1 Sensori di portata 1

(1)

Indice

Introduzione xii

1 Sensori di portata 1

1.1 Sensori Macroscopici . . . . 2

1.1.1 Flussimetri a differenza di pressione . . . . 2

1.1.2 Flussimetri ad area variabile . . . . 5

1.1.3 Flussimetri a spostamento . . . . 7

1.1.4 Flussimetri a turbina . . . . 8

1.1.5 Flussimetri elettromagnetici . . . . 9

1.1.6 Flussimetri ultrasonici . . . . 10

1.1.7 Flussimetri Vortex . . . . 11

1.1.8 Flussimetri termici . . . . 13

1.1.9 Flussimetri ad effetto Coriolis . . . . 21

1.2 Sensori Integrati . . . . 23

1.2.1 Flussimetri termici . . . . 24

1.2.2 Sensori di flusso a differenza di pressione . . . . 35

1.2.3 Sensori ad effetto Coriolis . . . . 37

1.2.4 Sensori Commerciali . . . . 38

2 Micromachining 43 2.1 Bulk Micromachining . . . . 44

2.1.1 Attacchi Isotropi Wet . . . . 46

2.1.2 Attacchi Anisotropi Wet . . . . 47

2.1.3 Attacchi in fase di vapore . . . . 55

2.1.4 Attacchi in plasma . . . . 56

2.2 Surface Micromachining . . . . 57

i

(2)

INDICE ii

2.3 Packaging . . . . 59

2.3.1 Wafer Level Packaging . . . . 60

3 Realizzazione del dispositivo 65 3.1 Processo tecnologico e problematiche realizzative . . . . 65

3.2 Descrizione del sensore e del chip . . . . 68

3.3 Tecnica del post-processing . . . . 73

3.3.1 Litografia e attacco in BHF . . . . 74

3.3.2 Realizzazione Maschera . . . . 78

3.3.3 Attacco in TMAH . . . . 82

3.3.4 Risultati . . . . 84

3.4 Packaging Sensore . . . . 89

3.4.1 Flussimetro . . . . 89

3.4.2 Anemometro . . . . 98

4 Testing 112 4.1 Flussimetro . . . 112

4.1.1 Caratteristiche di uscita e sensibilit` a . . . 114

4.1.2 Analisi Dinamica . . . 118

4.1.3 Valutazione fascia d’errore . . . 121

4.1.4 Prove in temperatura . . . 123

4.1.5 Test elettronica: sistema di lettura integrato . . . 124

4.2 Anemometro . . . 128

4.3 µFlown . . . 129

5 Prototipo Flussimetro con sistema di lettura integrata 137 5.1 Scheda di pilotaggio . . . 137

5.2 Packaging e struttura . . . 139

5.3 Test e risultati . . . 141

Conclusioni 145

A Termopile 146

Bibliografia 150

(3)

Elenco delle figure

1.1 Differential Pressure Flowmeter. . . . 3

1.2 a) Orifice Plate Flowmeter; b) Nozzle Flowmeter. . . . 4

1.3 Tubo di Venturi. . . . 4

1.4 a) Sezione di un rotametro; b) Nutating disc Flowmeter [1]. . . . 6

1.5 Electromagnetic Flowmeter. . . . 9

1.6 Ultrasonic Flowmeter: transit time method. . . . 11

1.7 Von Karman vortex street. . . . 12

1.8 Schema della struttura di un sensore a filo caldo. . . . 14

1.9 Circuiti di pilotaggio: a) T costante; b) Q costante. . . . 15

1.10 Distribuzione di temperatura attorno al riscaldatore. . . . 16

1.11 Uscita del sensore con acqua come fluido, in un canale di 1000 µm × 500 µm; una velocit` a v = 20 mm/s ` e uguale ad un flusso di 0.6 ml/min.[6] 17 1.12 Struttura tipica di sensori calorimetrici. . . . 18

1.13 Sensori a tempo di volo: a) schema di funzionamento; b) temperatura sul sensore a valle; c) caratteristica del sensore. . . . . 20

1.14 Viste del tubo oscillante senza flusso. . . . 22

1.15 Risposta del tubo all’accelerazione di Coriolis. . . . 22

1.16 Viste del tubo oscillante in presenza di flusso. . . . 23

1.17 Esempi di sensori a filo caldo: a) L’area sensibile ha dimensioni di 400 × 300 µm

²

sospeso alla fine di una trave di silicio, lunga 1.6 mm, e spessa 30 µm, isolata termicamente da uno scavo in poliammide [12]; b) Le dimensioni del canale sono di 2 × 20 × 2, 00 µm

³

. Sulla struttura a destra il canale viene sospeso per un miglior isolamento termico [13]. . . . 26

iii

(4)

ELENCO DELLE FIGURE iv

1.18 Vista schematica del sensore basato su giunzioni di poliammide. Le dimensioni del chip sono di 3, 5 mm × 3 mm × 0, 5 mm e quelle dei filamenti sono di 500 µm×5 µm×2 µm. ε ` e il coefficiente di riduzione delle dimensioni. . . . 27 1.19 Viste schematiche di sensori calorimetrici a struttura sospesa: a)

simple bridge sensor; b) air gap sensor [16]. . . . 28 1.20 Segnale di uscita in funzione della velocit` a media, l’altezza del

canale ` e di 0, 8 mm e il gas utilizzato ` e azoto [16]. . . . 29 1.21 Immagine del sensore di flusso realizzato da Oda [17], gi` a processato. 29 1.22 Schema della sezione del sensore di flusso realizzato da Sabat´ e [18] 30 1.23 Immagine del sensore di flusso realizzato da Kaltas [19] . . . . 31 1.24 Schema di un sensore di flusso sensibile alla direzione [20]. . . . 31 1.25 a) Struttura della superficie del sensore; b) sezione del sensore

progettato da Gao [28]. . . . 32 1.26 Scanning electron microscope (SEM) foto di un Microflown a can-

tilever. I due fili che sporgono sono gli elemnti sensibili, i tre pad sono le piazzole per le saldature per i contatti elettrici [27]. . . . 33 1.27 a) Vista schematica e b) microfotografia della membrana (600 µm ×

600 µm) del sensore progettato da Ashauer [21]. . . . 34 1.28 a) Caratteristiche di uscita del sensore nelle due modalit` a di pilo-

taggio; b) ∆T delle termopile a differenti velocit` a [21]. . . . 35 1.29 a) Vista schematica e b) dettaglio del canale, con i sensori sospesi

sulla membrana, del sensore progettato da Meng [22]. . . . 36 1.30 Viste schematiche di sensori di flusso a differenza di pressione: a)

[23] b) [24]. . . . 37 1.31 a) Torsione dovuta alla forza di Coriolis che agisce sul flusso di

fluido; b) Sezione della sequenza di fabbricazione [25]. . . . 38 1.32 Fotografia di un sensore di flusso per applicazioni in ambito auto-

motive. (Robert Bosch GmbH, Germany) . . . . 39 1.33 Fotografia del sensore realizzato da HSG-IMIT con un package per

applicazioni di microfluidica. . . . 40 1.34 Fotografia di un CMOSens. Sulla destra ` e visibile il sensore di

flusso e sulla sinistra l’elettronica CMOS. . . . 40

(5)

ELENCO DELLE FIGURE v

1.35 Fotografia del sensore di flusso realizzato dalla Omron. . . . 41 1.36 Sezione del sensore di flusso della Omron. . . . 41

2.1 Possibili strutture realizzate con il bulk micromachining. a) Attacco isotropo su un substrato di silicio. b) Attacco anisotropo del sili- cio, su substrati (100) e (110), limitato dai piani (111). c) Scavo piramidale realizzato con un etch-stop, per mezzo di uno strato se- polto di silicio drogato con boro, con un cantilever sottoattaccato. d) Una membrana dielettrica rilasciata tramite sottoattacco per mezzo di attacchi anisotropi wet dal retro del wafer. e) Sottile struttura di silicio orientata arbitrariamente, realizzata con un attacco modu- lato dal drogaggio. f) Profondi scavi, orientati in modo arbitrario, realizzati tramite attcchi anisotropi dry. . . . . 45 2.2 a) Fotografia al SEM di uno scavo realizzato con un attacco anisotro-

po nel silicio. b) Allineamento corretto dell’apertura nella maschera per realizzare uno scavo piramidale. . . . 48 2.3 Fotografia al SEM delle strutture piramidali che si formano sulla

superficie attaccata. . . . 52 2.4 Velocit` a d’attacco del silicio in funzione della temperatura per tre dif-

ferenti soluzioni di TMAH: non drogata, drogata con silicio e drogata con acido silicico (SiAc) [48]. . . . 53 2.5 Struttura tipica realizzata con il surface micromachinig: a) deposi-

zione dell’ossido e sua definizione tramite attacco; b) deposizione polisilicio; c) definizione polisilicio e attacco dello stesso per crea- re gli ancoraggi al substrato attraverso l’ossido; d) attacco selettivo dell’ossido in HF per rilasciare la struttura in polisilicio. . . . 58 2.6 Processo di screen printing. . . . 63

3.1 Schema della sovrapposizione di layer, non in scala, utilizzati nel processo BCD-6. . . . 66 3.2 Schematizzazione della realizzazione di via a) nel processo BCD-3;

b) nel processo BCD-6, dove si nota l’inserimento di plug di tungsteno. 67

(6)

ELENCO DELLE FIGURE vi

3.3 Schema della sezione delle strutture, (tipologia A [29]); il tratteg- gio indica il possibile profilo di un attacco isotropo utilizzato per raggiungere il substrato. . . . 69 3.4 Layout del chip utilizzato per il presente lavoro di tesi: la regione

centrale, non evidenziata, ospita delle strutture per realizzare dei sensori di flusso su silicio poroso. . . . 70 3.5 Layout del sensore oggetto di questo lavoro di tesi. . . . 71 3.6 Layout del riscaldatore. . . . 72 3.7 Layout delle termopile: a) termopila poly p

⁺

/metal 1; b) termopila

poly p

⁺

/poly n

⁺

. . . . 73 3.8 Schematizzazione del processo di litografia e attacco degli ossidi

in BHF; in b) si nota il margine interno della mascheratura rispetto alla geometria dello scavo realizzato in fonderia, mentre in c) si nota il sottoattacco dovuto all’isotropia della reazione in BHF. . . . 75 3.9 Andamento dello spessore del resist in funzione della velocit` a di

spinning. . . . 75 3.10 Layout delle maschera litografica: in verde sono evidenziate le aree

da proteggere che ricalcano la geometria del layout del sensore. Il margine aggiuntivo di protezione ` e visibile in verde chiaro. . . . 79 3.11 Layout del sensore con in rosso i rettangoli realizzati dal sottoattacco. 80 3.12 Fotografia al microscopio ottico dello scavo nel silicio realizzato con

l’attacco in TMAH: si notano i grani di silicio sul fondo della buca formatisi nell’attacco. . . . 83 3.13 Fotografia al microscopio ottico dello campione processato. . . . 85 3.14 Fotografia al microscopio ottico del riscaldatore di un campione

processato. . . . 86 3.15 Fotografia al microscopio ottico di una termopila di un campione

processato. . . . 87 3.16 Chip incollato su un case TO8. . . . 90 3.17 Primo sistema di packaging per il sensore: la camera ricavata al

centro del cilindro di plexyglass ospita tutto il case, oltre al sensore,

ed il flusso entra ed esce dai fori accoppiati ad una linea di gas. . . 91

(7)

ELENCO DELLE FIGURE vii

3.18 Package per il sensore di flusso: si ` e qui ridotta l’altezza della ca- mera che ospita il case, con i canali che si raccordano a quest’ultima in modo pi` u graduale. . . . 92 3.19 Risposta amplificata del sensore (amplificazione di 150) in funzione

di un flusso di azoto. Rispetto al precedente package si ha un no- tevole miglioramento della sensibilit` a, ma si hanno grossi problemi sulla reversibilit` a. . . . 93 3.20 Rappresentazione della struttura in plexyglass usata per accop-

piare la linea di gas ad un microcanale: il canale ` e visibile sul parallelepipedo inferiore. . . . 94 3.21 Pianta quotata del parallelepipedo inferiore e delle strutture in esso

contenute nella versione con canale ad L e ad U: il riquadro verde delimitata la superficie del chip, quello giallo indica l’area libera dai PAD. Il riquadro bianco ` e la proiezione del parallelepipedo inferiore e in rosso ` e visibile il layout del microcanale e dei fori passanti.

Tutte le dimensioni sono in millimetri. . . . 95 3.22 Schema del circuito utilizzato per l’incollaggio del package del sen-

sore di flusso: le tensioni di alimentazione sono state separate per poter fornire pi` u potenza ai DMOS senza danneggiare l’elettronica integrata di pilotaggio. . . . 96 3.23 Supporto utilizzato per l’allineamento e il posizionamento della strut-

tura di accoppiamento in plexyglass, che, sostenuta da due viti, ` e in grado di posizionarsi parallela al chip sottostante grazie alla possibilit` a di ruotare su due assi. . . . 97 3.24 Fotografia della struttura in plexyglass utilizzata per accoppiare una

linea di gas al sensore di flusso: le saldature non sono state ancora inglobate nella colla, e, in trasparenza, ` e visibile il canale a forma di L. . . . 99 3.25 Risposta del sensore amplificata di 150 in funzione del flusso. . . . 100 3.26 Profilo di pressione lungo la semicirconferenza di un cilindro, di 3 cm

di diametro, investito da un flusso a differenti velocit` a. La direzione

0

^◦

corrisponde alla parte frontale, del cilindro, investita dal flusso,

mentre quella a 180

^◦

corrisponde al punto diametralmente opposto. 101

(8)

ELENCO DELLE FIGURE viii

3.27 a): misure sperimentali sull’anemometro con un solo canale (amplifi- cazione di 150 e bassa velocit` a); b): andamento della ∆p campionata dall’anemometro a singolo canale in base ai dati estrapolati dalle simulazioni. . . 102 3.28 Package per anemometro che ospita il case all’interno di una camera

e vi fa confluire il flusso da tre canali per lato. . . 103 3.29 Andamento della risposta normalizzata del sensore in funzione del-

l’angolo per tre velocit` a; si nota che si ha un andamento lineare solo per basse velocit` a. . . 104 3.30 Configurazione del package che fa uso della struttura in plexyglass

usata per il flussimetro, e di un tappo che convoglia, tramite dei canali, il flusso nei fori passanti. . . 105 3.31 Confronto fra l’andamento ricavato sperimentalmente e quello simu-

lato per una identica velocit` a; il package usato utilizzava cinque canali per lato, disposti a 0, 30

^◦

e 45

^◦

. . . 106 3.32 Caratteristiche di uscita, normalizzate sul valore massimo, in funzio-

ne della direzione del flusso, per varie velocit` a. . . 107 3.33 Caratteristiche di uscita in funzione della direzione, normalizzate

rispetto al valore massimo, per due differenti package: a): sezione 0.5 × 0.5 mm; b): 1 × 0.5 mm. . . 108 3.34 Fotografia dell’anemometro 2D: sono indicate dalle frecce le posi-

zioni dei sensori accoppiati con l’esterno tramite i dischetti centrali nei quali sono stati ricavati i canali. . . 109 3.35 Risposta normalizzata dei due sensori dell’anemometro 2D in fun-

zione dell’angolo, per una velocit` a del flusso di 7 nodi. . . 110 3.36 Risposta normalizzata dei due sensori. . . 111

4.1 Circuito scheda di lettura a tempo continuo. . . 113 4.2 Caratteristica di uscita del flussimetro per una sola direzione del

flusso. La tensione di uscita ` e stata amplificata di 150 dal sistema di lettura e il riscaldatore ` e stato pilotato con una tensione di 2 V . 115 4.3 Confronto fra le caratteristiche di uscita di un flussimetro secon-

do la direzione del flusso. L’uscita ` e stata amplificata di 150 e il

riscaldatore ` e stato alimentato con una tensione di 2 V . . . 116

(9)

ELENCO DELLE FIGURE ix

4.4 Confronto caratteristiche di uscite di due sensori di flusso con diffe- renti termopile. L’uscita ` e stata amplificata di 150 e il riscaldatore pilotato con una tensione di 2 V . . . 117 4.5 Risposta in frequenza dell’ampiezza della tensione rilevata dalla

singola termopila, sollecitando il riscaldatore con una sinusoide a frequenza variabile. . . 119 4.6 Uscita, in assenza di flusso, della singola termopila in funzione della

tensione continua applicata al riscaldatore (in rosso) e fitting poli- nomiale (ordine 2) dei dati estratti (in blu). Il segnale di uscita dalla termopila ` e stato amplificato di 150 volte e privato dell’offset presente a riscaldatore spento. . . 120 4.7 Andamento in funzione del tempo dell’uscita del sensore in risposta

ad un gradino di flusso. . . 122 4.8 Caratteristiche d’uscita (con amplificazione di 150) del flussimetro

al variare della temperatura, per una tensione di pilotaggio del riscaldatore di 2 V . . . 124 4.9 Differenza fra la risposta amplificata (A=150) del sensore con il chip

a 364 K e quella a temperatura ambiente (304 K ); il riscaldatore ` e stato pilotato con una tensione di 2 V . . . 125 4.10 Caratteristiche di uscita amplificate (A=150) al variare della tensio-

ne di pilotaggio del riscaldatore. . . 126 4.11 Schema a blocchi del sistema di lettura basato sulla tecnica chopper. 126 4.12 Circuito di test per l’amplificatore chopper. . . 127 4.13 Foto del sistema utilizzato per la caratterizzazione dell’anemometro. 129 4.14 Caratteristiche di uscita, normalizzate sul valore massimo, in funzio-

ne della direzione del flusso, per varie velocit` a. . . 130 4.15 Risposta normalizzata dei due sensori dell’anemometro 2D in fun-

zione dell’angolo, per una velocit` a del flusso di 7 nodi. . . 131 4.16 Risposta in frequenza, in camera chiusa, dell’ampiezza del rappor-

to fra il segnale proveniente dal µFlown e quello dal microfono di riferimento. . . 132 4.17 Risposta in frequenza, in aria, dell’ampiezza del rapporto fra il se-

gnale proveniente dal µFlown e quello dal microfono di riferimento. 133

(10)

ELENCO DELLE FIGURE x

4.18 Risposta in frequenza, in campo lontano, dell’ampiezza del rappor- to fra il segnale proveniente dal µFlown e quello dal microfono di riferimento . . . 135 4.19 Risposta in frequenza, per alte frequenze, dell’ampiezza del rappor-

to fra il segnale proveniente dal µFlown e quello dal microfono di riferimento. . . 136

5.1 Schema dei circuiti impiegati per la lettura ed il pilotaggio del flussimetro. . . 138 5.2 Layout della scheda di pilotaggio per il sensore di flusso. . . 139 5.3 Fotografia del package progettato per il flussimetro realizzato su un

case CERDIP. . . 140 5.4 Fotografia del flussimetro installato sulla scheda di pilotaggio e lettura.141 5.5 Fotografia del prototipo realizzato: ` e ben visibile al centro il package

in plexyglass con accoppiati i capillari di acciaio. . . 142 5.6 Caratteristica d’uscita del prototipo realizzato; il segnale d’uscita ` e

stato misurato con elettronica integrata, con un’amplificazione di 200. 143

A.1 Termopila integrata p-Si/Al . . . 146 A.2 L’effetto Seebeck: una tensione ∆V si instaura a causa di un diffe-