Low noise measurements

1. Daniel Kopiec1
, Konrad Nieradka1
, Maciej Rudek1
, Krzysztof Gajewski1
, Grzegorz Jóźwiak1
,
Andrzej Sierakowski2
, Piotr Grabiec2
, I. W. Rangelow3
, Teodor Gotszalk1
1
Wydział Elektroniki Mikrosystemów i Fotoniki Politechniki Wrocławskiej, ul. Janiszewskiego 11/17, 50-372 Wrocław
2
Instytut Technologii Elektronowej, ul. Al. Lotników 32/46, 02-668 Warszawa
3
Uniwersytet Techniczny w Ilmenau, Transferstelle, Ehrenbergstraße 11, 98693 Ilmenau, Niemcy
Pomiar szumów piezorezystywnych przetworników
mikromechanicznych
100m
fN
U
S f
2
/1
TRkS BJN 4
Szum niskoczęstotliwościowu typu 1/f,
związany z przepływem stałego prądu
elektrycznego. Widmo gęstości mocy
opisuje model Hooge’a.
Szum Johnsona-Nyquista, jest szumem
białym związanym z oddziaływaniem
nośników ładunku z atomami sieci
krystalicznej.
Szumy drgań mechanicznych,
powstałych pod wpływem termicznych
drgań atomów sieci krystalicznej i
zderzeń z cząstkami ośrodka
e-mail: daniel.kopiec@pwr.wroc.pl
W pracy przedstawiono piezorezystywne mikromechaniczne przetworniki siły oraz zmian masy wykonane technologiami
mikroelektronicznymi. Przedstawiona została ich zasada działania, główne źródła szumów występujących w tego rodzaju elementach oraz
konstrukcja wzmacniacza do pomiaru szumów występujących w prezentowanych układach mikromechanicznych.
Piezorezystywne przetworniki mikromechaniczne, znajdują zastosowanie jako czujniki do pomiaru masy, siły oraz oddziaływań
molekularnych. Analiza szumów daje możliwość określenia zdolności rozdzielczej pomiaru ugięcia bądź korespondującej z nią siłą
oddziaływań.
Wskazać można dwa zakresy pracy dźwigni:
● tryb statyczny, gdzie dominują szumy niskoczęstotliwościowe typu 1/f,
● tryb rezonansowy, gdzie najmniejszą obserwowalną wartość drgań belki ogranicza szum termiczny Johnsona–Nyquista oraz szum drgań
termomechanicznych
Prace częściowo finansowane w ramach programu TEAM - “High-resolution force and mass
metrology using actuated MEMS/NEMS devices – FoMaMet” (Grant Nr TEAM/2012-9/3)
organizowanego przez Fundację na rzecz Nauki Polskiej, współfinansowanego przez Europejski
Fundusz Rozwoju Regionalnego w ramach Programu Operacyjnego Innowacyjna Gospodarka
oraz w ramach grantu statutowego Politechniki Wrocławskiej S20034.
System pomiarowy
Pomiar sił oraz zmian masyPrzetworniki mikromechaniczne
2
0
2
0
0
1
1
4
Q
Q
k
Tk
S B
Th
Stanowisko pomiarowe do badania szumów
mikroprzetworników belkowych (oprogramowanie LabView,
karta przetwornikowa NI-6251USB)
POLDET U
R
R
U 2 Detektory wychylenia w postaci mostka piezorezystywnego,
równoważny schemat elektryczny uwzględniajacy źródło szumów
oraz topologię stosowanego przedwzmacniacza pomiarowego
0 200 400 600 800 1000 1200 1400
4,980
4,984
4,988
4,992
4,996
5,000
5,004
REF02
LM7805
REF02 - 106mA
LM7805 - 106mA
Napięciestabilizatora[V]
Czas [s]
Czas ustalania napięcia
Konstrukcja wzmacniacza
pomiarowego: wymienne moduły
przedwzmacniacza stosowane
w pomiarach szumów
niskoczęstotliwościowych typu 1/f
oraz termomechanicznych
przetworników belkowych
Dryf napięcia zasilania dla
układu LM7805 oraz
precyzyjnego źródła zasilania
REF02 (pomiar przeprowadzono
dla układu obciążonego oraz
nieobciążonego)
Porównanie widmowej gęstości szumów napięciowych przedwzmacniaczy pomiarowych dla
rezystancji wejściowej: a) 100 oraz b) 10 k, wzmocnienie układu pomiarowego wynosiło
22110 V/V)
1 10 100 1000 10000
10n
100n
1µ
Rs = 10 k
Widmowagęstośćnapięciaszumów[V/Hz]
Częstotliwość [Hz]
AD8671
AD8221
AD743
AD797
OP27
1 10 100 1000 10000
1n
10n
100n
Widmowagęstośćnapięciaszumów[V/Hz]
Częstotliwość [Hz]
AD8671
AD8221
AD743
AD797
OP27
Rs = 100
Detektor piezorezystywny
1 10 100 1000 10000
1n
10n
100n
1µ
UPOL
= 1V
UPOL
= 2V
UPOL
= 3V
SV
[VHz]
Częstotliwość [Hz]
4kB
TR
szum 1/f
szum termiczny Johnsona-Nyquista
RPRZ
= 1,5k
1 10 100 1000
1n
10n
100n
UPOL
= 1V
UPOL
= 2V
UPOL
= 3V
szum termiczny Johnsona-Nyquista4kB
TR
szum 1/f
RPRZ
= 2,54k
SV
[VHz]
Częstotliwość [Hz]
Widmowa gęstość szumów napięciowych badanych dźwigni z piezorezystywnym
detektorem ugięcia
Widmowa gęstość szumów termomechanicznych dźwigni z piezorezystywnym
detektorem ugięcia
ttll
R
R
F
t
l
2
6
F
t
l
R
R
l
l
l
2
6
Etapy procesu technologicznego
wytwarzania mikroprzetworników
m
k
f
2
1
0 3
3
4 l
Ewt
k
f0 – częstotliwość drgań własnych [Hz]
k – stała sprężystości [N/m]
m – masa [kg]
E – moduł Younga [N/m2
]
l,w,t - długość, szerokość, grubość [m]
Podstawowe zależności opisujące mechanikę dźwigni
k
mg
z
Odpowiedź statyczna (ugięcie) na
zmianę masy i/lub naprężeń
powierzchniowych
Odpowiedź dynamiczna (przesunięcie
rezonansu) na zmianę masy i/lub
naprężeń powierzchniowych
1
2R
k
f
m
czułość: kilka nm/ng
rozdzielczość: kilka ng
czułość: kilka Hz/pg
rozdzielczość: setki pg
zkF
Szumy w przetwornikach mikromechanicznych
Przesunięcie częstotliwości rezonansowej
mikroprzetwornika belkowego ze zintegrowanym
detektorem ugięcia pod wpływem dodatkowej
masy umieszczonej na powierzchni
Zestawienie parametrów badanych
mikroprzetworników belkowych ze
zintegrowanym detektorem
piezorezystywnym.
Parametr / Mikroprzetwornik 1 2
R – rezystancja przekątnej mostka [Ω] 2540 1500
fR – częstotliwość rezonansowa [Hz] 21351 14634
fT - czest. zrównania poziomu szumu [Hz] 60 3300
Napięcie szumów 1/f [nVRMS] 126 922
Szum ugięcia mikroprzetwornika [pm] 33 275
Napięcie szumów termomechanicznych [nVRMS] 306 179
Szum drgań termicznych [pm] 81 53
Czułość ugięciowa [ µV/nm ] 3,35 3,38
Stała sprężystości [N/m] 5,7 3,1
Minimalna mierzalna siła [fN] 35 82
Czułość pomiaru ugięcia [μV/nm] 4,52 1,04
Czułość pomiaru siły [μV/nN] 0,79 1,6