal. We also analyze the contribution of the
nonspecifically adsorbed molecules to the total adsorption-desorption fluctuations of
the FBAR's resonant frequency. Results show that this contribution can be
significant and thus necessary to be taken into account in order to estimate and
improve the sensor's limiting performance.
92
Zbornik radova 56. Konferencije za ETRAN, Zlatibor, 11-14. juna 2012.
Proc. 56th ETRAN Conference, Zlatibor, June 11-14, 2012
ŠUPLJINSKA STANJA U POLUPROVODNIČKIM NANOKRISTALIMA: POREĐENJE
LATINDŽER-KONOVOG I BART-FOREMANOVOG MODELA
Marko Obradov, Branko Vukelić, Univerzitet u Beogradu, Institut za hemiju, tehnologiju i metalurgiju-Centar za
mikroelektronske tehnologije i monokristale, Beograd, [email protected]
Milan Tadić, Univerzitet u Beogradu, Elektrotehnički fakultet, Beograd
Sadržaj – Elektronska struktura valentne zone u kvantnoj
tački od GaSb u AlSb matrici je izračunata pomoću 4zonskog Latindžer-Konovog i 4-zonskog Bart-Foremanovog
modela. Oba modela eksplicitno uzimaju u obzir mešanje
između zona teških i lakih šupljina. Kako nije usvojena
nijedna
aproksimacija
simetrije
kinetičkog
dela
hamiltonijana, šupljinska stanja nije moguće klasifikovati
prema ukupnom ugaonom momentu. Za numeričko rešavanje
svojstvenog problema, anvelopne funkcije su razvijene u
bazis sačinjen od Beselovih funkcija prve vrste. Energije
šupljinskih stanja su obrnuto proporcionalne kvadratu
poluprečnika tačke, ali samo za veće vrednosti radijusa od
oko 7 nm, dok je za manje tačke trend slabiji. Rezultati
dobijeni pomoću Latindžer-Konovog i Bart-Foremanovog
modela su upoređeni. Analizirane su zavisnosti svojstvenih
energija šupljina od dimenzija kvantne tačke. Energije
unutarzonskih prelaza dobijene pomoću ovih modela su
upoređene sa rezultatom dobijenom pomoću jednozonskog
modela.
1. UVOD
Poluprovodnički nanokristali (kvantne tačke ili
nanotačke) su poluprovodničke strukture nanometarskih
dimenzija (tipično od 1 do 100 nm) u svim prostornim
pravcima i sačinjene su od materijala sa monokristalnim
uređenjem atoma.
U kvantnim tačkama se realizuje
nultodimenzioni elektronski gas (0DEG), jer je kretanje
nosilaca, koji inače postoje u zonama materijala koji
formiraju kvantnu tačku, ograničeno u sva tri prostorna
pravca. Ovo dovodi do toga da se zona u nanotačkama
pocepa na niz diskretnih stanja; odavde proističe alternativna
odrednica za kvantne tačke: veštački atomi.
Kvantne tačke su atraktivna oblast istraživanja, jer
omogućuju manipulaciju malim brojem nosilaca pomoću
spoljašnjih polja. Zbog diskretne elektronske strukture,
karakteristika 0DEG su veoma uske emisione i apsorpcione
spektralne linije. Zbog ovoga se kao najčešći načini upotrebe
kvantnih tačaka predlažu naprave na bazi jednoelektronskog
tunelovanja i fotonske komponente, kao što su fotodetektori,
LED-ovi i laseri [1,2].
Nanokristalne (koloidne) kvantne tačke se formiraju u
koloidnim rastvorima i imaju oblik mnogostranog tela koje se
može vrlo dobro može aproksimirati sferom. Reakciona
smeša sadrži supstance koje kontrolišu nukleaciju i rast
kvantnih tačaka (dimenzije kvantnih tačaka). Prekursori
(molekuli koji su neophodni za formiranje kvantnih tačaka)
se injektuju u smešu na povišenoj temperaturi. U smeši se
nalazi jedna ili više vrsta molekula koji se nazivaju
surfaktanti. Surfaktanti onemogućuju aglomeraciju kvantnih
tačaka i omogućuju rastvaranje kvantnih tačaka u nizu
rastvarača. Pored toga, surfaktant se može ukloniti i zameniti
drugim materijalom i tako formirati jezgro-omotač struktura.
Ono zbog čega su kvantne tačke posebno interesantna oblast
istraživanja je mogućnost njihove primene kao aktivnog
laserskog medijuma u poluprovodničkim laserima. Koloidne
kvantne tačke su najbolji kandidat za ovu funkciju, jer se
njihovim optičkim osobinama može lako upravljati
promenom dimenzija tačke, a ovaj način izrade obezbeđuje
dobru uniformnost i sprečava neželjeno sprezanje između
kvantnih tačaka. Ovo omogućava izradu lasera koji su
napravljeni od iste vrste materijala, koji emituju svetlost
različitih talasnih dužina u zavisnosti od veličine kvantnih
tačaka. Ovakvi laseri imaju nižu struju praga i bolje
temperaturne karakteristike u odnosu na poluprovodničke
lasere na bazi kvantnih jama. Međutim, ono što se pojavljuje
kao problem je postizanje laserskog efekta u ovakvoj aktivnoj
sredini usled višečestičnog Ožeovog rekombinacionog efekta,
koji se uvećava u kvantnim tačkama u odnosu na masivan
materijal. Jedan način da se prevaziđe ovaj efekat je da se
poveća gustina pakovanja kvantnih tačaka u aktivnoj oblasti i
tako stimulisana emisija nadjača Ožeov efekat; drugi način je
da se potpuno razbije spinska degeneracija stanja i tako
Ožeov efekat poništi. Ovakav tip lasera uglavnom može da se
ostvari optičkim pumpanjem. Da bi se ostvarilo električno
pumpanje neophodno je na neki način kombinovati koloidnu
fabrikaciju kvantnih tačaka sa tradicionalnim metodama
epitaksijalnog rasta i ubaciti kvantne tačke u injektivne
slojeve od poluprovodnika sa velikim energetskim procepom.
Jedna od metoda koja se predlaže za ovo je NABE (neutralatom-beam-epitaxy) [1].
U ovom radu će biti analizirani modeli elektronske
strukture valentne zone u izolovanoj kvantnoj tački od GaSb
u AlSb matrici. Diskretna šupljinska stanja su izračunata
pomoću 4-zonskog Latindžer-Konovog (LK) modela, 4zonskog Bart-Foremanovog (BF) modela i jednozonske
aproksimacije efektivnih masa. Analizirana je saglasnost ova
tri modela u funkciji poluprečnika nanokristala. Teorijske
osnove za primenu tri modela na izolovane sferne kvantne
tačke su date u drugom poglavlju. Rezultati numeričke
analize su prezentovani i prodiskutovani u trećem poglavlju.
2. TEORIJSKI MODEL
Elektronska struktura valentne zone u sfernoj kvantnoj
tački može se izračunati pomoću Latindžer-Konov modela,
koji uzima u obzir mešanje između zona teških i lakih
šupljina. Sličan model je Bart-Foremanov [3], kojim se
prevazilaze ad hoc simetrizaciona pravila, koja je inače
potrebno usvojiti u Latindžer-Konovom modelu u situaciji
kada su efektivne mase poziciono zavisne u nanostrukturi. Ni
jedan od dva modela ne uzima eksplicitno u obzir mešanje sa
stanjima u provodnoj i otcepljenoj zoni. Ovakav pristup je
opravdan za poluprovodnike sa velikim energetskim
procepom Eg i velikom energijom cepanja usled spin-orbitne
interakcije ∆, kao što je GaSb, gde su Eg=0.726eV i Δ=0,8eV
[2,3]. Za energetsku osu orijentisanu od provodne ka
MO2.5-1-4
valentnoj zoni, 4x4 Latindžer-Konov i Bart-Foremanov
hamiltonijan su dati sa [3,4,5]:
H LK
H BF
R
0
3
2
P Q 0
R
3
2
, 12
3
2
, 12
3
2
, 32
3
2
3
2
3
2
3
2
, 32
, 12
P  Q
 S †
 †
R

0
S
P  Q
 S †
 †
R

0
 S
R
P Q C
0
R
†
C†
R
†




PQ S

S†
P  Q
0
R



†
P  Q  S 

 S
P  Q
,
3
2
,
(1)
.
(2)
, 12
, 32
Jednozonske (dijagonalne) aproksimacije oba modela se
dobijaju tako što se zanemare svi vandijagonalni elementi
hamiltonijana u (1) ili (2). Pojedini članovi ovih
hamiltonijana su:
P
2
 1 ( k x2  k y2  k z2 ),
2 m0
Q
2
 2 ( k x2  k y2  2 k z2 ),
2 m0
2
R
2 m0
S 
2
2 3 3 k x  ik y k z ,
2 m0
S  
C
(3)
   3
k x  ik y 2   2 2  3 k x  ik y 2  ,
3 2
 2

2
2 3k  [(   ) k z  k z ],
2 m0
2
k  [ k z (     )  (     ) k z ].
2 m0
γ1, γ2 i γ3 su Latindžerovi parametri i određuju efektivnu
masu šupljina, σ, δ i π su izraženi preko Latindžerovih
parametara:
1
  (1   1   2  3 3 ),
9
3
1
    ( 3   2 ),
2
2
1
1
     ( 2   3 ).
2
2
0
0
0 
VHH
 0 V
0
0 
LH
V 
,
 0
0 VLH
0 


0
0 VHH 
 0
a F je četvorokomponentni spinor anvelopnih funkcija:
 F1 
F 
2
F   .
 F3 
 
 F4 
(6)
(7)
Kako postoji razlika između simetrije kvantne tačke i
ekvienergetskih površi, jer kvantna tačka ima sfernu
simetriju, a ekvienergetske površi imaju oblik “namreškanih
sfera”, anvelopne funkcije Fi (i=1,2,3,4) nije moguće
klasifikovati po kvantnim brojevima i sva stanja se
međusobno mešaju, pa je neophodno numeričko rešavanje
problema [10,11]. Rešenja za svojstvene funkcije
hamiltonijana (7) se pretpostave kao linearna kombinacija
bazisnih funkcija, koje su u ovom slučaju rešenja za
beskonačno dubok sferno simetričan potencijal:
r
(8)
Fi   anlm J l ( ln )Yl m ( , ) .
L
n,l ,m
Ovde je anlm koeficijent razvoja, Jl je normirana Beselova
funkcija prve vrste l-tog reda, βln je n-ta nula ove funkcije, L
je veličina celog domena, a Ylm je sferni harmonik. Potrebno
je izračunati matrične elemente hamiltonijana između svih
bazisnih funkcija i tako formirati punu Hamiltonovu matricu.
Rešenje za svojstvene vrednosti i svojstvene funkcije se
dobijaju dijagonalizacijom Hamiltonove matrice. Ovde su
svojstvene vrednosti hamiltonijana diskretne vrednosti za
energiju, a svojstvene funkcije su koeficijenti razvoja
pojedinih bazisnih funkcija koje treba zameniti u (8) i
normirati:
4
 F
i
2
(9)
dV  1.
i 1
(4)
Doprinosi komponenti stanja teških (HH) i lakih (LH)
šupljina, sastavu diskretnog stanja u valentnoj zoni,
izračunatom pomoću višezonskog modela su:
 F
 F
2 xx
Latindžer-Konov model se može proširiti na nanostrukture
u okviru aproksimacije efektivnih masa primenom teorije
anvelopnih funkcija. Za nanostrukture, (1) i (2) predstavljaju
kinetički deo hamiltonijana, dok talasne brojeve kx, ky i kz
treba zameniti operatorima. Potencijal je definisan
diskontinuitetom zona na GaAs/AlSb heterospoju, gde je
40% razlike energetskog procepa smešteno u valentnoj zoni
[6,7]. Potencijal je pravougaoni, a dubine 3D kvantnih jama
za šupljine i elektrone su 0.38 eV i 0.5 eV, respektivno.
Struktura je nenapregnuta, tako da potencijalne jame za teške
i lake šupljine imaju istu dubinu [8,9]. Šredingerova
jednačina po Latindžer-Konovom i Bart-Foremanov modelu
je:
( H LK / BF  V ) F  EF .
(5)
Ovde je V matrica potencijala:
2
1 xx
2
2

dV  LH
 F4 xx dV  HH xx ,
 F3 xx
2
(10)
xx ,
gde xx može biti lk ili bf.
3. REZULTATI I DISKUSIJA
Elektronska struktura valentne zone u izolovanoj kvantnoj
tački u zavisnosti od poluprečnika kvantne tačke je prikazana
na Sl.1. Energije su merene od dna jame i sva stanja su
dvostruko spinski degenerisana. Za GaSb i AlSb Latindžerovi
parametri iznose γ1=13.4, γ2=4.7, γ3=6 i γ1=5.18, γ2=1.19,
γ3=1.97, respektivno [1,12]. Potencijal unutar kvantne tačke
za šupljine je dat sa:
rR.
 0
V (r )  
(11)
380meV r  R
Sl.1. Energija osnovnog stanja u valentnoj zoni izolovane
sferne kvantne tačke izračunata pomoću LK modela (puna
linija), BF modela (isprekidana linija) i jednozonskog modela
(tačkasta linija) za različite vrednosti poluprečnika kvantne
tačke R.
Kao što vidimo sa Sl.1, za velike vrednosti radijusa tačke,
energija osnovnog stanja je približno obrnuto srazmerna
kvadratu radijusa tačke. Energija osnovnog stanja za
jednozonski model je povećana za 10 meV, jer su energije
stanja vrlo bliske za Bart-Foremanov i jednozonski model.
Ovo je urađeno da bi se utvrdila razlika u zavisnosti energija
od radijusa kvantne tačke za sva tri modela. Bart Foremanov i jednozonski model pokazuju istu energetsku
zavisnost osnovnog stanja od radijusa kvantne tačke, dok
energija osnovnog stanja za Latindžer-Konov model opada
brže za velike radijuse kvantne tačke.
Interesantno je analizirati i energije unutarzonskih prelaza
izračunate pomoću tri modela u zavisnosti od poluprečnika
kvantne tačke. Razlika između prva dva stanja za LK i BF
model predstavljena je krivom zvonastog oblika na Sl.2, sa
maksimumom oko 0.3 meV za radijus od oko 12 nm. Za male
radijuse kvantne tačke, energija prelaza između prva dva
stanja izračunata pomoću sva tri spomenuta modela je vrlo
mala, ali sa porastom poluprečnika tačke energija prelaza
dobijena pomoću jednozonskog modela je za red veličine
manja u odnosu na druga dva modela. Što se tiče energija
prelaza između osnovnog i trećeg stanja dobijenih pomoću
različitih modela, oni imaju sličnu zavisnost od poluprečnika,
sa maksimumom za radijus od 10 nm. Vrednosti su oko 5
meV veće za BF i jednozonski model nego za LK model, a
odgovarajući maksimumi imaju vrednosti 60 meV i 50 meV,
respektivno.
Da bi objasnili ovakve zavisnosti svojstvenih energija od
radijusa kvantne tačke po različitim modelima, na Sl. 3
prikazan je sastav osnovnog stanja izračunat prema jednačini
(10). Prema Sl. 3, osnovno stanje je za male kvantne tačke
dominantno teškošupljinsko prema oba modela, dok je za
jednozonski model osnovno stanje teškošupljinsko nezavisno
od poluprečnika tačke.
Ako uporedimo rezultate sa Sl.2 i Sl.3 vidimo da je razlika
između prva dva stanja najmanja za male poluprečnike kada
se rešenja za višezonske modele dosta dobro poklapaju sa
rešenjima za jednozonski model u pogledu sastava osnovnog
stanja. Sa povećanjem poluprečnika stanja se sve više
mešaju, za BF model doprinos lakih šupljina postaje
dominantan za vrednost poluprečnika tačke u opsegu između
8 nm i 15 nm, dok se za LK model ovo dešava u vrlo uskom
opsegu R oko 12 nm.
Sl.2. Energija prelaza između prva dva diskretna šupljinska
stanja (gornji grafik) i prvog i trećeg stanja (donji grafik) u
funkciji od poluprečnika R. Rezultati su prikazani za LK
(puna linija), BF (isprekidana linija) i jednozonski model
(tačkasta linija) na oba grafika.
Sl.3. Kompozicija osnovnog stanja za LK (gornji grafik) i BF
model (donji grafik). Doprinosi teških šupljina HH (puna
linija) i lakih šupljina LH (isprekidana linija) su prikazani na
oba grafika.
Na Sl. 4 su upoređeni rezultati dobijeni pomoću LK i BF
modela. Pošto su rešenja vrlo bliska nepraktično ih je
prikazati na istom grafikonu. Razlika energija osnovnih
stanja na Sl. 4 je DEi = Eilk - Eibf , gde su Eilk i Eibf stanja
izračunata iz LK i BF modela, a i je kvantni broj stanja.
Sa Sl.4 možemo uočiti da LK model daje rešenja za
diskretna šupljinska stanja koja imaju veću energiju u odnosu
na rešenja za BF model. Razlika u energijama između stanja
opada za stanja višeg reda. Pored toga, razlika energija prva
dva stanja DE1 (puna linija) i DE2 (isprekidana linija) je
nekoliko meV, dok je za dva viša stanja razlika DE3 (crtatačka linija) reda 10-4 eV, a razlika DE4 (tačkasta linija) je
reda 10-5 eV. Razlika energija osnovnih stanja je 5 meV za
male radijuse i raste sa poluprečnikom do maksimuma za 12
nm radijusa od oko 7 meV. Za velike radijuse kvantne tačke,
razlika energija osnovnih stanja za LK i BF model brzo
opada. Kada ovo uporedimo sa Sl.3, možemo videti da se
razlika energija osnovnih stanja povećava sa smanjenjem
doprinosa teških šupljina (povećanjem doprinosa lakih
šupljina), a maksimum po oba višezonska modela je
postignut kada je doprinos lakih šupljina gustini verovatnoće
veći od doprinosa lakih šupljina.
[4]
[5]
[6]
[7]
[8]
[9]
[10]
Sl.4. Razlika između rešenja za elektronsku strukturu
valentne zone dobijenih primenom LK i BF modela u funkciji
poluprečnika R izolovane sferne kvantne tačke za prva četiri
stanja.
4. ZAKLJUČAK
U ovom radu analizirana je elektronska struktura valentne
zone GaSb izolovane sferne kvantne tačke u AlSb matrici.
Stanja u valentnoj zoni su izračunata pomoću 4-zonskih
modela, Latindžer-Konovog i Bart-Foremanovog. Kako su
korišćeni puni višezonski modeli, stanja u valentnoj zoni se
ne mogu klasifikovati po kvantnim brojevima. Ovako
dobijeni rezultati su međusobno upoređeni i upoređeni sa
rešenjima jednozonskog modela za različite poluprečnike
kvantne tačke. Pokazalo se da BF i jednozonski model daju
osnovna stanja koja imaju istu zavisnost energije od
poluprečnika kvantne tačke, dok energija osnovnog stanja za
LK model opada brže za velike poluprečnike kvantne tačke u
odnosu na druga dva modela. Utvrđeno je da je osnovno
stanje dominantno teškošupljinsko za male poluprečnike
(manje od oko 7 nm). Sa rastom poluprečnika, međutim,
doprinos lakih šupljina postaje komparabilan sa doprinosom
teških šupljina. Nađeno je da razlika energija dobijenih
pomoću LK i BF modela ne prelazi 7 meV, a maksimum je
za nanotačku poluprečnika od oko 12 nm.
LITERATURA
[1] V. I. Kalimov, "Nanocrystal quantum dots: From fundamental
photophysics to multicolor lasing", Los Alamos Science,
No.26, pp. 214-220, 2003.
[2] J. H. Davis, "The physics of low-dimensional semiconductors",
Cambridge University Press, 1998.
[3] Lok C. Lew Yan Voon, M. Willatzen, "The k·p Method Electronic Properties of Semiconductors", Springer, 2009.
[11]
[12]
J. M. Luttinger, W. Kohn, "Motion of Electrons and Holes in
Perturbed Periodic Fields", Physical Review, Vol.97, No.4,
pp. 869-883, 1954.
J. M. Luttinger, "Quantum Theory of Cyclotron Resonance in
Semiconductors: General Theory", Physical Review, Vol.102,
No.4, pp. 1030-1041, 1956.
D. J, Griffits , "Introduction to quantum mechanics", Pearson
education, 2005.
I. Vurgaftman, J.R. Meyer, L.R. Ram-Mohan, "Band
parameters for III-V compound semiconductors and their
alloys", Journal of Applied Physics, Vol.89, No.11, pp. 58155875, 2001.
P. Guyot-Sionnest, "Colloidal quantum dots", Elsevier, 2008.
W. Jaskolsky, G. W. Bryant, "Multiband theory of quantum-dot
quantum wells: Dim excitons, bright excitons, and charge
separation in heteronanostructures", Physical Review B,
Vol.57, No.8, pp. R4237-R4240, 1998.
C. Y. P. Chao, S. L. Chuang, "Spin-orbit-coupling effect on the
valence-band structure of strained semiconductor quantum
wells", Physical Review B, Vol.46, No.7, pp. 4110-4122,
1992.
K. J. Vahala, P. C. Sercel, "Application of Total-AngularMomentum Basis to Quantum-Dot Band strucure", Physical
Review Letters, Vol.65, No.2, pp. 239-242, 1990.
G. W. Bryant, "Theory for quantum dot quantum wells: Pair
correlation and internal quantum confinement in
nanoheterostructures", Physical Review B, Vol.52, No.24, pp.
R16 997- R17 000, 1995.
Abstract – The electronic structure of the valence band in the
GaSb/AlSb spherical single quantum dot is computed by
means of both the 4-band Luttinger-Kohn and Burt-Foreman
models. Both models take explicitly into account mixing
between the heavy and light hole states. Without an
approximation of the equienergy surfaces in the bulk
semiconductors, states of the spherical quantum dot cannot be
classified according to the total angular momentum. The
envelope functions are expanded in the Bessel functions of
the first kind. Energy of the ground hole state is inverse
proportional to the square of the quantum dot radius, but for
only the radius larger than about 7 nm, whereas the trend is
slower for smaller quantum dots. The results obtained by
means of the Luttinger-Kohn and Burt-Foreman models are
compared. The dependence of the hole eigenenergies on the
dot radius is analyzed. Furthermore, the intraband transition
energies were compared with those extracted from the single
band model.
THE HOLE STATES IN SEMICONDUCTOR
NANOCRYSTALS: COMPARISONS BETWEEN
THE LUTTINGER-KOHN AND BURT-FOREMAN
MODELS
Marko Obradov, Branko Vukelić, Milan Tadić,
Zbornik radova 55. Konferencije za ETRAN, Banja Vrućica, 6-9. juna 2011.
Proc. 55th ETRAN Conference, Banja Vrućica, June 6-9, 2011
WET ETCH RATES AND SELECTIVITY IN DIMES CR100 ETCHING LINE
Branko Vukelic, Marko Obradov, Bogdan Rosandic, Silvana Milosavljevic* and Jelena Lamovec
Institute of Chemistry, Technology and Metallurgy – Department of Microelectronic Technologies and Single Crystals,
Njegoseva 12,11000 Beograd, Srbija,
[email protected]
*Delft Institute of Microsystems and Nanoelectronics, TU Delft, Feldmannweg 17, 2628 CT Delft, The Netherlands
Abstract – Films of different materials that are used in
DIMES laboratory (TU Delft, The Netherlands), in the
fabrication of microelectromechanical systems and
integrated circuits, were prepared: six preparations of
silicon dioxide (deposited and annealed oxides), and
sputter-coated aluminum/1%Si. Selected samples were
etched in different etchants (7:1 BHF, 0.55% HF, Aletch , hot
phosphoric acid and polySi etch solution), and the etch rates
and selectivity were measured and are tabulated. Sample
preparation and informations about the etches is given.
1. INTRODUCTION
Etching is used in microfabrication to remove layers from
the surface of a wafer or to create structures in a bulk of a
wafer during manufacturing. Etching is a critically important
process module, and every wafer undergoes many etching
steps before it is complete.
When designing a microfabrication process, the etch rate
of each material to be etched must be known [1-3].
There are large literature reviews of the etch rates of
different microfabrication materials, but not many of them
with selectivity data. Knowing the etch rates of other
materials that will be exposed to the etch, such as masking
films and underlying layers, enables an etch process to be
chosen for good selectivity (high ratio of etch rate of the
target material to etch rate of the other material).
Because each laboratory has own characteristic basic
process line and specific flowcharts, it was important to
determine the etch rates and selectivity of typical thin-film
materials used in DIMES laboratory. All experiments have
been done on the DIMES CR100 etching line (Fig.1.).
2. SAMPLE PREPARATION
2.1. Substrate material
The substrate material of one-side polished <100>oriented Si wafers was chosen and prepared. Specifications of
the wafers are given: CZ-grown method, 100-mm diameter
and 500±15 μm wafer thickness, resistivity 2-5Ωcm.
There are a number of wafer cleaning techniques or steps
employed to ensure that a semiconductor wafer is always free
of contaminants and foreign materials as it undergoes the
wafer fabrication process. Cleaning procedures and
techniques in DIMES CR100 are well-defined and wetbench
cleaning line together with its shematic representation are
shown on the Fig.2.
Fig.2. Image and schematic presentation of wetbench
cleaning line DIMES CR 100
2.2. Preparation of silicon dioxide layer on Si
substrate by thermal oxidation
Process of wet thermal oxidation was used for preparation
of 1000 nm-thick thermal oxide. The oxide thickness was
measured using Leitz MPV-SP measurement system and the
average measured thickness of thermal oxide layer was 954.02
nm.
2.3. Deposition of PECVD (silane) SiO2 layer on Si
substrate
Fig.1. Image and schematic presentation of DIMES CR 100
etch line
Plasma-enhanced chemical vapor deposition is a process
used to deposit thin films from a vapor to a solid state, on a
substrate.This allows deposition at lower temperatures
(around 400°C). Deposition methods use external source of
silicon to form the oxide, in this case the external source is
MO3.4-1-4
silane (SiH4). In DIMES CR100 laboratory, Novellus
PECVD reactor was used for deposition. Novellus PECVD
reactor uses RF frequencies for plasma forming.
Deposition parameters and PECVD oxide thickness
measurements are given in the table T.1.
T.1. Process parameters PECVD (silane) oxide
Gasses &
Pressure
HF
Tempe-
flows (sccm)
(Torr)
power
rature
(W)
(°C)
1000
400
N2/SiH4/N2O
2.2
Time (s)
28.8
=
Annealing is a high temperature process that consists of
heating the material above the recrystallization temperature
for a short time, and in semiconductor industry it is used to
recuperate silicon crystalline lattice after some highly
intrusive process like implantation, relieves material stress or
alters mechanical properties of the material.
Annealing of the low-temperature PECVD oxides was
performed in thermal furnace for annealing in argon at 600°C.
To determine the influence of annealing on properties and
consequently on etch rate properties of oxide layers, oxide
layer thickness has been measured before and after the
annealing. These results are shown in the tables T.4. and T.5.
T.4. PECVD oxide and annealed oxide thickness (TEOS)
3150/205/6000
The measured average value of PECVD (silane) silicon
oxide layer was 907.57 nm.
2.4. Deposition of PECVD (TEOS) SiO2 layer on Si
substrate
Instead of silane, tetraethyl orthosilicate (TEOS) is used
as an external source of silicon for depositing of silicon
oxide. Deposition parameters are given in the table below.
T.2. Process parameters for PECVD (TEOS) oxide
Gasses
flows
(sccm)
2.6. Annealing of the oxides
&
TEOS =
Pressure
(Torr)
2.2
HF
power
(W)
LF
power
(W)
Temperature
(°C)
Deposition
rate
(nm/min)
500
500
350
260
1800ml/min
O2=5000
The measured average value of PECVD (silane) oxide
layer was 1166.95 nm. It was noticed that the layer thickness
uniformity of PECVD (TEOS) oxide is not as good as the
uniformity of PECVD (silane) oxide layers.
2.5. Deposition of LPCVD (TEOS) SiO2 layer on Si
substrate
Low-pressure CVD is a process for depositing materials
onto substrates in subatmospheric pressure environment. This
low pressure tends to reduce unwanted chemical reactions and
improve deposited oxide uniformity across the wafer.
Deposition parameters for this process are given in the
table T.3..
Before annealing
1166.62±9.40 nm
1172.63±8.72 nm
After annealing
1143.16±9.64 nm
1149.25±8.89 nm
T.5. PECVD oxide and annealed oxide thickness (silane)
Before annealing
907.48±2.25 nm
907.57±1.9 nm
After annealing
884.94±1.98 nm
886.92±1.47 nm
The process of annealing has strengthened the oxide,
increasing the oxide density and effectively reducing the layer
thickness.
2.7. Metallization
Metallization in general is the technique for coating
metals on non-metallic object surfaces. The two most common
methods of metallization in semiconductor industry are PVD
process of evaporation and sputtering. In DIMES CR100,
Trikon Sigma sputter coater is used for deposition of 675 nm
aluminium thin-film on the Si wafer surface. Target for
sputtered Al is 99%Al with 1%Si, to prevent aluminium from
spiking into the Si wafer. Deposition was done at 350°C, and
argon gas, used for bombarding the target, is pumped into the
chamber at 100 sccm.
Finally, there is CDE ResMap Resistance profiler to
measure sheet resistance (Rs) of deposited aluminium film.
With the known resistivity of aluminium (28.2 Ω·nm), it is
possible to calculate the thickness of the metal layer as shown
in the table below.
T.6. Aluminum thin-film sheet resistance and thickness
Rs (mΩ/□)
42.53
42.84
42.50
dal=ρ/Rs (nm)
663.06
658.26
663.52
T.3. Process parameters for the LPCVD TEOS oxide
Gasses & flows
Pressure
Temperature
Duration
TEOS bubbler (40˚C)
250 mTorr
700˚C
40 min
Measurement of oxide layer thickness was done using
Leitz MPV-SP measurement system and the average value of
LPCVD (TEOS) oxide layer thickness was 1078.94 nm.
3. EXPERIMENTAL PROCEDURE
It is important to note that SiO2 is an amorphous
material which etches equally well in all directions – isotropic
etching. It means that, when an oxide etch depth of 1mm is
required, a lateral etch of 1mm will also occur. This lateral
etch limits device geometries by reducing the density of lines
that can be achieved in IC manufacture. Furthermore, the
thickness of any subsequently deposited layer is directly
Etchant
Etchant
abbreviation
Target
material
BHF (7parts 40%NH4F : 1part 49%HF), RT
7:1 BHF
Silicon
dioxide
0.55% HF (25 parts H2O : 1 part 49%HF),
RT
0.55% HF
Silicon
dioxide
80%H3PO4:50%HNO3:50%HAc:10%H2O,
45°C
Aletch
Aluminum
85% H3PO4, 157°C
Phosphoric
Silicon nitride
HNO3:H2O:HF [50 parts:20:1], RT
polySietch
Polysilicon
Notation:
BHF –
Buffered HF or buffered oxide etch (BOE), for
medium removal of oxide, with photoresist
mask. The addition of NH4F to HF controls the
pH value and replenishes the depletion of the
fluoride ions, thus maintaing stable etch rate.
0.55% HF – Dilute HF for removal of native oxide, thin layer
oxide, cleaning and surface treatments
Al
etch
–
Slightly heated (35-45°C) commercial solution
of 80% H3PO4, 5% HAc, 5% HNO3 and water.
It is formulated to selectively etch aluminum.
Nitric acid consumes some of the Al material to
form an Al2O3 layer. This oxide layer is then
dissolved by the phosphoric acid and water.
Photoresist can be used as an etch mask for this
etchant.
Phosphoric – It is one of the wet etches for silicon nitride.
Because it etches photoresist, another masking
material, such as oxide, must be used. The
boiling point of phosphoric acid varies with the
concentration of the acid. Since the bath is
operated at high temperature, water readily
evaporates from the solution and causes change
in the concentration of the acid. This wet etch
station needs a mechanism to control the
concentration and the temperature of the bath.
Hot phosphoric acid was also found to rapidly
etch aluminum.
PolySi
etch
– A mix of 50 parts of HNO3 acid, 1 part of HF
acid and 20 parts of water at room temperature.
Recommended masking material are photoresist
and silicon nitride . These selectivity ratios are
given - photoresist:200, polySi:1, Si3N4:1500.
Etching times were chosen according to expected etching
behaviour of material in specific solution and were within the
range of 20 s to 30 min.
Change of the etch-rate with etch time for the thermal
oxide layers, etched in BHF (1:7) solution, is given on the
Fig. 3.
100
Etch rate (nm/min)
T.7. Etch solutions descriptions
For several materials, etched in most common etchants
(BHF and 0.55% HF), etch-rates dependence on time were
determined, and they are shown on the images below. After
etching of an oxide for a chosen time, oxide layer thickness
was measured again, and with layer thickness difference it
was possible to determine the velocity of an etching process.
THERMAL OXIDE,
ETCHED IN BHF
(1:7)
90
80
70
60
0
100
200
300
400
Etch time (s)
500
600
Sl.3. Etch-rate dependence on time for the wet thermal oxide
(1000°C) etched in BHF(1:7) solution at room temperature.
Dependence of etch rates on etch time for the thermal
oxide layers, etched in 0.55% HF solution at room
temperature is given on the Fig.4.
Etch rate (nm/min)
Table T.7. summarizes the etch solutions descriptions,
abbreviation names for the etchants, and the target materials
for each.
4. ETCH-RATE RESULTS AND DISCUSSION
5
THERMAL OXIDE,
ETCHED IN 0.55%
HF
4
3
2
1
0
0
200
400
Etch time (s)
600
800
Sl.4. Relation between etch rate and etch time for the thermal
oxide etched in 0.55% HF solution at room temperature.
For the LPCVD (TEOS) oxide, PECVD (TEOS) oxide
and PECVD (silane) oxide, change of the etch rate with etch
time for the BHF (1:7) solution etching at room temperature,
is shown on the Fig. 5.
350
Etch rate (nm/min)
impacted by the wall shape and slope angle of the etched
SiO2. This has resulted in considerable effort to control the
edge profile of etched silicon dioxide. The controllable
parameters in wet-etching are: time, temperature, solution
concentration and solution recirculation or wafer agitation.
LPCVD (TEOS) oxide, etched
in BHF(1:7), RT
PECVD (TEOS) oxide, etched
in BHF(1:7), RT
PECVD (silane) oxide, etched
in BHF(1:7), RT
300
250
200
150
0
50
100
Etch time (s)
150
200
Sl.5. Etch-rate dependence on time for the LPCVD TEOS,
PECVD TEOS and PECVD silane oxides etched in
BHF(1:7) solution at room temperature .
Etch rates for the LPCVD (TEOS), PECVD (TEOS) and
PECVD (silane) oxides, etched in 0.55% HF etching
solution, at room temperature, is shown on the Fig.6.
30
In the polySi etch solution, thermal oxide has low etch
rate (8-8.5 nm/min). LPCVD (TEOS) and PECVD (TEOS)
oxides have etch rates in range within 55-68 nm/min.
Etch rate (nm/min)
LPCVD (TEOS) oxide,
etched in 0.55%HF, RT
PECVD (TEOS) oxide,
etched in 0.55%HF, RT
PECVD (silane) oxide,
etched in 0.55%HF, RT
25
Thermal oxide is the most sensitive oxide in silicon nitride
etch solution (54 nm/h), while LPCVD (TEOS) oxide has the
lowest etch rate value (9 nm/h), but according to their etch
rate values, they are all relatively stable in this solution.
5. CONCLUSION
20
There are many important reasons for experimental
determination of etch rates and selectivity of the materials for
any specific laboratory. One of the most significant is that the
properties of the material are the result of the production
method and subsequent processing.
15
10
0
200
400
600
800
Etch time (s)
Sl.6. Etch-rate dependence on time for the LPCVD (TEOS), PECVD
(TEOS) and PECVD (silane) oxides etched in 0.55% HF solution
at room temperature .
Etch rates of oxides depend on concentration of the HF
solutions, and they are much higher for the BHF solution than
for the 0.55% HF solution. PECVD (silane) oxides are etched
about 1.2 (BHF solution) ÷ 1.5 (0.55% HF solution) times
faster than the PECVD TEOS oxides.
Table T.8. summarizes the results of the etch tests
performed on silicon dioxide and aluminum with different
layer thickness on 100-mm silicon wafers, deposited with
different deposition techniques where several were annealpostprocessed.
T.8. The results of different etch tests
Etching solution →
BHF 1:7
0.55% HF
Al
etch,
35°C
Si3N4
etch,
Phos.acid
PolySi
etch, RT
Thin films of SiO2 and Al(1%Si) with thicknesses up to
1μm, are deposited with different techniques (thermal
oxidation, LPCVD, PECVD, sputtering), and then annealed.
Samples were etched in different HF-based solutions and Al,
Si-nitride and polySi etch solutions. Etch rates of choosen
materials in every solution type were determined and
tabulated.
The data on the graphs and in the tables in this paper,
show useful deposition process parametars, and useful
etchants for these types of materials, as well as indicating in
which etchants the materials will stand. They can also be used
to calculate the selectivities to choose masking layers should
photoresist not be sufficient.
Alternative materials systems for MEMS will be of interst
in the future for many reasons: material may be desired, for
example, for its chemical inertness, for its high or low thermal
conductivity, for its high or low elastic modulus, for its low
deposition temperature, or for its biological compatibility.
These data will aid in selecting adequate substrates, thin films
and etching solutions.
REFERENCES
157°C
Type of oxide and
etch rates ↓
nm/min
nm/min
nm/min
nm/h
nm/min
75-90
1.8-2.1
Ø
54
8.0-8.5
LPCVD (TEOS) oxide
220-300
12.0-13.0
Ø
9
55.0-68.0
PECVD (silane) oxide
215-330
19.0-22.0
Ø
33
57.0
Annealed
PECVD
(silane) oxide
97-108
4.4-12.6
Ø
/
/
PECVD (TEOS) oxide
190-260
13.0-16.0
Ø
26
38.0
Annealed
PECVD
(TEOS) oxide
106
5
Ø
/
/
Al /1%Si
120
91
200
unknown
unknown
Thermal oxide
[1]
[2]
[3]
[4]
[5]
[6]
Comparative analysis of etch rates for all used materials
will be given according to spercific etch solution.
For the BHF and 0.55% HF solutions, thermal oxide has
the lowermost etch rate value (75-90 nm/min) and PECVD
oxide has the highest etch rate of all (215-330 nm/min).
Annealing both PECVD and LPCVD oxides improves their
etching resistance and reduces the etch rate in HF solutions
(97-108 nm/min).
The etch rate of 675 nm-thick Al/1%Si layer was
determined as 200 nm/min. All of the oxides are stable in Aletch solution.
K.R.Williams, R.S.Muller, J.Microelectromech. Syst.,
vol. 5, pp.256-269,1996.
CRC Handbook of Metal Etchants, CRC, Boca Raton,
FL.
Judge.J.S., J.Electrochem.Soc.,118(11), pp.1772-1775,
1971.
http://www.siliconfareast.com/wafer-cleaning.htm
S.M.Sze,
VLSI
Technology,
McGraw-Hill
International Book Company, 1983.
K.R.Williams,
K.Gupta,
M.Vasilik,
J.Microelectromech.Syst., vol.12.,pp.761-778,2003.
This work was supported by grants from the Ministry of Education
and Science, Republic of Serbia, Grant No. TR 32008.
Apstrakt – Pripremljeni su filmovi različitih materijala koji
se koriste u DIMES-ovoj laboratoriji (TU Delft, Holandija), u
fabrikaciji mikroelektromehaničkih sistema i integrisanih
kola: šest uzoraka silicijum dioksida (deponovanih i
odgrejanih) i film spaterovanog filma Al(1%Si). Odabrani
uzorci tankih filmova SiO2 i Al(1%Si) na Si supstratima su
nagrizani u različitim rastvorima za nagrizanje i određivane su
njihove brzine nagrizanja i selektivnost u različitim
rastvorima.
WET ETCH RATES AND SELECTIVITY IN DIMES CR100
ETCHING LINE
Branko Vukelic, Marko Obradov, Bogdan Rosandic, Silvana
Milosavljevic and Jelena Lamovec
Primena mikrokontrolera u integraciji
navigacionog sistema za praćenje vozila
Branko Vukelić, Rade Stančić i Stevica Graovac

Apstrakt—U ovom radu je predstavljena implementacija
proširenog Kalmanovog filtra (PKF) za potrebe integracije
inercijalnog navigacionog i globalnog pozicionog sistema
(INS/GPS). Proračunati podaci o poziciji vozila se bežičnim
putem prosleđuju ka udaljenom centru za praćenje. Integracija
inercijalnih senzora sa globalnim sistemom pozicioniranja je
pristup koji se uveliko koristi radi povećanja pouzdanosti i
preciznosti navigacije. Implementacija proširenog Kalmanovog
filtra (PKF) je izvršena na “mbed” razvojnoj platformi
zasnovanoj na NXP LPC1768 ARM Cortex-M3 jezgru. Ulazni
podaci za prošireni Kalmanov filtar su prikupljeni na osnovu
realne vožnje i predstavljeni su Dekartovim koordinatama.
Softver “mbed” mikrokontrolerskog modula omogućuje
prikupljanje podataka i komunikaciju. Za potrebe komunikacije
sa mikrokontrolerom razvijena je korisnička aplikacija, za
personalni računar, koja komunicira posredstvom “USB Virtual
Serial port-a”.
Ključne reči—Prošireni Kalmanov Filtar (PKF); Globalni
Pozicioni Sistem(GPS); Inercijalni Navigacioni Sistem(INS);
INS/GPS integracija; mikrokontroler.
Branko Vukelić – IHTM Centar za Mikroelektronske tehnologije i
monokristale, Univerzitet u Beogradu, Njegoševa 12, 11000 Beograd, Srbija
(e-mail: branko.vukelic@ nanosys.ihtm.bg.ac.rs).
Rade Stančić – Agencija za kontrolu letenja Srbije i Crne Gore - SMATSA
(e-mail: [email protected]).
Stevica Graovac – Elektrotehnički fakultet, Univerzitet u Beogradu,
Bulevar
Kralja
Aleksandra
73,
11000
Beograd,
Srbija
(e-mail: [email protected]).
II. ŠEMA INTEGRACIJE INS/GPS-A
Na Sl. 1 je prikazana šema integracije INS/GPS-a, koja je
iskorišćena u ovom radu. INS i GPS senzori daju informaciju
o poziciji i brzini objekta, dok prošireni Kalmanov filtar daje
informaciju o estimiranoj grešci pozicije i estimiranoj grešci
brzine. Kada su merenja sa GPS-a dostupna, vrši se korekcija
INS-a, a informacije o poziciji i brzini objekta se prosleđuju
direktno na izlaz sistema. U intervalima vremena između dva
GPS signala informacija na izlazu sistema se dobija,
korekcijom, kao razlika merenja INS-a i estimirane greške
proširenog Kalmanovog filtra. Ulazni podaci u Kalmanov
filtar se dobijaju kao razlika merenja INS-a i GPS-a i to u
onim trenucima u kojima su dostupna merenja sa GPS-a.
Estimacija greške pozicije i brzine objekta se računa za sve
vreme rada Kalmanovog filtra.
Korekcija INS-a
I. UVOD
Integracija INS/GPS-a se primenjuje u navigaciji zemljanih
vozila, avijaciji, sistemima praćenja i mnogim drugim
sistemima. Rasprostranjenost ovih sistema je rezultat niske
cene inercijalnih mikroelektromehaničkih senzora (MEMS).
Performanse GPS prijemnika su uslovljene položajem i
brojem vidljivih satelita u orbiti, dok su performanse
inercijalnih senzora uslovljene driftom na samim senzorima.
GPS obezbeđuje tačnije informacije o poziciji i brzini objekta
za razliku od INS-a koji obezbeđuje tačnije podatke samo u
kratkom vremenskom intervalu. Sa druge strane učestanost
podataka sa GPS-a obično iznosi oko 1Hz, dok je učestanost
podataka sa INS-a znatno veća. Ovo omogućava da se popuni
međuprostor između dva susedna podatka GPS-a, podacima
sa INS-a. Svaki od sistema koji učestvuje u integraciji
međusobno se koriguje i dopunjuje i na taj način povećava
pouzdanost i preciznost navigacije. Suština ovog pristupa leži
u činjenici da su greške svakog od sistema međusobno
nekorelisane. Kao optimalni estimator stanja koristi se
prošireni Kalmanov filtar.
Rad se zasniva opštim principima realizacije INS sa kruto
spregnutim senzorima (strap-down) datim u [4] i [7],
konceptu integracije INS i GPS diskutovanom u [2] i [8] i
specifičnim aspektima primene jevtinih inercijalnih senzora
[1], [3], [5] i [6].
Sl. 1. Šema integracije INS/GPS-a.
Vektori sa Sl. 1 su definisani na sledeći način:
VINS je vektor brzine INS-a; XINS je vektor pozicije INS-a;
V
je vektor brzine GPS-a; XGPS je vektor pozicije GPS-a;
δV je vektor greške brzine; δX je vektor greške pozicije; δVKF
je vektor estimirane greške brzine; δXKF je vektor estimirane
greške pozicije; VK je korigovani vektor brzine INS-a; XK je
korigovani vektor pozicije INS-a; V je vektor brzine na izlazu
sistema; X je vektor pozicije na izlazu sistema.
Zbornik 57. konferencije ETRAN, Zlatibor, 3-6. juna 2013, str. AU1.6.1-6
Proceedings of 57th ETRAN Conference, Zlatibor, Serbia, June 3-6, 2013, pp. AU1.6.1-6
GPS
pri čemu je:
III. MATEMATIČKI MODEL U DISKRETNOM DOMENU
Greška inercijalnog navigacionog sistema je opisana
modelom u prostoru stanja četvrtog reda. Model greške je
opisan diferencnim jednačinama pri čemu indeks k označava
podatak dostupan u sadašnjem trenutku dok indeks k-1
označava podatak iz prethodnog trenutka.
RE poluprecnik zemlje, xINSk i yINSk su Dekartove koordinate
pozicije INS-a u sadasnjem trenutku, dok su xINSk-1 i yINSk-1
Dekartove koordinate pozicije INS-a iz prethodnog trenutka.
IV. PROŠIRENI KALMANOV FILTAR
1
1
 V N k 1
2 R M k  hk
 k   k 1  TGPS
k   k  1  TGPS [( 2 )
 k   k 1
TINS
(1)
tan(  k ) k 1 
k
( 2 ) 2 V E k cos(  k )
VDk
R M k  hk
2 ( 2 )
VE   V E
k
VN
TINS
 k   k 1
TINS
sec(  2k ) k 1 
x k  [ k 1
(3)
 2 ( 2 ) E sin(  k ) V E k 1 
k 1
 k   k 1
k 1
gde su xk, Fk, wk, respektivno vektor stanja, matrica stanja i
vektor belog šuma nulte srednje vrednosti. Vektor stanja xk je
definisan jednačinom (7) kao:
 TGPS [( 2 ) 2 V E k cos(  k ) 2 E  k 1 
k 1
sin(  k ) V E k 1 ]
2 ( 2 )( E 
 k   k 1
TINS
 k   k 1
TINS
V N k sec(  k )) k  1 
(4)
) sin(  k )V N k 1 
VE ]
k 1
k 1
(7)
(8)
gde su yk, Hk, vk respektivno vektor merenja, matrica
merenja i vektor belog šuma nulte srednje vrednosti. Vektor
merenja je definisan kao:
z k  [ k
 k
V N
k
VE ]
(9)
k
dok se elementi vektora merenja računaju kao:
pri čemu su:
VNk, VEk, VDk komponente brzine u pravcu sever, istok i na
dole; δVNk, δVEk su komponente greške brzine u pravcu sever i
istok; φk, λk, hk su koordinate pozicije (geografske širine,
geografske dužine, visine); δφk, δλk su koordinate greške
pozicije; ωE je ugaona brzina rotacije Zemlje; RMk, RPk su
poluprečnici zakrivljenosti zemlje duž meridijane i paralele.
TGPS je perioda podataka sa GPS-a, dok je TINS perioda
podataka sa INS-a.
Promenljive φk, λk, VNk, VEk, koje figurišu u diferencnim
jednačinama (2), (3), (4) nisu direktno merljive pa ih je
potrebno izračunati primenom odgovarajuće aproksimacije.
Aproksimacije kojima se opisuju promenljive iz diferencnih
jednačina su sledeće:
 k  k 1  tan 1 y INS  y INS
k
k  k 1  tan
1
x

/ T
INS k
 x INSk 1
INS
/ R 
/ R 
k 1
 xINSk 1
INS k
VN k  y INSk  y INSk 1 / TINS
VEk
V N
z k  H k  xk  v k
1
(V D k  V N k tan(  k ))V E k ]
R Pk  hk

 x
 k 1
dok se elementi matrice Fk dobijaju diferenciranjem
jednačina (1), (2), (3), (4) po promenljivim δφk-1, δλk-1, δVNk-1,
δVEk-1. Model mereja je definisan jednačinom (8):
 TGPS [( 2 )( 2 EV N k cos(  k ) 
2V D k sin(  k ) 
(6)
x k 1  Fk x k  wk
(2)
1
1
 V E k 1 ]
2 ( R Pk  hk ) cos(  k )
VN   V N
Diferencne jednačine opisane sa (1), (2), (3), (4) mogu se
predstaviti u standardnoj formi kao:
GPS
k  kINS
1   k
GPS
k  INS
k 1  k
VN  VNINS  VNGPS
k
k 1
INS
E k 1
VE  V
k
(10)
k
GPS
Ek
V
Algoritam proširenog Kalmanovog filtra je opisan sledećim
jednačinama:
x k  Fk  1 x k1
K k  Pk 1  H T ( H k Pk  1 H kT  R ) 1

k
(11)

k
x  F k  x  K k ( z k  H k  x k 1 )
Pk  Fk ( I  K k H k ) Pk  1  FkT  Q
E
E

(5)

gde je xk apriorna a xk aposteriorna estimacija, Kk je
matrica Kalmanovog pojačanja dok su Pk, R, Q respektivno
matrice kovarijanse: grešaka procenjenog stanja, šuma
procesa i šuma merenja. Korekcije INS-a na bazi estimiranih
grešaka pozicija i estimiranih grešaka brzina su date sledećim
jednačinama:
 kK   kINS
1   KF
K
k
 
V
K
Nk
INS
k 1
V
k
  KFk
INC
N k 1
  V N KF
V EKk  V EINC
  V E KF
k 1
gde su δφKFk, δλKFk,
VN
(12)
KFk
,
raspolaže sa velikim brojem periferija (Serial, SPI, I2C, USB,
Ethernet, CAN...).
Podaci potrebni za rad PKF-a su prikuljeni na osnovu
realne vožnje i zapisani su u fajlu „VOZNJA.MAT“ po
kolonama,. Struktura fajla je prikazan u Tabeli 1. Podaci su
tipa „double“.
k
TABELA I
STRUKTURA FAJLA “VOZNJA.MAT”
k
VE
KFk
estimirane greške
pozicija i estimirane greške brzina na izlazu proširenog
Kalmanovog filtra. U vremenskim intervalima između dva
GPS signala izlaz PKF se ostvaruje predikcijom tj. apriornom
estimacijom.
V. IMPLEMENTACIJA
Algoritam proširenog Kalmanovog filtra je implementiran
na “mbed” razbojnoj platformi zasnovanoj na NXP LPC1768
ARM Cortex-M3 jezgru. Takt ovog mikrokontrolera je
podešen na 96 MHz i on raspolaže sa 512 KB flash memorije
kao i sa 64 KB RAM memorije. Ovaj mikrokontroler
xINSk
yINSk
hk
xGPSk
yGPSk
gde su:
xINSk, yINSk koordinate pozicije INS-a, hk je visina, dok su
xGPSk, yGPSk koordinate pozicije GPS-a.
Na strani PC-a je napravljena korisnička aplikacija koja
putem “USB Virtual Serial Port-a” komunicira sa
mikrokontrlerom. Bitska brzina je podešena na 115200 bita u
sekundi. Na Sl. 2 je predstavljen izgled korisničke aplikacije.
Sl. 2. Izgled korisničke aplikacije
Komunikacija se odvija na sledeći način: Na svakih TINS
sekundi aplikacija iz fajla “VOZNJA.MAT” čita set podataka
predstavljen Tabelom 1 i šalje ih mikrokontroleru.
Mikrokontroler prihvata poslate podatke računa estimirane
vrednosti greške i vraća korigovane podatke aplikaciji.
Aplikacija prihvata podatke i upisuje ih u fajl
“REZULTAT.MAT”.
VI. REZULTATI SIMULACIJE I EKSPERIMENTA
U ovoj sekciji se razmatraju rezultati dobijeni korišćenjem
odgovarajućih aproksimacija u trenucima kada podatak sa
GPS-a nije dostupan. U razmatranje su uzeta četiri
karakteristična slučaja. Prvi se odnosi na situaciju kada se
podatak INS-a proglašava za podatak GPS-a tj. :
xGPS k  xINS k
(13)
y GPS k  y INS k
6
GPS- OFF
GPS- ON
Drugi slučaj imamo kada prethodnu vrednost GPS-a
usvojimo za tekuću tj:
4
xGPS k  xGPS k 1
(14)
y GPS k  yGPS k 1
Ve[m/s]
2
0
-2
Treći se odnosi na situaciju kada na ulaz PKF-a vraćamo
prethodnu aposteriornu estimaciju greške tj:
-4

 k   KF
-6
0
k 1
200
400
800
1000
1200
1400
t[s]
k  KF
k 1
(15)
VN  VN
k
600
Sl. 4. Promena komponente brzine u pravcu istok
KFk 1
Na Sl. 5 je prikazana promena geografske dužine sa
vremenom u slučaju da su greške merenja brzine u pravcu
sever i istok uključene u matrici Hk.
VE  VE
k
KFk 1
Poslednji slučaj se odnosi na situaciju kada na ulaz PKF-a
vraćamo prethodnu apriornu estimaciju greške tj:
0.3588
GPS- OFF
k  
GPS- ON

KFk 1
k  KF
(16)
VN  VN
KFk 1

E KFk 1
VE  V
k
4
GPS- OFF
GPS- ON
2
Vn[m/s]
0
-2
-4
-6
-8
200
400
600
800
0.3582
0.358
Na sledećim slikama su prikazani rezultati simulacije
dobijeni korišćenjem rezultata u Matlabu.
Na Sl. 3 i 4 su prikazane promene brzine u pravcu sever i
istok. Crvenom bojom su prikazani rezultati sa INS-a, dok su
plavom bojom prikazani rezultati sa GPS-a. I na jednoj i na
drugoj slici mogu se primetiti tačke diskontinuiteta koje su
posledice aproksimativnog načina računanja brzine (5).
-10
0
GD[rad]
0.3584
k 1
k
GPSk=INSk
0.3586
1000
t[s]
Sl. 3. Promena komponente brzine u pravcu sever
1200
1400
0.3578
0.3576
0
200
400
600
800
1000
1200
1400
t[s]
Sl. 5. Promena Geografske dužine sa vremenom
Sa Sl. 5 možemo primetiti da dolazi do divergencije
prilikom računanja geografske dužine. Ovo je posledica loših
merenja koja zavise od promene brzine u pravcu sever i istok.
Iz tog razloga merenja koja se odnose na grešku brzine u
pravcu sever i istok treba izbaciti iz matrice Hk tj. na njihovo
mesto u matrici treba staviti nulte vrednosti.
Na Sl. 6 je prikazan pređeni put vozila dobijena na osnovu
podataka iz realne vožnje. Takođe na grafiku su prikazani
rezultati dobijeni korišćenjem odgovarajućih aproksimacija u
trenucima kada podaci sa GPS-a nisu dostupni. Pređeni put u
pravcu geografske dužine prikazan je na Sl. 7.
-5
x 10
2.5
400
GPSk=INSk
GPS - OFF
GPSk = INSk
300
GPSk=GPSk-1
GPSk = GPSk-1
relativna greska GD
GPSk = INSk-1+estimacija(+)
GPSk = INSk-1+estimacija(-)
200
SGS[m]
GPS - ON
100
0
k
1.5
1
0
50
100
150
200
250
300
350
0
0
400
200
400
600
800
1000
1200
1400
t[s]
SGD[m]
Sl. 8. Promena relativne greške geografske dužine sa vremenom.
Sl. 6. Pređeni put vozila
Sa Sl. 8 možemo primetiti da je relativna greška geografske
dužine reda 10-5 i da najveću relativnu grešku imamo za slučaj
kada prethodnu vrednost GPS-a usvojimo kao tekuću
vrednost. Ovaj slučaj je najgori i izbacujemo ga iz daljih
razmatranja. Detaljniji uvid u preostale slučajeve ćemo imati
ako uvećamo segment sa Sl 8. Uvećani segment sa Sl. 8
prikazan je na Sl. 9.
400
GPS- OFF
350
GPS- ON
GPS=INS
300
GPS=GPS
k
k
k
k-1
GPS = INS +estimacija(+)
k
250
k-1
GPS = INS +estimacija(-)
k
k-1
200
150
-7
x 10
100
9
50
8
0
-50
0
200
400
600
800
1000
1200
1400
t[s]
Sl. 7. Pređeni put vozila u pravcu geografske dužine
Da bi stekli utisak koja od aproksimacija daje najbolje
rezultate potražićemo relativnu grešku svakog pojedinačnog
slučaja i prikazacemo ga na Sl. 8. Relativnu grešku računamo
na sledeći način:
relativna greska GD
SGD[m]
k-1
GPSk=INSk-1+estimacija(-)
0.5
-100
-200
-50
GPS =INS +estimacija(+)
2
GPS =INS
k
k
GPSk=GPSk-1
GPSk=INSk-1+estimacija(+)
GPSk=INSk-1+estimacija(-)
7
6
5
4
3
2
1
0
650
700
750
800
850
900
950
1000
t[s]
relativna
greska 
INS k  INS kK
INS k
(17)
pri čemu su INSk podaci sa inercijalnog sistema, dok su
INS
K
k
podaci dobijeni korekcijom kao razlika podataka sa
INS-a i estimiranih grešaka Kalmanovog filtra (Sl. 1).
Sl. 9. Uvećani segment promene relativne greške geografske dužine sa
vremenom
Možemo primetiti sa Sl. 9 da je u intervalima u kojima
postoji signal GPS-a relativna greška približno ista, dok u
intervalima u kojima ne postoji signal GPS-a najmanju
relativnu grešku imamo za slučaj kada signal INS-a
proglasimo za signal GPS-a. Na osnovu sprovedene analize za
implementaciju na mikrokontroleru biramo prvi slučaj u kom
podatak sa INS-a proglašavamo za podatak GPS-a. Na Sl. 10
je prikazana relativna greška geografske dužine dobijena na
osnovu rezultata simulacije i implementacije na
mikrokontroleru. Možemo primetiti da je relativna greška
geografske dužine reda 10-6, a odstupanje rezultata dobijeno
simulacijom i implementacijom zanemarljivo.
LITERATURA
-6
[1]
x 10
6
GPS=INS
k
k
microcontroler - double
relativna greska GD
5
[2]
[3]
4
[4]
3
[5]
2
[6]
1
[7]
0
0
200
400
600
800
1000
1200
1400
[8]
t[s]
Sl. 10. Relativna greška geografske dužine na bazi simulacije i
implementacije na mikrokontroleru.
VII. ZAKLJUČAK
Polazeći od modela greške četvrtog reda, a za potrebe
integracije INS/GPS-a, implementiran je algoritam proširenog
Kalmanovog filtra. Ulazni podaci za Kalmanov filtar su
prikupljeni, na osnovu realne vožnje, kao razlika podataka sa
INS-a i GPS-a i to u onim trenucima u kojima treba da postoji
signal sa GPS-a. Od interesa je bilo razmotriti koju vrednost
GPS-a usvojiti u slučaju kada navedeni signal nije dostupan.
Kroz rezultate simulacije je prikazano da usled gubitka
signala GPS-a, od četiri karakteristična slučaja, najbolje
rezultate, u smislu najmanje relativne greške, dobijamo kada
podatak INS-a proglasimo za podatak GPS-a. Rezultati
simulacije su gotovo identični sa rezultatima dobijenim
implementacijom na “mbed” razvojnoj platformi zasnovanoj
na NXP LPC1768 ARM Cortex-M3 jezgru. Implementacija
algoritma na mikrokontroleru u potpunosti podržava rad sa
podacima u realnom vremenu i komunikaciju sa korisničkom
aplikacijom.
[9]
Cannon, M. E., Nayak, R., Lachapelle, G., Salychev, O. S., Voronov, V.
V. (2001): Low-Cost INS/GPS Integration: Concepts and Testing.
Journal of Navigation, Vol. 54, pp 119-134.
Farrell, J., Barth, A. M. (1999): The Global Positioning System &
Inertial Navigation. New York, McGraw-Hill.
Hide, C., Moore, T., Smith, M. (2003): Adaptive Kalman Filtering for
Low-Cost INS/GPS. Journal of Navigation, Vol. 56, 143-152.
Salychev, O. S. (2004): Applied Inertial Navigation Problems and
Solutions. Moscow, The Bauman Moscow State Technical University,
Stančić, R. Graovac S. (2009): One Approach to the Integration of Low
Cost Strap-Down Inertial Navigation System and GPS, 6T H IFAC INTL.
CONFERENCE WS DECOM-TT, Ohrid, Macedonia
Stančić R., Graovac, S. (2010): The Integration of Strap-Down INS and
GPS Based on Adaptive Error Damping”, Robotics and Autonomous
Systems, Volume 58, Issue 10, p. 1117-1129.
Titterton, D. H., Weston, J. L. (2004): Strapdown inertial navigation
technology. AIAA, Volume 207.
Wagner, J. F., Wieneke, T. (2003): Integrating satellite and inertial
navigation – conventional and new fusion approaches, Control
Engineering Practice,
Vol. 11, 543-550.
www.mbed.org
ABSTRACT
This paper presents an implementation of recursive Extended
Kalman filter (EKF) for the purposes of integration of navigational
and global positioning system (INS/GPS). Data regarding vehicle
position calculated using this way are sent via wireless link toward
the remote center for vehicle tracking. Integration of inertial sensors
with global positioning system is approach widely used in order of
increasing reliability and precision of navigation. Implementation of
Extended Kalman Filter (EKF) was performed on the “mbed”
development platform based on NXP LPC1768 ARM Cortex-M3
core. Entry data for Extended Kalman Filter were collected based on
the real drive and are presented with Decart coordinates. Software of
“mbed” microcontroller module allows collecting the data and
communication. For the purposes of communication with the
microcontroller, user application, for a personal computer, is
developed, and it communicates trough “USB Virtual Serial port”.
Microcontroller based integrated navigation system used
for vehicle tracking
B. Vukelić, R. Stančić and S. Graovac
RAZVOJ PROTOTIPA INTELIGENTNOG MERAČA PRITISKA SA ETHERNET
KOMUNIKACIJOM
Branko Vukelić, Miloš Frantlović, Marko Obradov, Univerzitet u Beogradu, Institut za hemiju, tehnologiju i
metalurgiju – Centar za mikroelektronske tehnlogije i monokristale, [email protected]
Sadržaj – U ovom radu je predstavljen razvoj prototipa
inteligentnog
merača
pritiska
sa
Ethernet
komunikacijom. Prototip je zasnovan na „mbed“
mikrokontrolerskom modulu i koncipiran je tako da
omogući što jednostavniji razvoj, testiranje, a takođe i
modifikaciju pojedinih sklopova. Softver prototipa
omogućuje merenje, obradu podataka, rad korisničkog
interfejsa i komunikaciju. Za potrebe komunikacije sa
meračem pritiska posredstvom Etherneta razvijena je
klijent aplikacija za personalni računar. Formiran je
poseban skup komandi i definisan je odgovarajući
format poruka za komunikaciju klijent-server.
1. UVOD
obuhvata i uređaje poput industrijskog transmitera. Neki
autori smatraju da su pojmovi "pametni senzor" i
"inteligentni senzor" sinonimi i da označavaju senzor
koji ima neke dodatne funkcije u vezi sa svojom
osnovnom funkcijom, tj. merenjem neke veličine [2].
Drugi autori "inteligencijom" senzora nazivaju
mogućnost donošenja odluka u zavisnosti od izmerene
vrednosti [3]. Kod industrijskih transmitera obično se
smatra da je pametni transmiter (smart transmitter) onaj
koji ima digitalnu obradu signala, dok signal ka
nadređenom sistemu ne mora biti digitalan. Inteligentni
transmiter je onaj koji ima digitalnu obradu signala i
dvosmernu digitalnu komunikaciju sa nadređenim
sistemom.
Najstarija
generacija
elektronskih
mernih
instrumenata mogla je da vrši samo analognu obradu
signala. Slično važi i za industrijske transmitere, s tim
što se transmiteri sa analognom obradom signala i danas
masovno proizvode. Karakterističan za tu tehnologiju je
način povezivanja industrijskih transmitera sa opremom
za nadzor i upravljanje, koji se zadržao kao industrijski
standard do danas. Koristi se dvožični kabl za prenos
analognog strujnog signala (od 4 mA do 20 mA) koji je
proporcionalan merenoj vrednosti. Taj signal
istovremeno služi i za napajanje transmitera.
Digitalna obrada signala i dvosmerna digitalna
komunikacija, uključujući i umrežavanje, od suštinskog
su značaja jer stvaraju mnoštvo novih mogućnosti u
mnogim aspektima upotrebe senzora i mernih
instrumenata. Neke od njih su: bolje merne
performanse, promena mernog opsega bez potrebe za
kalibracijom, samodijagnostika, merenje više fizičkih
veličina jednim instrumentom, daljinsko upravljanje i
podešavanje, prenos signala bez degradacije,
sinhronizacija mernog sistema, obrada i skladištenje
podataka.
Brz razvoj digitalne elektronike i pojava
pristupačnih
mikroprocesora
i
mikrokontrolera
osamdesetih godina dvadesetog veka omogućili su
nastanak digitalnih mernih instrumenata, uključujući i
industrijske transmitere. Kondicionirani signal sa
senzorskog elementa dovodi se na ulaz A/D konvertora.
Digitalni podaci sa izlaza A/D konvertora obrađuju se
pomoću mikroprocesora (ili mikrokontrolera) koji
izvršava odgovarajući program (firmware). Digitalna
obrada signala se kod instrumenata za merenje
neelektričnih veličina najčešće koristi za korekciju
nesavršenosti senzora. U poređenju sa analognom
obradom signala, ona daje mnogo veće mogućnosti i
bolje performanse, ali uz značajno veću složenost
uređaja.
Ethernet je danas vodeća tehnologija računarskih
mreža, prisutna u skoro svakom radnom, kao i u
kućnom okruženju. Globalna povezanost (Internet) i
rasprostranjenost, fleksibilnost, kao i pristupačnost
opreme, čine ovu tehnologiju podesnom i za primene
koje nisu striktno računarske i koje ranije nisu
razmatrane. Mnogi savremeni merni instrumenti
opremljeni su mrežnim adapterom i odgovarajućim
softverom. Iako mnogo sporije nego u drugim tehničkim
sistemima, računarske mreže se danas uvode u
industrijska postrojenja, sa tendencijom da u budućnosti
postepeno zamene industrijske interfejse koji su sada u
upotrebi.
Tokom prethodne dve decenije su se u stručnoj
literaturi i na tržištu sve češće mogli sresti izrazi smart
sensor (pametni senzor), intelligent instrumentation
(inteligentni instrumenti) i sl. I pored očigledne potrebe
da se međunarodnom nivou formulišu definicije tih
pojmova, to do danas, bar po saznanju autora, nije
učinjeno. Prema aktuelnoj terminologiji, pojam
"senzorski element" se odnosi na onaj element mernog
sistema koji je pod direktnim uticajem pojave, tela ili
supstance koja prenosi merenu veličinu [1]. Savremeno
značenje pojma "senzor" je daleko šire, tako da
U Centru za mikroelektronske tehnologije i
monokristale Instituta za hemiju, tehnologiju i
metalurgiju (IHTM–CMTM) vrše se istraživanja, razvoj
i proizvodnja MEMS senzora pritiska i drugih veličina,
industrijskih transmitera i drugih mernih instrumenata.
U ovom radu prikazan je prototip inteligentnog merača
pritiska sa Ethernet komunikacijom, zasnovanog na
mikrokontrolerskom modulu NXP embed, sa MEMS
senzorom pritiska proizvedenim u IHTM–CMTM.
Prototip obuhvata hardver, softver za mikrokontroler i
klijentsku aplikaciju za personalni računar.
MO3.7-1-4
2. INTELIGENTNI MERAČ PRITISKA
Blok šema prototipa inteligentnog merača pritiska sa
Ethernet komunikacijom prikazana je na Sl. 1, dok je na
Sl. 2 prikazan izgled prototipa inteligentnog merača
pritiska. Prototip se sastoji iz tri modula. Akvizicioni
modul (Sl. 2, levo) sadrži ulazno kolo senzora pritiska,
A/D konvertor, a takođe i eksternu EEPROM memoriju
i elemente kotisničkog interfejsa (cifarski LCD displej i
tri tastera). Mikrokontrolerski modul (Sl. 2, u sredini)
NXP „mbed“ razvojna ploča sa ARM Cortex-M3
mikrokontrolerom LPC1768. Mrežni modul (Sl. 2,
desno) se sastoji od Ethernet priključka sa ugrađenim
transformatorom i pripadajućih pasivnih komponenti.
se vrši konstantnom strujom I0 iz namenski
konstruisanog laboratorijskog instrumenta, pomoću
kojeg se u isto vreme mere naponi Vbr, Vout, Vref na
izvodima senzora pritiska kao i temperatura T.
Senzorski element je pasivna električna mreža koja se
sastoji od četiri otpornika vezana u Vitsonov most, tako
da su naponi Vbr, Vout, Vref proporcionalni jačini struje
pobude I0.
Nakon postavljanja senzora pritiska i temperaturske
sonde u temperatursku komoru, eksperiment počinje
postavljanjem početne temperature T i pokretanjem
upravljačkog softvera na personalnom računaru.
Temperatura T se menja u opsegu od +70°C do -20°C sa
korakom od 10°C. Kada se postigne termička ravnoteža
na zadatoj temperaturi, kalibratorom pritiska se zadaje
niz vrednosti pritiska sa korakom od jednog desetog
dela nominalnog opsega senzora. Pritisak se zadaje u
rastućem, a zatim u opadajućem smeru, radi provere
postojanja histerezisa.
Slika 1. Blok šema inteligentnog merača pritiska sa
Ethernet komunikacijom
Slika 3. Blok blok šema aparature za ispitivanje senzora
pritiska.
Slika 2. Fotografija prototipa inteligentnog merača
pritiska sa Ethernet komunikacijom
Radi postizanja što boljih mernih performansi,
neophodno je izvršiti korekciju glavnih nesavršenosti
senzora pritiska, a to su ofset, nelinearnost i osetljivost
na temperaturu kao parazitnu veličinu. Korekcija se
postiže
upotrebom
mikrokontrolera,
primenom
matematičkog modela i računarakog algoritma.
3. FORMIRANJE MATEMATIČKOG MODELA
Na Sl. 3 je prikazana blok šema aparature za
ispitivanje senzora pritiska. Senzor pritiska se zajedno
sa sondom senzora temperature postavlja u
temperaturnu komoru. Ova sonda se nalazi na metalnom
telu senzora pritiska kako bi se utvrdilo da li je senzor
pritiska na onoj temperaturi koja je zadata
temperaturskom komorom. Posebnim sistemom cevi
pritisak se iz boce sa azotom vodi na kalibrator pritiska,
uređaj koji sa velikom tačnošću može da zadaje i
održava željenu vrednost pritiska. Pobuđivanje senzora
Za svaki par zadate temperature i pritiska (Tx,Py),
meri se napon na izlazu senzora Vout, kao i napon na
ulaznim krajevima senzora pritiska Vbr i napon na
otporniku visoke tačnosti Vref [4]. Sve vrednosti se
snimaju i unose u tabelu. Naponi Vbr, Vout, Vref su
proporcionalni jačini struje I0, tako da važe jednačine:
Vout=I0Rout=VrefRout/Rref
(1)
Vbr=I0Rbr=VrefRbr/Rref
(2)
Zavisnost Vout od P je mnogo veća nego od T, dok je
zavisnost Vbr od T mnogo veća nego od P [4, 5].
Otpornosti Rout i Rbr su funkcije pritiska i temperature:
Rout(t)=fout(P(t),T(t))
(3)
Rbr(t)=fbr(P(t),T(t)).
(4)
Pošto se ovde govori o realizaciji mernog instrumenta,
cilj je da se za svaki par vrednosti Rout i Rbr dobijen
merenjem izračuna odgovarajuća vrednost pritiska P. Iz
tog razloga, matematički model senzora pritiska definiše
se kao funkcija:
p=g(Rout, Rbr),
(5)
tako da je to kalibraciona funkcija instrumenta.
Utvrđeno je da je dobra aproksimacija ove funkcije
polinom četvrtog stepena po obe promenljive, Rout i Rbr.
Koeficijenti tog polinoma određuju se na osnovu
eksperimentalnih rezultata za dati senzor, primenom
metode najmanjih kvadrata [4]
.
4. SOFTVER
Korekcija nesavršenosti senzora pritiska vrši se
softverski, primenom matematičkog modela i
određivanjem njegovih parametara za dati senzor, tj.
koeficijenata polinoma aij, i, j  {0,1,2,3,4}. To se
obavlja za svaki senzor, primenom namenski napisanog
softvera za personalni računar, koji takođe računa
relativnu grešku merenja sa i bez temperaturske
kompenzacije i linearizacije i grafički prikazuje
rezultate [4]. Tokom rada instrumenta, njegov
mikrokontroler računa vrednost pritiska u realnom
vremenu, zamenom izmerenih vrednosti Rout i Rbr u
kalibracionu funkciju p(Rout, Rbr), čiji su parametri aij.
Osim korekcije nesavršenosti pritiska potrebno je uvesti
i korekciju koja se odnosi na instrument u celini, zbog
toga što tolerancija pojednih komponenti elektronskog
sklopa nije zanemarljiva. Zavisnost indikacije
instrumenta od zadatog pritiska predstavlja se linearnom
funkcijom. Parametri te linearne funkcije odredjuju su
na osnovu indikacije pri zadatoj minimalnoj i
maksimalnoj vrednosti pritiska.
Pkorigovano=kpkalibratora(Rout , Rbr)+n
(6)
U Tab. 1 Prikazani su eksperimentalni rezultati
merenja za senzor pritiska SP-9 (serijski broj 196).
Tabela 1. Rezultati merenja pritiska
Pkal[bar]
Pkom[bar]
0
2
4
6
8
10
0.0005 2.0013 4.0015 6.0018 8.0013 10.0001
Ovde je Pkal pritisak zadat kalibratorom, dok je sa Pkom
predstavljena vrednost pritiska u slučaju kada postoji
linearizacija i temperaturska kompenzacija. Relativna
greška pune skale u zavisnosti od Rout i Rbr je definisana
na sledeći način:
ΔPi[%FS]=(p(Rout i, Rbr i)-Pi)/max(P)100
(7)
Ovde je sa i označen redni broj opservacije a sa max(P)
maksimalna vrednost pritiska iz zadatog opsega, koja je
jednaka nominalnoj vrednosti pritiska za dati senzor. Na
Sl. 4 i 5 prikazana je zavisnost relativne greške merenja
od Rout i Rbr kada nema linearizacije i temperaturske
kompenzacije i kada se vrši korekcija opisanom
metodom, respektivno.
U prvom slučaju relativna greška ΔPi[%FS] iznosi
2.084432%FS, dok je u drugom slučaju 0.024849%FS.
To znači da je primenom opisane metode korekcije za
dati senzor (SP-9, ser. broj 196) dobijena oko osamdeset
puta manja relativna greška.
Slika 4. Zavisnost relativne greške merenja od Rout i Rbr
u slučaju kada nema linearizacije i temperaturske
kompenzacije
Slika 5. Zavisnost relativne greške merenja od Rout i Rbr
kada se vrši linearizacija i temperaturska kompenzacija
opisanom metodom
Za potrebe komunikacije napravljena je korisnička
aplikacija za personalni računar koja putem Etherneta
komunicira sa meračem pritiska [6]. Iskorišćen je
lwipTCP/IP stek na strani mikrokontrolera [7]. Na Sl. 6
predstavljen je izgled korisničke aplikacije. Pomoću nje
korisnik očitava vrednost pritiska P kao i vrednosti
otpornosti Rout i Rbr. Osim toga, aplikacija omogućuje
podešavanje mernog opsega, otklanjanje ofseta,
kalibraciju, kao i upis i čitanje parametara koji se nalaze
u mikrokontroleru ili eksternoj EEPROM memoriji.
U komunikaciji između mikrokontrolera (servera) i
korisničke aplikacije na personalnom računaru (klijenta)
bilo je potrebno osmisliti odgovarajući format poruke.
Na Sl. 7 predstavljen je format poruke u komunikaciji
klijent–server.
Poruka se sastoji od ukupno sedam polja. Prvo polje
označava početak poruke, ima fiksnu vrednost (0xCC) i
dužine je jednog bajta. Drugo polje služi za
identifikaciju formata poruke, dužine je jednog bajta i u
ovom slučaju ima fiksnu vrednost (0xFF). Polje DATA
LENGTH je dužine dva bajta i sadrži ukupan broj
bajtova poruke. OP CODE je dužine jednog bajta i
predstavlja komandu serveru. Polje DATA je rezervisano
za podatke. Njegova dužina zavisi od količine podataka
koja se šalje ili prima. Polje CHKSUM služi za proveru
ispravnosti poruke i dužine je 2 bajta. Na Sl. 8 prikazana
su polja za koja se računa Cheksum. Poslednje polje
označava kraj poruke, fiksne je vrednosti (0xDD) i
veličine je jednog bajta.
Predstavljeni prototip inteligentnog merača pritiska
prvi je korak u razvoju nove generacije IHTM–CMTM
mernih instrumenata visokih mernih performansi,
namenjenih ne samo laboratorijskim, već i za zahtevnim
industrijskim primenama.
Ovaj rad je rezultat projekta TR–32008 koji
finansira Ministarstvo za prosvetu i nauku Republike
Srbije.
LITERATURA
[1] "International vocabulary of metrology – Basic
and general concepts and associated terms" (VIM),
Working Group 2 of the Joint Committee for
Guides in Metrology, 2008.
[2] S. Y. Yurish, „Sensors: Smart vs. Intelligent“,
Sensors & Transducers Journal, Vol.114, Issue 3,
pp. I-VI, 2010
[3] K. Holmberg, A. Adgar, A. Arnaiz, E. Jantunen, J
Mascolo, A. Arnaiz, S. Mekid, E–Maintenance,
London: Springer-Verlag Limited, 2010.
[4] M. Frantlović, "Platforma za razvoj inteligentnih
industrijskih mernih instrumenata sa MEMS
senzorima pritiska", Magistarski rad, Univerzitet u
Beogradu, Elektrotehnički fakultet, 2010.
Slika 6. Izgled korisničke aplikacije
[5] M. Frantlović, V. Jovanović, B. Miljković,
„Inteligentni industrijski transmiteri pritiska i
drugih procesnih veličina“, TELFOR (XVI),2527.11., Beograd, str. 7. 14-1-4, 2008
Slika 7. Format poruke u komunikaciji klijent–server
[6] V. Drndarević, Akvizicija mernih podataka
pomoću personalnog računara, Beograd: Institut
za nuklearne nauke „Vinča“, 1999.
[7] A. Dunkels, „Design and implementation of the
lwIP TCP/IP Stack“, Swedish Institute of
Computer Science, 2001
Slika 8. Polja na koja se odnosi računanje Cheksum-a
5. ZAKLJUČAK
U ovom radu prikazan je razvoj prototipa
inteligentnog merača pritiska, kao i softverske aplikacije
za personalni računar koja omogućuje komunikaciju sa
prototipom posredstvom računarske mreže. I prototip i
softver su realizovani u Centru za mikroelektronske
tehnologije i monokristale Instituta za hemiju,
tehnologiju i metalurgiju. Primenom prototipa
postignute su dobre merne performanse (greška merenja
u granicama ± 0.05%FS), a takođe i pouzdana
komunikacija sa računarom. Za razliku od drugih
merača pritiska, koji komuniciraju posredstvom
specifičnih industrijskih interfejsa i danas su
rasprostranjeni na tržištu, prikazani prototip koristi
prednosti Ethernet-a, a to su, pre svega, velika brzina
prenosa podataka i mogućnost povezivanja na globalnu
mrežu (Internet).
Abstract – In this paper we present the development of
an intelligent pressure gauge prototype with Ethernet
communication. It is based on the "mbed"
microcontroller module and designed so to facilitate
improvements, modifications and testing of individual
subsystems. The prototype software performs signal
acquisition, data processing and communication, also
enabling the user interface functionality. A client
application, including a unique command set and a
message format, is made for the communication over an
Ethernet-based computer network between the prototype
and a PC.
THE DEVELOPMENT OF AN INTELLIGENT
PRESSURE GAUGE PROTOTYPE WITH
ETHERNET COMMUNICATION
Branko Vukelić, Miloš Frantlović, Marko Obradov
1st Conference of the Serbian Ceramic Society (1CSCS-2011)
th
th
March 17 – 18 , 2011, Belgrade, Serbia
Attachment of piezoresistive silicon pressure sensor dies
using low melting point glass
Milan Matić, Vesna Jović, Branko Vukelić, Marko Starčević, Milče Smiljanić, Jelena Lamovec, Miloš Vorkapić
Institute of chemistry, technology and metallurgy - Center for microelectronic technologies and single crystals (IChTM-CMTM),
Njegoševa, 11000 Belgrade, Serbia
This work was performed in the frame of the project “ Micro- Nanosystems and Sensors for Electric Power and Process Industry and Environmental Protection” supported by grants
from the Ministry of Science and Technological Development of the Republic of Serbia, Grant No. TR 32008.
2
2.
1
Comparision of important properties of two adhesives used for packaging dies (LTM
glass and aluminum filled epoxy), Si and pyrex glass
3.
3
Material
-6
-6
-6
7.7·10
149
1.35
0.327
Dielectric constant
11.8
4.6 (1 MHz, 25 °C)
6.2 (23 C)
o
7.8 (90 C)
-
6.1 (250 C),
o
4.6 (300 C)
(25 - 150 °C)
smaller than
glass
71
(1 MHz, 25 °C)
o
o
o
T>120 C, SOI
wafers
DM2700P/H8
48, „DIEMAT”,
USA
-6
48·10
(0-80°C)
(0 - 300 °C)
Thermal Conductivity
-1
at 300 K, W·(m·K)
Max. working
temperature
glass beads on TO electronic housing (header)
3.25·10
o
3.2⋅10 ,127 C
Volume resistivity,
Ω·cm
glass functionally compatible with Si
Scotch Weld
2214 Hi-Temp”,
3M Co.”
-6
o
2.4⋅10 , 7 C,
Coefficient of Thermal
-1
Expansion, (CTE), °C
4
Pyrex® # 7740
from Corning
Si
Property
o
9.4·1014 (23 C)
o
o
821 C (soft. temp.)
> 109
o
120 C
275 to 285 C
(soft. temp.)
bonding agent (adhesive) under investigation
Transistor Outline (TO) header
piezoresistive pressure sensor chip anodically bonded with glass wafer
1
2
3
4
Au wires – electrical connections
Wheaston bridge configuration of piezoresistors for pressure
sensors
.
Sketch and picture of relative pressure sensor chip mounted on TO
0
serial1
‐5
serial 2
‐10
offset, [mV]
serial4
‐20
serial6
‐30
1
Rp
- OUT
R3kr
R3
R4
- OUT*
4
3
R3kp
2
Static pressure, bar
Serial
no. 1
Serial
no. 2
Serial
no. 3
Serial
no. 4
Serial
no. 5
Serial
no. 6
Serial
no. 7
Serial
no. 8
0
20
40
60
80
100
-11.7
-12.4
-13.2
-14.2
-15.0
-15.8
-13.7
-13.9
-14.3
-15.2
-16.6
-17.6
-10.7
-11.6
-12.4
-13.2
-14.1
-14.7
-31.9
-32.2
-32.6
-33.3
-34.2
-35.1
-18.1
-18.4
-19.4
-20.4
-21.4
-22.4
-4.6
-4.8
-5.7
-6.8
-8.1
-9.2
-6.1
-7.0
-6.8
-8.6
-9.4
-10.1
-13.0
-13.2
-14.4
-15.4
-16.3
-17.1
∆, mV
-4.13
-3.9
-4.0
-3.2
-4.32
-4.6
-4.0
-4.0
serial7
‐35
serial8
‐40
0
20
40
60
80
static pressure, [bar]
100
120
Offset is diffined as the sensor output at a constant specified temperature with
zero pressure applied.
∆ is difference between offsets at the highest and smallest applied static
pressures.
For sensors attached with LTM glass ∆ is almost the same for all assembled
pressure sensors, which points towards lack of internal stresses in sensor
chips introduced during course of attachment.
Offset change with temperature for chips attached to Span change with temperature for chips attached to
package with with LTM glasses
package with with LTM glasses
140
140
120
120
100
100
80
serial1
60
serial 2
span, [mV]
offset, [mV]
R2kr
R2
serial5
‐25
serial3
40
0
20
40
o
temperature, [ C]
60
Values of Rkp, in kΩ, resistors for offset temperature compensation for
pressure sensors with different operating ranges. Chips are attached to
package with two different adhesives.
LTM glass attachment
Scotch weld attachment
serial1
serial 2
80
serial3
0–250 mbar
0-100 mbar
0-30 mbar
0-30 mbar
5.22
7.19
28.45
7.15
5.17
6.34
5.70
6.71
4.71
3.34
2.68
- 1.67
- 1.26
- 2.08
- 10.01
- 0.50
60
40
‐20
‐20
0
20
40
temperature, [oC]
Offset and span change with temperature for pressure sensor chips for measurement
range (0-250 mbar) attached to package with LTM glass
ƒ
R1
Dependance of offset (in mV) on applied static pressure (in bar) for chips attached to package with
LTM (Low Temperature Melting) glass paste
serial3
‐15
R2kp
The bridge is operated under constant current mode (2.5 mA).
R1 to R4 are piezoresistors formed by bor diffusion in {100} oriented
+ OUT
silicon.
Rp is resistor for temperature compensation of span.
R2kr and R3kr are resistors in series for offset nullification.
R3kp and R2kp are resistors for offset temperature compensation.
- IN
Rp is resistor for span temperature compensation.
Dependance of offset on applied static pressure for
chips attached to package with LTM glass
ƒ
ƒ
ƒ
ƒ
+ IN
glass tube
header housing. Photographs of Si sensor chip from the front side
and back side (i.e. membrane side on which pressure is applied)
ƒ
5
R
electrical pin connectors on TO header
60
Attachment of pressure sensor chips to housing with LTM glass paste (DM 2700P/H484) is superior to attachment with epoxy filled paste (Scotch weld 2214 HiTemp) in following:
Minimization of stresses caused by the disagreements of CTE between sensor and housing materials and packaging adhesive.
Minimization of stresses introduced during applying external loads in the process of measuring pressure.
Compensations of offsets are much more stable.
Regarding the measurements, the sensors installed with filled epoxy paste, resistor for compensation of temperature setoff change had, in all cases, imaginary
values, which mean that linear temperature compensation, of sensors installed this way, would be impossible. In the sensors installed with LTM glass paste, all
results, without exception, were in its common limits (values), which give the possibility of passive compensation.
LTM glass attachment can broaden temperature operating range of pressure sensors towards higher values, up to 350 oC.
Novi tehnološki postupak:
Primena tehnike maskless nagrizanja u vodenom rastvoru TMAH u realizaciji
SOI SP-11 i usavršavanju SP-9 i SP-12 senzora pritisaka
Rukovodilac projekta: D. Vasiljević-Radović
Odgovorno lice: M. M. Smiljanić
Аutori: M. M. Smiljanić, Ž. Lazić, V. Jović, K. Radulović, B. Vukelić, B. Popović,
D. Vasiljević-Radović
Razvijeno: u okviru projekta tehnološkog razvoja TR32008
Godina: 2012
Primena: 01.05.2012.
Kratak opis
Primena tehnike maskless nagrizanja u vodenom rastvoru TMAH je novi tehnološki postupak
u realizaciji različitih senzora pritiska. Tehnika maskless nagrizanja omogućava dobijanje
trodimenzionalnih silicijumskih struktura na više nivoa koji su na različitim dubinama.
Osnova maskless tehnike su dve termičke oksidacije koje formiraju silicijum diokside znatno
različitih debljina i dva fotolitografska postupka. Glavni princip maskless tehnike je da se
posle prvog dela nagrizanja do određene dubine skida drugi tanki silicijum dioksid, a
zatim se nastavlja drugi deo nagrizanja do formiranja željene strukture.
Теhničke karakteristike: Nagrizanje u vodenom rastvoru TMAH tež. 25% na 80°C ili 60°C;
primena dve termičke oksidacije.
Теhničke mogućnosti: Razne silicijumske trodimenzionalne strukture kod kojih je potrebno
ostvariti nivoe na različitim dubinama. Primena u izradi MEMS senzora (npr. senzor pritiska,
senzor ubrzanja, žiroskop...)
Realizatori: IHTM-CMTM
Korisnici: IHTM-CMTM za potrebe istraživanja novih senzora pritiska i usavršavanja
postojećih senzora pritiska.
Podtip rešenja:
Novi tehnološki postupak (М 83)
Opis (detaljan)
Maskless tehnika je specijalan tehnološki postupak zasnovan na vlažnom anizotropnom
hemijskom nagrizanju (100) silicijuma u vodenom rastvoru TMAH koncentracije 25 tež. % na 80
0
C ili 60°C. Maskless tehnika se može podeliti u dva dela. Kao i kod standardnog nagrizanja,
tehnološki proces počinje nanošenjem maskirajućeg materijala. Zatim se nanosi fotorezist na koga
se prenosi lik sa maske i odstranjuje maskirajući materijal da bi se dobio lik na silicijumu, Slika 1a).
Sledeći postupak je ponovno nanošenje maskirajućeg materijala, Slika 1b). Drugi maskirajući materijal
(100)
(100)
I SiO2
Si
Si
a)
drugi maskirajući materijal - Si3 N4 ili tanki SiO2
drugi maskirajući materijal - Si3 N4 ili tanki SiO2
Si
Si
b)
I SiO2
II SiO2
W
Si
Si
c)
Si3N4 ili tanki SiO2
SiO2 veće debljine
(100)
{111}
SiO2 veće debljine
Si3N4 ili tanki SiO2
{111}
(100)
h1
h1
{111}
Si
Si
d)
(100)
stepenik
SiO2 veće debljine
(100) I SiO2
{111}
(100)
{111}
konveksan
ugao
h1
Si
Si
e)
I SiO2
{311}
{211}
(100)
{311} (100)
{111}
{211}
(100)
{111}
{111}
Si
Si
f)
I SiO2
{311}
{111}
h2
h3
(100)
{211}
35.50 54.70
Si
(100)
{311}
{111}
(100)
ojačanje
Si
g)
I SiO2
ram
{311}
{111}
(100)
{111}
(100)
h1 +h2
Si
(100)
neojačana dijafragma
54.70
Si
h)
KOH
Slika 1. – Maskless vlažno anizotropno hemijsko nagrizanje u vodenom rastvoru TMAH (poprečni
presek u <110> pravcu): a) Prvi fotolitografski postupak na prvom termičkom silicijum dioksidu. b)
Druga termička oksidacija. c) Drugi fotolitografski postupak na drugom termičkom dioksidu. d) Vlažno
anizotropno hemijsko nagrizanje. e) Skidanje drugog termičkog oksida. f) Prva faza maskless vlažnog
anizotropnog hemijskog nagrizanja. g) Druga faza maskless nagrizanja. h) Treća faza maskless
nagrizanja.
može biti različit od prvog, pri čemu je uslov da se ne odstranjuje istim sredstvom kao prvi
materijal, ili može biti isti materijal, ali znatno različite debljine. Kao maskirajući materijali se
koristi silicijum dioksid i silicijum nitrid. U ovom tehničkom rešenju se kao prvi maskirajući
materijal koristi termički silicijum dioksid veće debljine (oko 1µm), a kao drugi tanji termički
silicijum dioksid (oko 0.5 µm). Odstranjivanje maskirajućeg materijala je vremenski određeno
brzinom nagrizanja silicijum dioksida u BHF rastvoru (0.08 µm/min). Drugim fotolitografskim
postupkom se nanosi fotorezist na koga se prenosi lik sa druge maske i odstranjuje drugi silicijum
dioksid da bi se dobio lik na silicijumu, Slika 1c). Sledeći postupak je vlažno hemijsko nagrizanje,
Slika 1d). Glavni princip maskless tehnike je da se posle prvog dela nagrizanja do određene
dubine h1 , skida drugi maskirajući materijal, Slika 1e), a zatim se nastavlja drugi deo
nagrizanja do formiranja željene strukture, odnosno dubine h2 . Drugi deo nagrizanja se naziva
maskless nagrizanje, Slika 1f),g),h).
Na Slici 1. su šematski prikazane dve primene maskless tehnike. Prvi slučaj je slučaj nagrizanja
silicijum dioksida u obliku ostrva (tzv. bosa tj. središnjeg ojačanja dijafragme senzora pritiska). Drugi
slučaj je slučaj nagrizanja silicijum dioksida u obliku stepenika širine W. U oba slučaja, u trenutku kad
se skine drugi termički oksid, konveksan ugao koji je određen presekom ravni (100) i {111} više nije
zaštićen, Slika 1e), i njega napadaju brze ravni koje se javljaju pri maskless nagrizanju. Na preseku
ravni (100) i {111} razvijaju se ravni {311} i {211}, Slika 1f). Trenutak, kad nestane ravan {111}, i
stepenik i bos su određeni samo sa ravnima {311} i {211}, mora biti trenutak kada je završeno
maskless nagrizanje Slika 1g). Da bi se to dogodilo potrebno je da bude ispunjen uslov koji je
eksperimentalno dobijen:
h2 = 0.24h1 .
(1)
U slučaju da se dalje nastavi nagrizanje, pojavljuju se neželjene površine na dnu nagrizane silicijumske
strukture koje se ne mogu kontrolisati (plavo, Slika 1h)), dimenzije bosa se smanjuju i gubi mu se
pravilan oblik određen ravnima (100), {311}-{211} i {111}. Takodje, stepenik određen ravnima
{311}-{211}vremenom može u potpunosti nestati.
Primena
Tehnika maskless nagrizanja u vodenom rastvoru TMAH se u IHTM-CMTM koristi za
dobijanje novog prototipa senzora za niže pritiske SOI (Silicon-On-Insulator) SP-11 koji ima
profilisanu dijafragmu sa središnjim ojačanjem-bosom koji je određen {311}-{211} ravnima i koja
predstavlja strukuturu na dva nivoa, Slika 2a). Kao i njegovi IHTM-CMTM visokotemperaturni
prethodnici, on je napravljen od SOI pločica, ali je primenjena maskless tehnika koja se bazira na
vlažnom hemijskom nagrizanju u vodenom rastvoru TMAH koncentracije 25 tež. %. U IHTM-CMTM
je razvijena ova tehnika da bi se dobili profilisana dijafragma sa bosom oblika pravilne zarubljene
piramide i piezootpornici ponovljivih dimenzija. Profilisana dijafragma sa bosom oblika pravilne
zarubljene piramide omogućava dobru linearnost odziva senzora niskih pritisaka i dobija se maskless
nagrizanjem u vodenom rastvoru TMAH koncentracije 25 tež. % na 80 0C. Bolja kontrola dimenzija
piezootpornika se postiže maskless nagrizanjem aktivnog sloja SOI pločice u vodenom rastvoru TMAH
koncentracije 25 tež. % na 60 0C. Niža temperatura smanjuje brzinu nagrizanja pa je lakše vremenski
kontrolisati realizaciju tankih silicijumskih struktura (ispod 5 µm) kao što su piezootpornici.
Princip maskless nagrizanja je da se posle nagrizanja do određene dubine (u ovom slučaju
337 µm), skida silicijum dioksid samo sa površine bosa a zatim se nastavlja nagrizanje do formiranja
dijafragme tražene debljine (≈35 µm). Ovim tehnološkim procesom se dobija bos koji ima oblik
zarubljene piramide čije su strane određene {311}-{211} ravnima, Slika 2b), i koji je niži od rama za
dubinu nastavljenog nagrizanja (90 µm). Nivo bosa je niži od rama što nije slučaj kod bosa koji je
određen {111} ravnima. Ova osobina rešava veliki problem elektrostatičkog spajanja bosa i Pyrex
stakla pri anodnom bondovanju koji postoji kod bosa koji je određen {111} ravnima.
Dubina prvog dela nagrizanja aktivnog sloja SOI pločice (debljine 5.55 μm) da bi se
realizovali piezootpornici je 1 μm, a drugog dela 4.55 μm. Nagrizanje jako dopiranog aktivnog sloja
se vrši na 60 0С, jer je tada brzina nagrizanja silicijuma skoro 3.5 manja od brzine nagrizanja na 80 0С
i iznosi 0.13 μm/min. Ram u aktivnom sloju je visine 5.55 μm jer sečuna
ra od ugrađenog silicijum
dioksida SOI pločice, a piezootpornici su visine tj. debljine okoμm,
1 Slika
2. Uz pomoć maskless
tehnike realizovane su silicijumske strukture na dva nivoa u aktivnom sloju koje će u budućnosti dati
mogućnost senzoru SOI SP-11 da ima i neke dodatne funkcije, kao što je na primer zaštita od
prepterećenja sa gornje strane. Zaštita od preopterećenja sa gornje strane bi se izvršila anodnim
bondovanjem drugog Pyrex stakla na ramove od aktivnog sloja SOI pločice, Slika 2a).
Pyrex staklo
ram
p-tipa
pasivizirajući SiO2
Al
profilisana dijafragma
termički SiO2
ugrađeni SiO2
pie zootpornik p-tipa Si supstrat
bos
n-tip
profilisana
dijafragma
termički SiO2
ram
sa bosom
dijafragme
Pyrex staklo
a)
pie zootpornici
bos
Al
ram od aktivnog sloja
ram dijafragme
b)
Slika 2. – a) Šematski prikaz poprečnog preseka IHTM-CMTM senzora SOI SP-11 sa bosom i
piezootpornicima koji su određeni {311}-{211} ravnima. Ram je definisan {111} ravnima. Senzor je
struktura na dva nivoa dobijena maskless tehnikom i to sa obe strane. b) Fotografija gornje i donje
strane IHTM-CMTM senzora SOI SP-11. Na gornjoj strani su piezootpornici i ram od aktivnog sloja
SOI pločice. Na donjoj strani su bos (središnje ojačanje dijafragme) i ram senzora za koga se anodno
bonduje Pyrex staklo.
Druga primena maskless tehnike je usavršavanje standardnih IHTM-CMTM senzora SP-9 i
SP-12 koji imaju ravnu dijafragmu i služe za merenje viših pritisaka. Standardni IHTM-CMTM SP-9 i
SP-12 silicijumski piezootporni senzori pritiska se ugrađuju na najkritičnijim mestima u industrijskim
postrojenjima, termoelektranama, postrojenjima za transport gasa i nafte, itd. U svim ovim
postrojenjima dolazi do oscilacija, udara, rezonantnih pojava, koji ne mogu da se predvide, a mogu da
dovedu do pucanja dijafragme i nepopravljivog oštećenja samog senzora pritiska. Najoptimalnija
zaštita za senzore pritiska je ona koja se radi u okviru MEMS tehnologije. Oštre ivice na prelazu
kvadratne dijafragme u ram, Slika 1h), Slika 3a), uzrokuju da pritisak na kojoj dijafragma puca ima
nisku vrednost. Da bi se povećala vrednost pritiska pucanja izrađuje se profilisana dijafragma tj.
dijafragma sa ojačanjem na oštrim ivicama. Profilisanje dijafragme može se ostvariti primenom
maskless tehnike u vodenom rastvoru TMAH, odnosno definisanjem novih ravni vlažnim hemijskim
anizotropnim nagrizanjem Slika 1g), Slika 3b), koje zaklapaju manji ugao sa ravni (100).
Oblik ojačanja zavisi od širine stepenika. Dubina prvog dela nagrizanja h1 Si pločice u
vodenom rastvoru TMAH koncentracije 25 tež. % na temperaturi od 80 0С je 286 μm, a drugog dela h2
je 69 μm. Ostvarena je projektovana debljina dijafragme od 30 μm. Povr
šina neojačane dijafragme je
2040 μm x 2040 μm. Granična vrednost širine stepenika W, Slika 1c), da bi nestala ravan (100) (koja
postoji na Slici 1f)) i da bi ojačanje bilo određeno samo ravnima {311} i {211}, Slika 1g) je:
W g = 0.54(h1 + h2 ) = 192 µm
(2)
Za projektovane širine stepenika W od 100 μm i 50 μm na drugoj maski, dobijene suširine oja čanja 90
μm i 40 μm, redom. Razlika između projektovane i dobijene širine je posledica male ali konačne brzine
nagrizanja ravni {111} koja se ne može zanemariti. Visine ojačanja u odnosu na dijafragnu su 124 μm i
51 μm za širine ojačanja 90 μm i 40 μm, redom.
Nominalni radni opseg pritiska za neojačanu dijafragmu izabrane debljineμm
30 je 1 bar.
Izmerene vrednosti pritiska pucanja za dijafragmu bez ojačanja, dijafragmu sa ojačanjem širine 90 μm i
dijafragmu sa ojačanjem širine 40μm su 12 bar, 21 bar i 30 bar, redom. Eksperiment pokazuje da je
ojačanje povećalo pritisak na kojem puca dijafragma 1.8 puta za dijafragmu sa ojačanjem širine 90μm,
odnosno 2.5 puta za dijafragmu sa ojačanjem širine 40 μm.
a)
ojačanje
b)
Slika 3. – Fotografije ojačane i neojačane dijafragme debljine 30 μm. a) Neojačana dijafragma. b)
Ojačana dijafragma. Trenutak kad nestane ravan {111} i ojačanje je određeno samo sa ravnima {311}
i {211} mora biti trenutak kada je završeno maskless nagrizanje.
Problem koji se rešava ovim tehničkim rešenjem
Uz pomoć SOI pločica i primenjene maskless tehnike, koja se bazira na vlažnom hemijskom
nagrizanju u vodenom rastvoru TMAH koncentracije 25 tež. %, napravljen je prototip novog
visokotemperaturnog senzora za niže pritiske SOI SP-11. Prototip ima kvadratnu profilisanu
dijafragmu u obliku centriranog središnjeg ojačanja-bosa oblika pravilne zarubljene piramide. Ovako
profilisana dijafragma omogućava linearno merenje niskih pritisaka do 200 mbar. Na kraju
proizvodnog ciklusa se, po IHTM-CMTM tehnologiji, vrši anodno bondovanje, gde se ramovi
dijafragme spajaju sa Pyrex staklom. Nivo bosa, određenog {311}-{211} ravnima, niži je od rama, i to
za 90 µm, Slika 2, što omogućava olakšano i ponovljivo anodno bondovanje senzorskog čipa za Pyrex
staklo. Kod bosa, koji je određen {111} ravnima, potrebno je ili nagrizati Pyrex staklo, što je veoma
komplikovan i neponovljiv tehnološki proces, ili dogrizati sam bos, što se vrši na završenom čipu i
utiče na njegove karakteristike. Izrađeni prototip senzora je funkcionalan na temperaturama do 300 0С.
Drugi problem koji rešava maskless tehnika je problem izdržljivosti standardnih IHTM-CMTM
senzora pritiska SP-9 i SP-12. Vrednosti pritisaka na kojima ojačane dijafragme pucaju su veće od
pritiska pucanja neojačane dijafragme. Ovo poboljšanje pokazuje da je u okviru samog senzora moguće
MEMS tehnologijama povećati vrednosti pritiska na kojima dolazi do pucanja dijafragme i njenog
nepopravljivog oštećenja.
Нови технолошки поступак:
Реализација силицијумских микрогредица за фотоакустична
мерења
Руководилац пројекта: Дана Васиљевић Радовић
Одговорно лице: Весна Јовић
Аутори: Весна Јовић, Јелена Ламовец, Ивана Младеновић, Милче Смиљанић, Драган
Тодоровић, Жарко Лазић, Богдан Поповић, Бранко Вукелић
Развијено: у оквиру пројекта технолошког развоја ТР-32008
Година: 2011.- 2012.
Примена: децембар 2012.
Kратак опис
Двостраним анизотропним влажним нагризањем формиране су микрогредице на
монокристалним Si подлогама (100) оријентације поступцима запреминског микромашинства.
Техничке карактеристике:
На Si супстрату оријентације {100} реализоване су поступцима микромашинства микрогредице
задатих димензија. С обзиром, да се микрогредице ослобађају анизотропним хемијским
нагризањем у воденом раствору KOH концентрације 30 теж. % и на температури нагризања од
80 оC, урађена је карактеризација раствора која је омогућила да се, у циљу реализације гредица
дефинисаног геометријског облика, утврде димензије компензационих структура у виду трака
оријентисаних у 〈100〉 правцу на Si супстрату оријентације {100}.
Техничке могућности:
На основу реализованих микрогредица на силицијумским супстратима могуће је развијате
различите типове сензора.
Реализатори:
ИХТМ-Центар за микроелектронске технологије.
Корисници:
ИХТМ као произвођач микро–електро-механичких сензора и направа за карактеризацију
полупроводника фотоакустичном методом. Могућ је и пренос технологије израде
микрогредица на силицијумским супстратима.
Подтип решења:
Нови технолошки поступак који ће бити примењен за производњу МЕМ сензора (М 83)
Стање у свету
Развој микро (нано) системских технологија резултовао је производњом различитих
минијатурних сензора, актуатора, резонатора и електромагнетних компоненти. Микрогредице
су једна тип веома осетљивих сензора који се могу применити у физичким, хемијским,
биолошким и механичким системима. С обзиром да су сензори на микрогредицама врло
осетљиви, флексибилни и поуздани, користе се за детекцију малих промена у особинама
величина које се детектују и то тако што се детектује промена угиба микрогредица или промена
резонантне фреквенције. Сходно са наведени, резонантна фреквенција или тзв. Q фактор
вибрирајуће гредице су излазни сигнали за сензоре на микрогредицама. Наведени сигнали и
њихова промена зависе и од саме природе микрогредице (материјал, облик, димензије и сл.) и од
спољних утицаја као што су сила, притисак, температура, вискозитет и густина медијума у коме
гредица осцилује, итд.
Постоји много начина на које се могу изазвати осцилације микрогредица: електромеханички,
пиезоелектрични, фотоакустични, фототермални и сл. Фотоакустичне методе се користе за
истраживања полупроводника и мкроелектронских структура јер спадају у групу безконтактних
и недеструктивних мерења.
Предмет овог техничког решења је реализација силицијумске микрогредице поступцима
запреминског микромашинства. Реализоване гредице ће се користити и за истраживања особина
силицијума и за даљи рад на сензорима са фотоакустичном побудом.
Реализација микрогредица на силицијуму поступцима запреминског микромашинства
Микрогредице се реализују полазећи од Si подлога n-типа проводности (P је допант)
специфичне отпорности 3-5 Ω⋅cm, односно концентрације носилаца наелектрисања 1.5 1015 - 9.0
1014 cm-3 на собној температури. Оријентација Si подлоге је {100}. Подлоге су обострано
огледаласто полиране дебљине 400 µm, и пречника 75 mm.
5000 µm
2000 µm
5000 µm
500 µm
2500 µm
400 µm
1000 µm
700 µm
Si
Сл. 1.
Шематски приказ пресека дуж линије
Б-Б’ (на Сл. 2.) микрогредице
погодне за фотоакустична мерења са
назначеним димензијама.
Epo-tek H77
Pyrex staklo
На Сл. 2. је приказан низ технолошких поступака реализације микрогредице.
На Сл. 1. је шематски приказан изглед микрогредице погодне за фотоакустична мерења. На
шеми су наведене димензије микрогредице. Si пелет са реализованом гредицом је монтиран
епоксидном пастом "Epo-tek H77" на подлогу од pyrex стакла.
(1)
(4)
(2)
(5)
(3)
(6)
Si
SiO2
A
A’
Б
Б’
На овој шеми низа технолошких
поступака (1-6) приказан је
пресек А'-А’
(7)
Сл. 2.
Шема низа технолошких поступака запреминског микромашинства којима се реализује
микрогредица. (7) је шема изгледа гредице са горње стране.
Подлога Si се термички оксидише са обе стране (1). Термичка оксидација Si се одвија на 1200 оC
у кисеонику који је засићен воденом паром (парцијални притисак воде у носећем гасу О2 је
једнак напону паре воде на 100 оC). Време оксидације је одређено жељеном дебљином оксида,
која је у овом случају 1.2 µm.
На оксидисаним плочицама се фотолитографски отварају отвори у термичком оксиду (SiO2)
који служи као маскирајући материјал у наредним поступцима влажног хемијског нагризања
чији је циљ да се дефинише микрогредица задатих димензија. Отвори задатих димензија се
дефинишу и са доње стране оксидисане подлоге (2) и са горње стране оксидисане силицијумске
плочице (3) двема фотолитографским маскама. Ово су класични фотолитографски поступци, с
тим што је при експонирању коришћено двострано подешавање на комерцијалном алајнеру
EVG 620. Овај уређај производи аустријска компанија „EV Group“ и уређај спада у групу
оптичких алајнера са декларисаном тачношћу подешавања од ± 1.0 µm у 3σ интервалу на горњој
страни супстрата и тачношћу подешавања од 1.5 µm у 3σ интервалу на доњој страни супстрата.
Оксид Si, делимично скида са површина на којима је то и предвиђено хемијским нагризањем у
пуферованом раствору HF и NH4F.
По окончаном фотолитографском поступку, Si супстрат се нагриза у воденом раствору са
анизотропним својствима прво са доње стране (4, на Сл. 2.). При овом нагризању супстрат се
налази у држачу који омогућава да у овој фази горња страна супстрата буде заштићена. Дубина
нагризања је 200 µm. Када се супстрат са доње стране нагризе до дубине од 200 µm, вади се из
заштитног држача, пребацује се у нови у коме је могуће остварити хемијско нагризање са обе
стране на местима где Si није заштићен оксидом (5, на Сл. 2.). Хемијско нагризање се одвија у
истом раствору до дубине од по 100 µm са обе стране супстрата. Крај нагризања се уочава када
се супстрат подгризе на предвиђеним местима и микрогредица формира. Раствор који се
користи је водени раствор KOH концентрације 30 теж. % на температури од 80 оC. Дубина
нагризања се контролише мерењем времена нагризања јер је претходно извршено "баждарење"
раствора. На овај начин спроведено нагризање има за резултат формирање гредица дебљине 100
µm.
Са супстрата на којем су дефинисани пелети са формираним гредицама, се скида термички
оксид силицијума (маскирајући филм), супстрат се сече дијамантском тестером на појединачне
пелете који се перу и ручно лепе на припремљене стаклене подлоге.
На овај начин се формирају гредице задатих дебљина које су спремне за фотоакустична мерења.
Гредице морају да имају дефинисане димензије као што је то приказано на Сл.1. са оштрим
ивицама и ненарушеним конвексним угловима. Такође је важно да учвршћење гредице буде
дефинисано.
У наредном делу овог решења ће бити описана тзв. компензациона структура која је примењена
у овом случају у циљу реализације микрогредице задатих димензија и облика.
Компензациона структура у виду траке оријентисане у 〈100〉 правцу на Si супстрату {100}
оријентације
Опште је познато да влажно хемијско нагризање Si у анизотропним растворима (30 теж. %
KOH, 80 оC, у овом случају) доводи до деформисања конвексних углова. Ова појава, да острвске
структуре у процесу хемијског анизотропнох нагризања бивају ограничене најбрже
нагризајућим равнима је суштинска одлика анизотропног нагризања која доводи до појаве да
оштри углови бивају промељени и да се на тај начин мења геометрија читаве структуре. Да би
се то спречило, на конвексним угловима се додају тзв. компензационе структуре које се
нагризају анизотропно и за собом остављају дефинисане облике. Таква једна компензациона
структура је примењена и у овом случају. То је компензација у виду траке у правцу 〈100〉 на
монокристалном Si супстрату {100} оријентације. Димензије компензационих структура зависе
од раствора који се користи, изгледа конвексног угла који се жели очувати и дубине нагризања.
У овом случају, под дубином нагризања се подразумева дебљина реализоване микрогредице
чији облик желимо да буде дефинисан, тј. да нема подгризања на угловима.
На Сл. 3. је шематски приказан изглед овог типа компензационе структуре. Испрекидане линије
означавају сукцесивне положаје фронта нагризања и у суштини представљају положаје трагова
најбрже нагризајућих равни 〈hk0〉 за ову структуру у датом раствору.
L
w
β
[110]
[100]
{100}
маскирајући материјал (SiO2)
Сл. 3.
Шема влажног
анизотропног хемијског
нагризања компензације
конвексног угла чије су
странице у 〈110〉 правцу
(означен тачка – црта). Овај
тип компензације се назива
компензацијом у виду траке
оријентисане у 〈100〉 правцу
на Si супстрату {100}
оријентације.
[110]
Да би се одредиле димензије компензационе структуре (L и W на Сл. 3.) за раствор у коме се
влажним анизотропним нагризаљем реализују микрогредице потребно је одредити природу
најбрже нагризајуће равни на конвексном углу острва чије су странице у 〈110〉 правцу на на Si
супстрату {100} оријентације. Такође је потребно одредити и однос брзина нагризања у
правцима 〈100〉 и 〈hk0〉. Угао β је угао који заклапају правац 〈hk0〉 и 〈110〉 и он је познат када се
зна природа најбрже нагризајуће равни у овој структури.
Из геометријских односа на Сл. 3. се може показати да су аналитички изрази за израчунавање
димензија компензације дати једначинама (1) и (2):
L = H(
R hk 0
2
2 sin β
⋅
−
cos β − sin β R 100
cos β − sin β
W = 2⋅ H
(1)
(2)
где је са H означена дубина нагризања, L и W су дужина и ширина компензационе траке у 〈100〉
правцу, R〈hk0〉 и R〈100〉 су брзине нагризања у 〈hk0〉 правцу најбрже нагризајуће равни и 〈100〉
правцу, што је у ствари брзина нагризања Si супстрата.
Да би се одредили наведени параметри за 30 теж. % раствор KOH на 80 оC, урађен је низ
експеримената нагризања квадратног острва чије су странице оријентисане у 〈110〉 правцу. На Si
супстрату {100} оријентације, правац 〈110〉 је паралелан примарном заравњењу.
На Сл. 4. су прикезане фотографија са металуршког микроскопа (а) квадратног острва чије
су странице оријентисане у 〈110〉 правцу после 120 min нагризања у наведеном раствору KOH-а.
На слици Сл. 4.б. је шематизован приказ сукцесивних ступњева нагризања овако оријентисаног
конвексног угла. На овој шеми означен је и маскирајући материјал. Бочне стране острва су
ограничене {111} равнима. У воденим растворима KOH брзина нагризања у 〈111〉 правцу је
практично занемарљива у односу на брзину нагризања у 〈100〉. Под тим условима, када раствор
поседује висок фактор анизотропности, као што је случај са KOH растворима, ивица маске у
〈110〉 правцу се практично и не помера. Однос подгризања (UC) и брзине нагризања (d) Si
подлоге је дат као:
UC
K
=
,
d
sin β
(3)
где је К однос брзина нагризања најбрже нагризајуће равни на овако оријентисаном конвексном
углу, која у суштини и одређује облик подгрижене структуре, и брзине нагризања у 〈100〉
правцу: К = R〈hk0〉⋅(R〈100〉)-1. Значење осталих симбола је јасно из шеме.
маскирајући материјал
γ
〈110〉
〈100〉
〈110〉
β
α
250 µm
R〈hk0〉
(б)
〈110〉
(а)
UC
Сл. 4.а.
Фотографија са оптичког микроскопа у рефлектованој светлости конвексних углова квадратног
острва чије су ивице оријентисане у 〈110〉 правцу на Si {100} оријентације после 120 min
нагризања у воденом раствору 30 теж.% KOH на 80 оC. Бела испрекидана линија означава
границе квадратног острва како су биле дефиносане фотолитографским поступком у
маскирајућем материјалу (термички SiO2).
Сл. 4.б.
Шематски приказ сукцесивних фаза нагризања конвексног угла на квадратној меза структури
чије странице су оријентисане паралелно промарном заравњењу (〈110〉 правац) на Si подлози
{100} оријентације.
На Сл. 5. је дијаграм који приказује експериментално одређене вредности подгризања UC
конвексног угла од дубине нагризања, d за различита времена нагризања (τ). Дубина нагризања
у 〈100〉 правцу је мерена, а брзина нагризања Si равни {100} оријентације је:
R 100 =
d
τ
(4)
Са дијаграма на Сл. 5. се види да између подгризања конвексног угла и дубине нагризања у
постоји праволинијска зависност типа:
UC = 2.8 d
(5)
Из нагиба праве дате јед. (5), могуће је одредити вредност параметра К, ако је позната вредност
угла који заклапају правци 〈110〉 и 〈hk0〉. Овај угао (обележен са β на шематском приказу са Сл.
4.б.) се одређује експериментално и на основу његове вредности, комбиноване са вредностима
одређених вредности углова α и γ (Сл. 4.б.) одређена је и природа најбрже нагризајуће равни на
конвексном углу наведене оријентације. Добијени резултати су сумирани у Табели 1.
700
600
UC = 2.8d
R2 = 0.9976
500
Сл. 5.
Експериментално одређена зависност
подгризања (UC) конвексних углова на
острву чије су ивице оријентисане у
правцу 〈110〉 на Si супстрату {100}
оријентације, од дубине нагризања (d).
o
30 % KOH, 80 C
UC, µm
400
300
200
100
0
0
50
100
150
200
250
d, µm
Табела 1. Неки од параметара подгризања конвексних углова на квадратном острву, чије су
странице паралелне 〈110〉 правцу на Si {100} оријентације. Раствор за анизотропно нагризање је
водени раствор KOH концентрације 30 теж. %, а температура нагризања је 80 оC.
R〈100〉
K
UC⋅d-1
R〈hk0〉
α
β
γ
149.2 о
19.7 о
150.4 о
експериментални подаци
1.2 µm⋅min-1
1.4
1.7 µm⋅min-1
2.8
подаци за 〈410〉 раван
151.9 о
30.9 о
149.0 о
Показује се да је у овом случају најбрже нагризајућа раван на конвексном углу на острву
описане оријентације, нека од равни која садржи правац 〈410〉.
Познавање ових података нам омогућава да одредимо димензије компензације коју ћемо
применити при реализацији микрогредица чије су димензије приказане на Сл. 1. У овом случају
дебљина гредица је 100 µm, односно то је једнако дубини нагризања H у јед. (2). На основу
експерименталних података за задате услове нагризања одређена је дужина компензационе
структуре L = 290 µm, јед. (1), и њена ширина W = 200 µm, јед. (2).
На следећем низу фотографија Сл. 6.а.-Сл. 6.ц. са металуршког микроскопа приказано је како се
компензациона структура подгриза у процесу реализације микрогредице.
Следеће две фотографије (Сл. 7.а. и Сл. 7.б.) приказују конвексне углове комплетно реализоване
гредице са горње и доње стране, респективно. Види се да углови задржали облик и да су бочне
стране микрогредице практично само {111} равни, које су и најспорије нагризајуће равни у овом
раствору. На Сл. 7.ц. је слика конвексног угла микрогредице на коме није примењена
компензациона шема и који је стога значајно подгрижен, односно реализована микрогредица без
примењене компензације нема очувану геометрију.
200 µm
200 µm
(а)
200 µm
(ц)
(б)
Сл. 6.
Фотографије са металуршког микроскопа компензације у виду траке у правцу 〈110〉 на Si
супстрату {100} оријентације, на конвексном углу микрогредице после 20 min (а), 45 min (б) и
90 min (ц) нагризања у раствору KOH концентрације 30 теж. % на температури од 80 оC.
100 µm
100 µm
(а)
(б)
(ц)
Сл.7.
Изглед углова реализоване микрогредице: На слици под (а) приказан је изглед конвексног угла,
који је био компензован, са погледом са горње стране. Заштитни оксид није скинут. На слици
под (б) је фотографија истог угла са доње стране микрогредице са које се гредица и нагриза дуж
читаве изложене површине. На фотографији под (ц) приказано је колико је конвексни угао
подгрижен у случају да се не штити компензационом структуром.
Основни подаци новог технолошког поступка
Двостраним анизотропним хемијским нагризањем у воденом раствору KOH концентрације 30
теж. % на температури нагризања од 80 оC формиране су микрогредице на монокристалним Si
подлогама (100) оријентације поступцима запреминског микромашинства. Двостраним
алајнирањем је у фотолитографском поступку омогућено да се микрогредице формирају
истовременим нагризањем и са доње и са горње стране. Да би микрогредице у процесу
анизотропног нагризања задржале правилан геометријски облик, на конвексним угловима су
примењене компензационе структуре у виду трака које су оријентисане у правцу 〈110〉 на Si
супстрату {100} оријентације. Да би се димензије компензационих структура одредиле за задате
услове нагризања (раствор, температура и време нагризања), извршена је карактеризација
раствора у смислу одређивања природе најбрже нагризајуће равни на конвексном углу чије су
странице оријентисане у 〈110〉 правцу на супстратима силицијума оријентације {100} и
одређивања односа брзине нагризања те равни и (100) равни Si супстрата. Када се знају ови
подаци неопходни за одређивање димензије компензационе структуре, могуће је описаним
технолошким поступком реализовати микрогредице задатих димензија и облика.
Нови технолошки поступак реализације микрогредица на Si супстратима дебљине 400 µm
техникама запреминског микромашинства са применом анизотропног хемијског нагризања у
воденим растворима KOH концентрације 30 теж. %, на температури од 80 оC развијен je у
ИХТМ-у оквиру текућег пројекта бр. ТР-32008 код Министарства просвете, науке и
технолошког развоја Републике Србије уз партиципацију Електропривреде Србије.
Штампано – јануар 2013. године
Нови технолошки поступак:
Реализација силицијумских микрогредица за фотоакустична
мерења
Руководилац пројекта: Дана Васиљевић Радовић
Одговорно лице: Весна Јовић
Аутори: Весна Јовић, Јелена Ламовец, Ивана Младеновић, Милче Смиљанић, Драган
Тодоровић, Жарко Лазић, Богдан Поповић, Бранко Вукелић
Развијено: у оквиру пројекта технолошког развоја ТР-32008
Година: 2011.- 2012.
Примена: децембар 2012.
Kратак опис
Двостраним анизотропним влажним нагризањем формиране су микрогредице на
монокристалним Si подлогама (100) оријентације поступцима запреминског
микромашинства.
Техничке карактеристике:
На Si супстрату оријентације {100} реализоване су поступцима микромашинства
микрогредице задатих димензија. С обзиром, да се микрогредице ослобађају анизотропним
хемијским нагризањем у воденом раствору KOH концентрације 30 теж. % и на температури
нагризања од 80 оC, урађена је карактеризација раствора која је омогућила да се, у циљу
реализације гредица дефинисаног геометријског облика, утврде димензије компензационих
структура у виду трака оријентисаних у 〈100〉 правцу на Si супстрату оријентације {100}.
Техничке могућности:
На основу реализованих микрогредица на силицијумским супстратима могуће је развијате
различите типове сензора.
Реализатори:
ИХТМ-Центар за микроелектронске технологије.
Корисници:
ИХТМ као произвођач микро–електро-механичких сензора и направа за карактеризацију
полупроводника фотоакустичном методом. Могућ је и пренос технологије израде
микрогредица на силицијумским супстратима. Поравнати текст и са десне стране.
Подтип решења:
Нови технолошки поступак који ће бити примењен за производњу МЕМ сензора (М 83)
Нови технолошки поступак:
Реализација силицијумских микрогредица за фотоакустична
мерења
Руководилац пројекта: Дана Васиљевић Радовић
Одговорно лице: Весна Јовић
Аутори: Весна Јовић, Јелена Ламовец, Ивана Младеновић, Милче Смиљанић, Драган
Тодоровић, Жарко Лазић, Богдан Поповић, Бранко Вукелић
Развијено: у оквиру пројекта технолошког развоја ТР-32008
Година: 2011.- 2012.
Примена: децембар 2012.
Kратак опис
Двостраним анизотропним влажним нагризањем формиране су микрогредице на
монокристалним Si подлогама {100} оријентације поступцима запреминског
микромашинства.
Техничке карактеристике:
На Si супстрату оријентације {100} реализоване су поступцима микромашинства
микрогредице задатих димензија. С обзиром, да се микрогредице ослобађају анизотропним
хемијским нагризањем у воденом раствору KOH концентрације 30 теж. % и на температури
нагризања од 80 оC, урађена је карактеризација раствора која је омогућила да се, у циљу
реализације гредица дефинисаног геометријског облика, утврде димензије компензационих
структура у виду трака оријентисаних у 〈100〉 правцу на Si супстрату оријентације {100}.
Техничке могућности:
На основу реализованих микрогредица на силицијумским супстратима могуће је развијате
различите типове сензора.
Реализатори:
ИХТМ-Центар за микроелектронске технологије.
Корисници:
ИХТМ као произвођач микро–електро-механичких сензора и направа за карактеризацију
полупроводника фотоакустичном методом. Могућ је и пренос технологије израде
микрогредица на силицијумским супстратима.
Подтип решења:
Нови технолошки поступак који ће бити примењен за производњу МЕМ сензора (М 83)
Лабораторијски прототип интелигентног мерача притиска са Ethernet комуникацијом
Руководилац пројекта: Дана Васиљевић–Радовић
Одговорно лице: Милош Франтловић
Аутори: Бранко Вукелић, Милош Франтловић, Ивана Јокић, Дана Васиљевић-Радовић
Развијено: у оквиру пројекта технолошког развоја ТР-32008
Година: 2011.
Примена: 01.10.2011.
Kратак опис
Прототип је реализован са циљем да се на што једноставнији и ефикаснији начин истраже могућности
развоја хардвера и софтвера мерача притиска са Ethernet комуникацијом. Конципиран је тако да омогући
што једноставније тестирање, а такође и модификацију појединих подсклопова. Састоји се од једног
ИХТМ пиезоотпорног сензора притиска и електронског склопа у виду три модула. Први модул је NXP
mbed модул, тј. развојни систем са ARM Cortex-M3 микроконтролером LPC1768 и припадајућим
склоповима. Други модул садржи улазни блок уређаја са A/D конверторима и побудом сензора, а такође и
елементе корисничког интерфејса (цифарски LCD дисплеј и три тастера). Трећи модул је Ethernet
прикључак са уграђеним трансформатором.
Развијен је софтвер за mbed модул, који омогућује мерење, обраду података, рад корисничког интерфејса
и комуникацију. За потребе комуникације са мерачем притиска посредством Ethernet-а, развијен је
клијент програм за персонални рачунар. Формиран је посебан скуп команди и дефинисан је одговарајући
формат порука у комуникацији клијент-сервер.
Техничке карактеристике:
Тип сензора: силицијумски пиезоотпорни МЕМС сензор (ИХТМ SP–6, SP–9 или SP–12). Резолуција A/D
конвертора: 24 бита (>18 бита ефективно). Учестаност одабирања: 16.7 одбирака/s. Циљна тачност: боља
од 0.2% пуне скале. Радна температура: -20 до 70 C.
Техничке могућности:
Мерење апсолутног и релативног притиска помоћу пиезорезистивног сензора. Једноставан кориснички
интерфејс заснован на цирфарском дисплеју и три тастера. Комуникација преко рачунарске мреже
(Ethernet) омогућује пренос индикације мерене величине и управљање радом инструмента.
Реализатори:
ИХТМ-ЦМТМ
Корисници:
ИХТМ-ЦМТМ, ЕПС
Подтип решења:
Прототип, нова метода (М85)
Стање у свету
Од свих физичких величина чије су вредности значајне у енергетским постројењима, као и у
нафтној, хемијској и прехрамбеној индустрији, најчешће се врши мерење температуре и
притиска ради контроле процеса (надзор) и у оквиру система аутоматског управљања.
Првобитно су за пренос индикације измерене вредности од мерног места до мерно-регулационог
система коришћени аналогни сигнали (типично струјни сигнал 4-20 mA). Крајем осамдесетих
година двадесетог века, услед развоја дигиталних аквизиционих и управљачких система,
настала је потреба за дигиталном двосмерном комуникацијом са индустријским мерним
инструментима и извршним уређајима. То је довело до настанка већег броја индустријских
интерфејса, од којих су неки (HART) задржали аналогни струјни сигнал, а други нису.
Недостаци те генерације производа су међусобна некомпатибилност различитих индустријских
интерфејса, њихове различите карактеристике и перформансе, као и висока цена такве опреме
због тога што је наменска и специфична. У свету су недавно учињени први кораци у развоју
нове генерације индустријских мерних инструмената који комуницирају посредством
рачунарских мрежа, чиме ће поменути недостаци бити превазиђени.
Дигитални лабораторијски мерни инструменти су првобитно били опремљени нестандардним
комуникационим портовима, а касније стандардизованим, као што су GPIB и RS-232, а у скорије
време USB. Данас, када је Интернет постао свеобухватна комуникациона мрежа, а његова
инфраструктура све разгранатија и приступачнија, већи и сложенији лабораторијски
инструменти садрже Ethernet адаптер и одговарајућу софтверску подршку. Међутим, у
једноставнијим лабораторијским инструментима, а такође и у индустријским, нема довољних
рачунарских ресурса за Ethernet, пошто је то знатно сложенији и захтевнији интерфејс од већине
других. Недавно су се на тржишту појавили нови микроконтролери засновани на ARM Cortex
архитектури, који имају много пута боље перформансе од раније постојећих микроконтролера, а
по упоредивој цени. Они омогућују и чине економичном реализацију Ethernet адаптера у већини
инструмената, лабораторијских и индустријских.
У Центру за микроелектронске технологије и монокристале врше се истраживања и развој
електронских инструмената високих перформанси за мерење притиска, заснованих на
сензорским елементима сопствене производње. Ово техничко решење, лабораторијски прототип
интелигентног мерача притиска са Ethernet комуникацијом, значајан је корак ка најновијој
генерацији мерних инструмената те врсте који имају могућност комуникације преко
инфрастриктуре рачунарских мрежа, малих су димензија, високих перформанси и приступачне
цене.
Опис лабораторијског прототипа интелигентног мерача притиска са Ethernet
комуникацијом
Главне целине у реализацији интелигентног мерача притиска са Ethernet комуникацијом су:
•
•
•
NXP mbed модул – развојни систем са ARM Cortex-M3 микроконтролером LPC1768 и
припадајућим склоповима
Постојећи хардвер за аквизицију сигнала са пиезоотпорног сензора притиска, који се
састоји од улазног блока са A/D конверторима и побудом сензора, а такође садржи и
елементе једноставног корисничког интерфејса (цифарски LCD дисплеј и три тастера)
Модул са Ethernet прикључком
•
Плоча која служи као носач претходно описаних модула.
Блок шема лабораторијског прототипа
комуникацијом приказана је на Слици 1.
Слика 1.
интелигентног
мерача
притиска
са
Ethernet
Блок шема лабораторијског прототипа интелигентног мерача притиска са
Ethernet комуникацијом
За потребе реализације овог техничког решења коришћен је NXP mbed модул – развојни систем
са ARM Cortex-M3 микроконтролером LPC1768. Учестаност такта овог микроконтролера је
96 MHz. Он располаже са 512 KB flash меморије и 64 KB RAM меморије, а има и велики број
уграђених периферија: 2xSPI, 2xI2C, Ethernet MAC, USB, CAN, 3xSerial, PWM итд. На Слици 2 је
дат графички приказ свих расположивих електричних извода "mbed" развојне плоче са
означеним периферијама које су на њима приступачне.
За рад са старијим развојним системима било је неопходно инсталирати на рачунар одговарајуће
софтверско развојно окружење, а затим се обучити за његово коришћење. То је обично
подразумевало и плаћање скупе лиценце за комерцијалну употребу, или је за личну употребу
корисник био ограничен величином кода или временским периодом на који може да користи
софтвер. Такође је било потребно вршити ажурирање тог софтвера.
Слика 2.
Фотографија mbed модула са означеним електричним изводима и периферијама
За разлику од тога, mbed уводи значајне софтверске новитете. Није потребно инсталирати било
какво развојно окружење нити драјвере. Компајлирање програмског кода се врши помоћу
софтверског окружења којем се приступа из веб браузера, а затим се програм у бинарној форми
уноси у меморију микроконтролера притискањем одговарајућег тастера на mbed модулу.
Омогућено је коришћење готових API функција, па није неопходно детаљно познавање
архитектуре микроконтролера. За сваку API функцију је дат конкретан пример њеног
коришћења. Осим наведених предности, mbed има и неке недостатке: непостојање JTAG порта и
дибагера са прекидним тачкама, комуникација микроконтролера са персоналним рачунаром је
преко USB Virtual Serial Port-а који служи и за програмирање, не постоји могућност коришћења
традиционалног компајлера. Ове мане чине mbed мање погодним као платформу за високо
оптимизована решења, али је у сваком случају изузетно погодан за брз развој прототипа и за
експериментисање.
Хардвер за аквизицију сигнала са пиезоотпорног сензора притиска се састоји из аквизиционог
дела који прикупља сигнале са сензора, побуде сензора константном струјом, A/D конвертора
који конверују аналогни сигнал у дигитални, дисплеја на коме се исписују релевантни подаци,
тастера, који омогућавају разне врсте приказа резултата и EEPROM меморије у којој се чувају
параметри релевантни за дати сензор.
Модул са Ethernet прикључком је мала штампана плоча на којој је RJ-45 прикључак са
уграђеним трансформатором за галванско раздвајање Ethernet кабла и активних електронских
склопова уређаја. Интегрисано коло физичког слоја (Ethernet PHY) је на mbed модулу.
На Слици 3 приказана је фотографија реализованог лабораторијског прототипа интелигентног
мерача притиска са Ethernet комуникацијом. Осим свих описаних модула, на слици је видљива и
универзална штампана плоча на коју су постављени, као и сензор притиска. У овом случају
коришћен је ИХТМ пиезоотпорни сензор притиска у индустријској верзији, са уљном испуном и
металном сепарационом мембраном.
Ради постизања високих мерних перформанси, неопходно је извршити корекцију главних
несавршености сензора притиска, а то су офсет, нелинеарност и осетљивост на температуру као
паразитну величину. Пошто овај инструмент садржи микроконтролер, корекција несавршености
се у њему врши применом математичког модела и рачунарског алгоритма, на начин који ће овде
бити укратко описан.
Слика 3.
Фотографија реализованог лабораторијског прототипа интелигентног мерача
притиска са Ethernet комуникацијом
Слика 4.
Принципска електрична шема повезивања сензора притиска ради
експерименталног одређивања параметара математичког модела
Прво се формира математички модел сензора притиска на основу експерименталних резултата.
Сензор притиска се у лабораторијску апаратуру прикључује на начин приказан на Слици 4.
Помоћу температурске коморе задаје се низ вредности температуре из опсега [-30, 70]°C. По
стабилизацији сваке задате температуре, задаје се низ вредности притиска из номиналног опсега
сензора, помоћу рачунарски управљаног аутоматског калибратора. За сваку вредност притиска
мере се два напона: Vout и Vbr, узимајући напон Vref на отпорнику познате отпорности Rref као
референцу. Сензор притиска се побуђује извором константне струје I0. Дигитални подаци који
одговарају напонима Vout и Vbr, а добијају се на излазу одговарајућих 24-битних A/D конвертора,
складиште се заједно са подацима о притиску и температури на диск персоналног рачунара у
виду табеле. По завршетку експеримента, на основу прикупљених података се одређују
параметри изабраног математичког модела сензора притиска. У овом случају то је полином
четвртог реда, где је зависна променљива притисак P, а независне променљиве су
Rout=Rref·Vout/Vref и Rbr=Rref·Vbr/Vref . Тај полином је уједно и калибрациона функција за дати
сензор. Параметри математичког модела складиште се у меморију инструмента, чиме је
извршена калибрација.
Током рада инструмента, мерена вредност притиска P се израчунава у реалном времену на
основу познатог математичког модела (тј. калибрационе функције) за коришћени сензор и
тренутних вредности Rout и Rbr .
У циљу очитавања индикације мерене вредности притиска и других параметара, као и
управљања инструментом са персоналног рачунара, креирана је корисничка апликација која
комуницира са прототипом посредством рачунарске мреже (Ethernet). На страни инструмента је
за ту сврху искоришћен lwipTCP/IP стек. На Слици 5 је приказан изглед корисничке апликације.
Слика 5.
Изглед корисничке апликације на персоналном рачунару
За потребе комуникације између инструмента и корисничке апликације било је неопходно
дефинисати одговарајући формат поруке, који је приказан на Слици 6.
Слика 6.
Формат поруке
Тело поруке састоји се од одговарајућих поља. Поља садрже код фиксне или променљиве
вредности, као и фиксне или променљиве дужине. Значење сваког појединачног поља са Слике
6 је:
•
•
•
•
•
•
•
0xCC - Означава почетак поруке. Има фиксну вредност (0xCC hex) као и фиксну дужину
од једног бајта
0xF3 - Ово поље је опционо. Нема специјално значење и може се искористити за
интегрисање неких додатних опција. Фиксне је вредности (0xF3 hex) и фиксне дужине од
једног бајта
DATA LENGTH - У оквиру овог поља налази се број бајтова који се преноси у
комуникацији између сервера и клијента. Ово поље је дужине два бајта и није фиксне
вредности.
OP CODE – је дужине једног бајта, и ово поље је предвиђено за слање захтева од стране
клијент апликације
DATA – је променљиве дужине и његова дужина зависи од количине података коју
шаљемо, или коју примамо.
CHKSUM – укупан број јединица које се налазе у пољима 0xF3, DATA LENGTH, OP
CODE, DATA садржан је у овом пољу. На пријемној страни ово поље служи за проверу
исправности поруке. Дужина овог поља је 2 бајта и није фиксне вредности.
0xDD – овим пољем се означава крај поруке. Има фиксну вредност (0xDD hex) и
величине је једног бајта.
Приликом слања поруке израчунава се checksum. На Слици 7 приказана су поља на која се
односи рачунање checksum-a.
Слика 7.
Израчунавање checksum-a.
Исто тако се приликом пријема поруке проверава садржај checksum поља и упоређује се са
израчунатим chksum-ом на пријемној страни. Уколико постоји било каква разлика податак се
третира као погрешан и као такав се одбацује.
Лабораторијски прототип интелигентног мерача притиска са Ethernet комуникацијом
реализован је у ИХТМ-у у оквиру пројекта бр. ТР-32008 Министарства просвете и науке, уз
партиципацију Електропривреде Србије
Download

Биографија Бранко Вукелић је рођен 10.05.1985. у