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diferencia entre ac y dc

  1. 1. Simposio de Metrología 2004 25 al 27 de Octubre EXPLICACION DE LAS DIFERENCIAS TRANSFER AC-DC DE VOLTAJE EN CONVERSORES TERMICOS FABRICADOS SOBRE UN CHIP DE SILICIO A ALTAS FRECUENCIAS L. Scarioni (1), M. Klonz (2) (1) Universidad de Carabobo, Facultad de Ciencias y Tecnología, Departamento de Física, Valencia, Venezuela. lscarion@uc.edu.ve (2) Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB), Bundesallee 100, 38116 Braunschweig, Germany. Manfred.Klonz@ptb.de Resumen: Se ha encontrado una explicación para las diferencias transfer ac-dc de voltaje sobre 100 kHz del conversor térmico de multiuniones de películas delgadas estándar (PMJTC) desarrollado en el PTB, fabricado sobre un chip de silicio. El modelo desarrollado para la simulación indica que el acoplamiento capacitivo entre los puntos de contacto del calefactor da origen a una resonancia cuando la resistencia del calefactor se incrementa, incrementando de esta manera la diferencia transfer ac-dc a valores negativos. De acuerdo al modelo se puede mejorar la respuesta en frecuencia de los conversores térmicos fabricados sobre un chip de silicio, reduciendo el tamaño de los puntos de contacto y utilizando sustratos con una constante dieléctrica más pequeña que la correspondiente al silicio. 1. INTRODUCCION Los conversores térmicos de multiuniones de películas delgadas (PMJTCs) sobre un chip de silicio Chip de Silicio fueron desarrollados en el Physikalisch-Technische Ventana Bundesanstalt (PTB) in 1986 [1] . El diseño básico se muestra en la Fig.1. En el PTB- PMJTC sobre un chip de silicio, un calefactor de películas delgadas de forma bifilar es fabricado Termoelementos Termoelementos mediante “sputtering” y un arreglo de 100 en serie Calefactor termoelementos es evaporado sobre una membrana de Si3N4/SiO2/Si3N4. La junta caliente de los Membrana termoelementos está colocada a lo largo del Chip de Silicio calefactor y las juntas frías están simétricamente colocadas sobre el borde de silicio, actuando como Calefactor Ventana un sumidero de calor. La membrana delgada dieléctrica y el arreglo de los termoelementos proporcionan una baja conductancia térmica, lo cual da al dispositivo una alta sensibilidad. Fig. 1 PTB-PMJTC sobre un chip de silicio Para aplicaciones a bajas frecuencias, la constante de tiempo térmica del PMJTC ha sido incrementada, 2. ANALISIS DE LA DIFERENCIA AC-DC EN colocando un obelisco debajo del calefactor [2]. A PMJTCs SOBRE UN CHIP DE SILICIO altas frecuencias sobre 100 kHz, los PMJTCs Diferentes modelos han tratado de explicar las fabricados con o sin obelisco muestran un grandes diferencias ac-dc en los PMJTCs sobre incremento en la diferencia transfer ac-dc hacia chip de Silicio que se observan para valores valores negativos con el incremento de la resistencia grandes de la resistencia del calefactor. El obelisco del calefactor. La fuente de esta diferencia transfer de silicio debajo del calefactor ha sido detectado por ha sido atribuida inicialmente a: capacitancia entre Wunsch [3] como una fuente de diferencia ac-dc los dos hilos del calefactor, capacitancia entre el negativa. El obelisco de silicio debajo del calefactor calefactor y los termoelementos y pérdidas incrementa la capacitancia en paralelo con el dieléctricas en la membrana. Sin embargo, los calefactor y así la diferencia transfer ac-dc hacia valores calculados son tan pequeños que no valores negativos. Pero la mayor parte de la explican las diferencias observadas (Fig. 2). diferencia ac-dc es también observada en PMJTCs sin obelisco (Fig . 2). 1
  2. 2. Simposio de Metrología 2004 25 al 27 de Octubre El efecto tiene las siguientes características: La Fig. 4 muestra los parámetros utilizados en el 1) es independiente del voltaje de entrada, cálculo del acoplamiento capacitivo. Este cálculo fue 2) depende fuertemente del valor de la resistencia realizado modelando los pads como una guía de onda del calefactor, coplanar simétrica [6]. 3) se incrementa cuadráticamente con la frecuencia. Sin embrago este efecto no es observado en 20 µm 290 µm dispositivos con una configuración del calefactor recta [4]. Pad 0,8 µm R H Si3N4 1 µm Si 400 µm Fig. 4. Parámetros geométricos para el cálculo frecuencia del acoplamiento capacitivo en los pads del Fig. 2. Mediciones de diferencias transfer ac-dc calefactor. δu a altas frecuencias de PMJTCs, sin obelisco para diferentes resistencias del calefactor RH. Las Figs. 5 y 6 muestran las mediciones de la diferencia transfer ac-dc para PMJTCs con obelisco 3. INFLUENCIA DEL ACOPLAMIENTO y diferentes resistencias del calefactor. CAPACITIVO La influencia del acoplamiento capacitivo fue 50 estudiada fabricando dos grupos de PMJTCs con el obelisco de silicio, diferentes resistencias del µV/V 0 calefactor y con grandes y pequeños puntos de contacto (pads) del calefactor. El área de los puntos de contacto se incremento en un factor de 23, -50 dando como resultado una capacitancia de 10,8 pF en lugar de 1,7 pF. El modelo parametrico mostrado -100 en la Fig. 3 fue utilizado para determinar la ac-dc δu pads pequeños diferencia transfer debido al acoplamiento capacitivo -150 pads grandes entre los puntos de contacto del calefactor. RCu LCu RAu LAu LH -200 100 kHz 1000 frecuencia CwCu CwAu Cc Uf ,U0 Gcarrier(f) RH Fig. 5 Mediciones de la diferencia transfer ac-dc Gc(f) para un PMJTC con obelisco, con grandes y pequeños puntos de contacto (pads) del calefactor. Resistencia del calefactor RH = 112 Ω. RCu LCu RAu LAu LH La Fig. 7 muestra los valores calculados de la Fig. 3 Modelo parametrico del calefactor con el diferencia transfer ac-dc de acuerdo al modelo acoplamiento capacitivo Cc = 1,7 pF, CwCu = 0.7 presentado en la Fig. 3, debido al acoplamiento pF, CwAu = 0.07 pF, Gcarrier = 4.4 nS y Gc = 53.4 nS a capacitivo, para diferentes resistencias del 1 MHz respectivamente, RCu = 1 mΩ, RAu = 5 mΩ, calefactor. y la inductancia de ambos LCu = 1 nH and LAu = 5 nH. 2
  3. 3. Simposio de Metrología 2004 25 al 27 de Octubre La Fig. 8 muestra la variación de los valores donde calculados de la diferencia transfer ac-dc con la capacitancia de los puntos de contacto (pads) del δU1= diferencia transfer debido al cambio en la parte calefactor para diferentes resistencias. real de la impedancia del calefactor con el obelisco, µV/V 0 δU2= diferencia transfer debido a capacitancias entre los hilos de conexión y al acoplamiento -200 capacitivo, -400 δU3= diferencia transfer debido al efecto Skin en los -600 hilos de conexión. -800 pads pequeños δu pads grandes 0 -1000 µV/V -1200 -20 100 KHz frecuencia -40 -60 RH = 200 Ω Fig. 6 Mediciones de la diferencia transfer ac-dc δu RH = 400 Ω para un PMJTC con obelisco, con grandes y -80 RH = 800 Ω pequeños puntos de contacto (pads) del calefactor. Resistencia del calefactor RH = 800 Ω. -100 0,4 0,8 1,2 1,6 2,0 pF 40 acoplamiento capacitivo Cc µV/V 20 0 Fig. 8 Variación de las diferencias transfer ac-dc calculadas con la capacitancia de los -20 puntos de contacto del calefactor para -40 diferentes resistencias RH . RH = 112 Ω -60 RH = 254 Ω δu RH = 523 Ω La Fig.9 muestra los valores medidos y los valores -80 RH = 800 Ω calculados según el modelo presentado en la Eq. (1) -100 para un PMJTC con obelisco de Silicio, pads pequeños y una resistencia del calefactor de 112 Ω. 100 KHz 1000 frecuencia µ V/V 60 Fig. 7 Valores Calculados de las diferencias transfer ac-dc debido al acoplamiento capacitivo en los pads del calefactor para diferentes 40 resistencias del calefactor. Medidas Calculadas 4. MODELO UTILIZADO PARA LA δu 20 SIMULACION MOdelo 0 El modelo utilizado para el calculo de la diferencia 0,1 MHz 1 frecuencia transfer ac-dc del PMJTC sobre un chip de Silicio en el rango de frecuencias de 100 kHz a 1 MHz es: Fig. 9 Valores medidos y valores calculados según el modelo presentado en la Eq. (1) para un δ Uac−dc = δ U1 + δ U2 + δ U3 (1) PMJTC con obelisco de Silicio, pequeños pads y una resistencia del calefactor de 112 Ω. 3
  4. 4. Simposio de Metrología 2004 25 al 27 de Octubre La Fig.10 muestra los valores medidos y los valores Trans. Instrum. Meas., vol. 40, no.2, pp 350- calculados según el modelo presentado en la Eq. (1) 351, April 1991. para un PMJTC con obelisco de Silicio, pads [3] T. Wunsch, “Microfabricated grandes y una resistencia del calefactor de 112 Ω. Multiunction Thermal Converters,” Ph.D. Engineering, The University of New Mexico, July 2001. [4] T. Wunsch, J. Kinard, R. Manginell, 0 O. Solomon, and T. Lipe, “Fabrication process µ V/V for planar Thin-Film Multijunction Thermal -50 Converters,” in CPEM Conf. Dig. 2000, pp 387- 388, May 2000. Medidas [5] L. Scarioni, M. Klonz, H. Laiz and M. -100 Calculadas Kampik, “High-Frequency Thin-Film δu Multijunction Thermal Converter on a Quartz -150 Crystal Chip,” IEEE Trans. Instrum. Meas., vol. 52, no.2, pp 345-349, April 2003. -200 [6] B. C. Wadell, “Transmission Line,” Design 0,1 frecuencia MHz 1 Handbook, Artech House, Inc., 1991. Fig. 10 Valores medidos y valores calculados según el modelo presentado en la Eq. (1) para un PMJTC con obelisco de Silicio, pads grandes y una resistencia del calefactor de 112 Ω. 5. CONCLUSIÓN Los experimentos y los cálculos realizados del efecto del acoplamiento capacitivo de los puntos de contacto del calefactor del PTB-PMJTC, muestran un incremento de la diferencia transfer ac-dc a valores negativos con el incremento de la frecuencia y de la resistencia del calefactor. Mejoras en la respuesta a alta frecuencia de los PTB-PMJTCs se pueden conseguir con una disminución de la capacitancia de los puntos de contacto del calefactor. Esto se obtiene con una disminución del tamaño de los puntos de contacto (pads) o con el uso de sustratos con una permitividad más pequeña que la del silicio, como por ejemplo, el cuarzo. El modelo utilizado también permite calcular la influencia del obelisco de silicio debajo del calefactor. REFERENCIAS [1] M. Klonz, T. Weimann, “Accurate Thin Film Multi-junction Thermal Converter on a Silicon Chip,” IEEE Trans. Instrum. Meas., vol. 38, pp 335-339, April 1989. [2] M . Klonz, T. Weimann, "Increasing the Time constant of Thin-Film Multijunction Thermal Converters at PTB/ IPHT,“ IEEE 4

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