SENZORJI TLAKA REALIZIRANI S POMOČJO DEBELOPLASTNE TEHNOLOGIJE s. šoba, D. Belavič, M. Hrovat*, B. Pavlin, A. Simončič ^ Iskra Hipot d.o.o., Šentjernej, Slovenija * Institut Jožef Stefan, Ljubljana, Slovenija Ključne besede: senzorji tlaka, senzorji piezoupornostni, senzorji industrijski, mikroelsktronika, tehnologije debelopiastne, pretvorniki tlaka, senzorji multipleksni, NTC termistorji, inovacije tehnološke, doravnavanje, doravnavanje lasersko, tolerance ozke Povzetek: Zastavljeni namenski cilj razvojnega projekta - povečanje tržnega deleža na področju senzorjev tlaka - je dosežen. Razvili smo skupino industrijskih senzorjev tlaka. Posebej bi omenili multiplex senzor in družino senzorjev ter pretvornikov za različna tlačna področja. Poleg tega smo osvojili različna znanja in razvili nove tehnološke postopke, ki so uporabni tudi za druge izdelke. Poudarili bi tehnološke inovacije pri debeloplastnem senzorju sile, doravnavanju debeloplastnih NTC termistorjev do ozkih toleranc in zapiranja mehansko občutljivih debeloplastnih vezij v plastična ohišja. Pressure Sensors Realized by Thick Film Technology Keywords: pressure sensors, piezoresistive sensors, industrial sensors, microelectronics, thick film technologies, pressure transducers, multiplex sensors, NTC termistors, techological innovations, trimming, laser trimming, narrow tolerances Abstract: The purpose of research and development project - an increased pressure sensor market share - has been achieved. The group of Industrial pressure sensors (multiplex sensor, the family of sensors and transducers for different pressure etc.) was developed. The various "know-how" were acquired and new technological processes usable also on other fields, have been developed. As examples thick film strain gauge, laser trimming of thick film NTC thermistors to narrow tolerances and encapsulation of stress sensitive thick film circuits could be mentioned. Uvod V letih 1991 - 1993 je potekal projekt "Senzorji tlaka realizirani s pomočjo debelopiastne tehnologije", ki ga je z 20% deležem sofinanciralo Ministrstvo za znanost in tehnologijo Republike Slovenije. Naročnik projekta je bila ISKRA HIPOT, Tovarna elektronskih elementov in opreme, d.o.o., Šentjernej, Trubarjeva 7, izvajalci projekta pa Institut Jožef Stefan in Iskra Razvojno raziskovalni inštitut lEZE RO HYB Šentjernej ISKRE HIPOT Projekt je bil zastavljen na podlagi uspešne realizacije ill!! iiiil!!': 1 ■ ' ■ 0 12 3 in redne velikoserijske proizvodnje senzorja za merjenje krvnega tlaka za enkratno uporabo (slika 1). Omenjeni senzorje aplikacija piezoupornostnega silicijevega senzorja tlaka (slika 2) na debeloplastnem kompenzacijskem vezju, narejenem na keramičnem substratu (slika 3). Dobro obvladovanje proizvodnje senzorja krvnega tlaka je dajalo utemeljeno podlago za razmišljanje o uporabi podobne in še bolj dodelane tehnologije za razvoj novih izdelkov s področja senzorjev tlaka. Zastavljen je bil projekt, čigar končni cilj je bil Senzor za merjenje krvnega tlaka za enkratno uporabo Slika 2: Piezoupornostni silicijev senzor tlaka na debeloplastnem kompenzacijskem vezju II llll 1 !iii|iiii ini|nii iiiijfiii ifii|ii! 2 3 4 nii|iiii iiii|ini iiii|iii I 7 8 Slika 3: Keramična ploščica s 16 piezoupornostnimi silicijevimi senzorji tlaka na debelo- plastnem kompenzacijskem vezju M|ll|.jH,,jnnjiu,jnu unfm 0 12 3 iMnnillllllllll Ii I I , I 5 6 7 SUka 4: Multiplex senzor (modul z 8 silicijevimi senzorji tlaka za tlačno področje do 1 bar in dvema 4-kanalnima CMOS multiplexerjema) razširiti tržni delež na področju senzorjev tlaka. Na podlagi analize trga smo se odločili za naslednje seg-mentne cilje projekta: - industrijski senzorji in pretvorniki z uporabo debeloplastne tehnologije - kompenzirani senzorji tlaka ža uporabo v procesni industriji v različnih izvedbah - aplikacije senzorjev in pretvornikov za uporabniška vezja - debeioplastni senzor sile z različnimi aplikacijami - medicinski senzorji tlaka (možganski senzor tlaka, senzor krvnega tlaka nove generacije Predstavljamo rezultate raziskovalnega dela, ki se kažejo v osvojitvi novih trgov, novih proizvodih in novih proizvodnih postopkih, tehnoloških inovacijah in patentih. Predstavitev rezultatov projekta Rezultate projekta lahko uvrstimo v tri skupine glede na doseženo stopnjo uporabe in prenosa v proizvodnjo. V pn/i skupini predstavljamo raziskovalne dosežke iz vseh segmentnih ciljev projekta, ki so prišli v redno proizvodnjo in ki jih uspešno tržimo. S temi izdelki je bila dosežena I® n J Osvojitev novih trgov Na področju industrijskih senzorjev je bil za proizvod multiplex senzor narejen kompleten razvoj proizvoda od ideje do tržne realizacije. Proizvod je v redni proizvodnji. Multiplex senzorje aplikacijsko vezje, ki se sestoji iz 8 silicijevih senzorjev tlaka za tlačno področje do 1 bar in dveh 4-kanainih CMOS multi-plexerjev (slika 4). Namenjen je uporabi v sistemu, kjer je potrebno hitro preletavanje točk merjenega pritiska. Krmiljenje (CMOS logika) in kompenzacija Slika 5.6: Plošča s 15 moduli multiplex senzor s skupno 120 senzorji tlaka; plošča vključno z vsemi cevkami in priključki merjenih vrednosti iz senzorjev se opravlja računalniško oz. mikroprocesorsko. Za kupca smo razvili tudi ploščo s tiskanim vezjem, na katerem je 15 modulov multiplex senzor s skupno 120 senzorji tlaka. Tiskano vezje je načrtovano tako, da bustno ohišje. Vsi pretvorniki so kompenzirani v temperaturnem področju O - 70°C. Od faze ideje do prototipa so bili razviti naslednji proizvodi, ki jih iz različnih razlogov zaenkrat še ni v redni proizvodnji, nekatere rezultate iz razvoja teh izdelkov pa že uporabljamo v drugih proizvodih iz redne proizvodnje senzorjev. !III 1111 Slika 7: lin ini riFiinrnnim lili 2 3 4 6 Senzor tlaka za diferencialni tlak 0-1 bar oz. O-Sbar omogoča hitro preletavanje vseh senzorjev in zapis meritev v računalnik. Tudi to ploščo vključno z vsemi cevkami in priključki redno proizvajamo (slika 5, slika 6). Na področju kompenziranih senzorjev tlaka za uporabo v procesni industriji je v redni proizvodnji senzor tlaka za diferencialni tlak 0-1 bar oz. 0-5bar (slika 7). Gre za sorazmerno cenen kompenzirani senzor narejen iz podobnih materialov kot velikoserijski senzor krvnega tlaka. Senzorski element tega senzorja je na sliki 2. Med kompenziranimi pretvorniki tlaka za uporabo v procesni industriji smo s pomočjo računalniškega modeliranja vezja razvili za nemškega partnerja družino pretvornikov tlaka v tlačnem področju 20mbar - 5bar (20mbar, SOmbar, 10Ombar, 350mbar, 1 bar, 2bar, 5bar - vsi relativni in 1 bar absolutni). Vsi pretvorniki so v redni proizvodnji (slika 8). Skupna za vse pretvornike je enaka napajalna napetost (najmanj 4.8V) in enak električni odziv (0.5 - 4.5V) glede na izbrano tlačno področje in majhno ter ro- Novi proizvodi in novi proizvodni postopki Pretvornik tlaka 0-1 SOmbar je podoben prej omenjenemu kompenziranemu pretvorniku tlaka, le da je narejen s cenejšimi materiali (slika 9). V njem je uporabljen senzor, ki ga uporabljamo za velikose-rijsko proizvodnjo krvnega tlaka. Namenjen je uporabi v izdelku za trg široke potrošnje. 0 12 3 4 Slika 9: Pretvornik tlaka O-1 SOmbar V okviru projekta smo imeli nalogo razviti tudi senzor sile za tehtnico z merilnim obsegom od 10 g do 3 kg in točnostjo +-2% polnega obsega. Glede na zahteve smo razvili in izdelali prototipe senzorja sile ter jih testirali in izmerili njihove lastnosti. HCXM020D6V 134 Medicinski senzor tiaka - nova verzija glede na obstoječega v redni proizvodnji. Za ta senzor so bila v sodelovanju z domačim partnerjem razvita vsa orodja za ohišje, izboljšani pa so bili postopki zapiranja mehansko občutljivega senzorskega dela. Illl llll Možganski senzor tlaka - z miniaturnim silicijevim senzorjem v kovinskem ohišju. Namen pri tem senzorju je bil ohraniti čim več dobrih lastnosti senzorja krvnega tlaka ob hkratni maksimalni miniaturizaciji vezja. V toku izvajanja projekta je prišlo do razvoja več tehnološko različnih postopkov, ki predstavljajo Slika 8: Družina pretvornikov tlaka v tlačnem področju 20mbar - Sbar (20mbar, SOmbar, lOOmbar, SSOmbar, 1bar, 2bar, Sbar - vsi relativni in 1bar absolutni) Teiinološke inovacije tehnologija izdelave relativnih kompenziranih senzorjev tlaka v področju pritiskov 100 - 5000 mbar, O -70°C v debeloplastni tehnologiji z uporabo piezou-pornostnega silicijevega senzorja tlaka; tehnologija izdelave pretvornikov tlaka v področju pritiskov 20 - 5000 mbar, O -70°C, v debeloplastni tehnologiji, z različnimi aktivnimi izhodi (0-5V, 0-12V, 4-20mA, itd.); tehnologija zapiranja mehansko občutljivih debelo-plastnih vezij v plastično ohišje; tehnologija izdelave medicinsko atestiranega ko-nektorja in kalibracijske tipke na medicinskem senzorju tlaka za enkratno uporabo; patentiran postopek laserskega doravnavanja de-beloplastnih NTC termistorjev do ozkih toleranc; tehnologija izdelave senzorja sile na osnovi piezou-pornostnega efekta debeloplastnih uporov z dopustno deformacijo 1000 jam/m. Možne so aplikacije elementa senzorja sile za merilno področje od 10g -500kg (odvisno od nosilnega elementa) oz. za meritev pritiska od 1 bar navzgor, odvisno od dimenzij membrane. ZAKLJUČEK Zastavljeni cilj projekta - povečanje tržnega deleža na področju senzorjev tlaka - je dosežen. Na področju medicinskih senzorjev smo najmanj ohranili tržni delež navkljub povečani konkurenci. Uspešno pa smo vstopili v trg industrijskih senzorjev, za večji prodor na ta trg pa moramo vzpostaviti redno velikoserijsko proizvodnjo industrijskih senzorjev, kar planiramo za leto 1995. Naročila za te senzorje že imamo. Rezultati projekta so plod skupnega dela raziskovalnega dela raziskovalcev Instituta Jožef Stefan, Iskra RRI lEZE RO HYB in ISKRA HIPOT Tovarna hibridnih vezij,d.o.o. Del rezultatov je že prenešen v proizvodnjo, del rezultatov je pripravljen za prenos v proizvodnjo. Prenos rezultatov v proizvodnjo je delo raziskovalcev Iskre Hi-pot. BIBLIOGRAFIJA Objave: Marko Hrovat, Darko Belavič, Aleš Markošek, Slavko Bernik, "Lastnosti" kombinacij NTC in debeloplastnih uporovnih past, IJS delovno poročilo, DP-6284, 1991 Marko Hrovat, Darko Belavič, Stojan Šoba, Aleš Markošek, Thick film resistor materials for strain gauges, Proc. 20th Int. Conf. on Microelectronics / 28th Symp. on Devices and Materials MIEL-SD 92, Portorož, 1992, 343-348 Marko Hrovat, Darko Belavič, Aleš Markošek, Characteristics of thick film NTC/resistors combinations, Proc. 20th Int. Conf. on Microelectronics / 28th Symp. on Devices and Materials MIEL-SD 92, Portorož, 1992, 355-358 Marko Hrovat, Darko Belavič, Aleš Markošek, Overlapping of thick film NTC thermistors and resistors: a way to optimise laser trimming of narrow tolerance NTC thermistors. Hybrid Circuits, (32) (1993) 16-20 Marko Hrovat, Darko Belavič, Stojan Šoba, Thick film resistors for strain gauges fired on multilayer dielectrics, Proc. 21st Int. Conf. Microelectronics MIEL-93 / 29th Symp. on Devices and Materials SD-93, Bied, 1993, 91-95 Marko Hrovat, Darko Belavič, Silvo Mojstrovič, A new approach to laser trimming of thick film NTC thermistors, Proc. 21 st Int. Conf. Microelectronics MIEL-93 / 29th Symp. on Devices and Materials SD-93, Bled, 1993, 97-101 Patent: Marko Hrovat, Darko Belavič, Aleš Markošek, Postopek laserskega doravnavanja debeloplastnih NTC termistorjev do ozkih toleranc pod 1%, Št. patenta P - 8300417 Stojan Šoba, dipl. ing. Darl