5. Senzory na principu: Piezoelektrickém Ultrazvuk SAW. A) Senzory s piezoelektrickým principem. b a. b a

5. Senzory na principu: Piezoelektrickém Ultrazvuk SAW Přednášející:

A) Senzory s piezoelektrickým principem

Prof. Ing. Miroslav Husák, CSc. [email protected] tel.: 2 2435 2267

ČVUT FEL Praha, Prof. Ing. Miroslav Husák, CSc.

1

Princip činnosti

2


Princip činnosti Podélný piezoelektrický jev (Fx)

Qxx = k p Fx U xx = ku Fx Příčný piezoelektrický jev (Fy)

kp – piezoelektrická konstanta

Qxx = k p

b Fy a

ku – napěťová citlivost senzoru

U xx = ku Na elektrodách se vytváří náboj (napětí) ČVUT FEL Praha, Prof. Ing. Miroslav Husák, CSc.

3


b Fy a 4

Realizace piezokeramického materiálů (zabudování piezoelektrického jevu)

Princip činnosti – piezoelektrický senzor

Keramiky nemá po výrobě piezoelektrický efekt – získá se krátkým průchodem proudu (polarizací)

Princip činnosti – piezoelektrický aktuátor

Keramika bez piezoelektrických vlastností

Polarizace při průtoku elektrického proudu

Zbytková polarizace


5

Princip činnosti – piezoelektrický senzor



6

Princip činnosti – piezoelektrický senzor pro vibrace

7


8

Princip činnosti – piezoelektrický aktuator

Princip činnosti – piezoelektrický zdroj vibrací

9


Princip činnosti

Princip činnosti – oscilační módy piezoelektrických rezonátorů Změna podélného rozměru tenké pravoúhlé desky

příčný

podélný


10


Změna tloušťky tenké kruhové desky

střih

11

Změna ve střihu

Podélná změna válce

Planární změna tloušťky tenké kruhové desky


12

Baterie – zvyšování citlivosti

Silové působení Piezoelektrický aktuátor

Posuv (μm) ≤ 1000 Síla (N) ≤5 Napětí (V) 60 ÷ 400 a)


13

Vlastnosti materiálů

≤ 50 ≤ 1000 120 ÷ 1000

≤ 50 ≤ 1000 60 ÷ 500

20 ÷ 200 ≤ 3000 60 ÷ 1000

b)

c)

d)

14


Vlastnosti materiálů

ε r = f (ϑ )

ρSi = f (ϑ )

ε r = f (ϑ )


15


16

Zpracování signálu ze senzoru senzor – náhr. zapojení

Zpracování signálu ze senzoru Impedanční transformátor

připojení

Impedanční transformátor ve společném pouzdře se senzorem

senzo r

Nábojový zesilovač

Poznámka: zdroj náboje – nutné impedanční přizpůsobení ČVUT FEL Praha, Prof. Ing. Miroslav Husák, CSc.

17

Zpracování signálu ze senzoru


18

Podle: Ďaďo,Kreidl: senzory a měřicí obvody.

Zpracování signálu – LT3469

Spínaný zdroj – zvyšující zapojení

Zesilovač - vstupního řídicího signálu


19


20

Typické použití


Typické použití

21

Typické použití


22

Typické použití

Měření tlaku v hlavě válců


23


24

Podle: Ďaďo,Kreidl: senzory a měřicí obvody.

Typické použití


Typické použití

25

Typické použití


26

Typické použití Senzor k měření nárazu


27


28

Typické použití

Typické použití

Piezoelektrická rezonanční mikrováha

Zdroj vysokého napětí pro piezoelektrický zapalovač plynu

•Piezoelektrický rezonátor •Substrát obsahuje topný element, který udržuje pracovní teplotu na 45°C (teplotní stabilizace rezonančního kmitočtu senzoru) •Oscilátor je zapojen do fázového závěsu - vstup je přepínán ze všech 4 senzorů. Oscilátor pracuje na kmitočtu 7,16 MHz. •Citlivost - cca 510 Hz/µg, •Rozlišení 40 ng. 29



30

Typické použití Zobrazovací piezoelektrický senzor pro medicínu Základních konstrukce zobrazovacího piezoelektrického snímače

Piezoelektrický zobrazovací senzor s jednou keramickou vrstvou (v řezu) ČVUT FEL Praha, Prof. Ing. Miroslav Husák, CSc.

Tloušťka piezoelektrického materiálu (keramický) s elektrodami a připojený vývody se rovná λ/2 pracovního kmitočtu (vlnové délky) a obvykle má rozpůlenou vrstvu na dvě vrstvy λ/4. Vrstvy jsou připojené k povrchu vyzařujícím akustický signál s optimalizací přenosu energie mezi sondou a tělem nebo tkání. Zaostřovací vlastnosti jsou realizovány čočkou, zatímco základní materiál pomáhá řídit šířku pásma snímače, které musí být dosti široké ke generaci krátkých impulsů potřebných pro dobré prostorové rozlišení. 31

B) Senzory s ultrazvukovým principem


32

Rychlost šíření zvukových vln ve vzduchu Rychlost šíření zvuku je závislé na teplotě a na tlaku plynu (vzduchu) Teplotní závislost

c = 331,6 + 0,61 • T

(m/s)

Tlaková závislost


33

Princip činnosti ultrazvukového senzoru


34

Vyhodnocování signálu z ultrazvukového senzoru

Piezokeramický měnič (piezoelektrický princip)

Měření vzdálenosti – (jednosystémový)

Materiálový přechod mezi zdrojem zvuku a okolím – tj. transformace malé amplitudy s velkou silou na piezokeramice na velkou amplitudu a malou sílu do okolí (impedanční přizpůsobení mezi zdrojem a zátěží)

Princip přizpůsobení (provedení měničů)

a) řešení - Piezokeramický kotouč slepený s kovovým kotoučem. Příčné síly piezokeramiky způsobí prohnutí systému s velkou amplitudou. Velká časová konstanta. Náhradou kovového kotouče destičkou na bázi skla a pryskyřice se zlepší přizpůsobení asi 20x. b) řešení - Elastická kovová membrána je buzena keramickou destičkou ČVUT FEL Praha, Prof. Ing. Miroslav Husák, CSc.

35


36



Měření vzdálenosti – blokové zapojení vysílač/přijímač

Synchronizace činnosti dvou nebo více senzorů


37



38

Ultrazvukové senzory

Časový multiplex


39


40

Vyhodnocování signálu z ultrazvukového senzoru Činnost senzoru v režimu - závora

Aplikace ultrazvukového senzoru Počítání průhledných plastových lahví


41


Aplikace ultrazvukového senzoru

Aplikace ultrazvuk. senzoru

Detekce přítomnosti lahví v prostředí se stříkající vodou

Zjišťování výšky hladiny materiálů pohlcujících zvuk


43


42

44

Typické použití

Aplikace ultrazvukového senzoru

Reflexní měření výšky hladiny

Hlídání výšky hladiny


45

Typické použití

46


Typické použití - Parkování – ultrazvuk přijímač/vysílač

Parkování – ultrazvuk přijímač/vysílač


47


Conrad 2006

48

Typické použití - Parkování – ultrazvuk přijímač/vysílač

Typické použití Kontrola přítomnosti vlhkého papíru ve strojiHoneywell ULTRASONIC AP 00212


Conrad 2006

49


Typické použití

Typické použití

Kontrola výšky hladiny – Honeywell ULTRASONIC AP 00207

Kontrola hladiny – Honeywell ULTRASONICAP 00218


51


50

52

•

Typické použití Přibližovací senzor

•

V přítomnosti předmětu nebo osoby dojde k odrazu signálu a jeho vyhodnocení v přijímači. Bez přítomnosti předmětu nebo osoby se signál neodráží.

40 kHz

nastavení kmitočtu

astabilní multivibrátor

C) Senzory s principem SAW (Surface Acoustic Wave)

zesilovače IO2 a IO3


usměrňovač

klopný obvod

53

Humlhans,J.: Zajímavá zapojení – 3.díl. Ben, 2005


Princip SAW senzorů


Rayleighova povrchová akustická vlna

Rayleighova povrchová akustická vlna

• podélná a příčná složka

• podélná a příčná složka

• vzniká, pokud má podložka piezoelektrické vlastnosti

• vzniká, pokud má podložka piezoelektrické vlastnosti

• Podložka - monokrystalický Si nebo LiNbO3

• Podložka - monokrystalický Si nebo LiNbO3


55


54

56


Princip SAW senzorů Uspořádání systému

• Akusticko-elektrické součástky - šíření akustické vlny po povrchu piezoelektrické monokrystalické podložky, na které je interdigitální měnič (IDT – Inter Digital Transducers).

• Zpožďovacího vedení

• Využití tzv. Rayleighova vlnění a piezoelektrického efektu

• Rezonátor se SAW jednobranový

• Rychlost šíření po povrchu je ovlivněna vlastnostmi materiálu a působením vnějších neelektrických veličin

• Rezonátor se SAW dvojbranový

• Nejčastější se SAW uplatňuje v pásmových filtrech 3 - 300 MHz • v rezonátorech a zpožďovacích vedeních se zpožděním signálu od 1 μs do 1 ms


57



58

Aplikace SAW senzorů

Elektronické vyhodnocovací obvody

Tlakový senzor

Měření změny parametrů Rayleighovy vlny v závislosti na prostředí mezi elektrodami (nejčastěji změna frekvence) Lze měřit: a) frekvence oscilátoru se SAW ve zpětné vazbě b) rozdíl amplitud na vstupu a výstupu SAW c) rozdíl fází mezi vstupem a výstupem SAW

Výstup teplotně nekompenzovaného systému (přímá frekvence fp)


59


Výstup teplotně kompenzovaného systému (rozdílová frekvence fd)

60



Teplotní senzor

Senzor vlhkosti

Příklad: λ= 85,2 um, λ/8 = 10,65 um, 15 elektrodových párů s rozměrem a = 6,1 mm = 72 λ, plocha 7x6 mm, substrát LiNbO3 o tloušťce 0,5 mm je přilepen na keramické destičce, střed frekvence oscilátoru je 43 MHz. Změna frekvence oscilátoru je funkcí teploty v rozmezí -40 oC až +160 oC Citlivost senzoru je 4 kHz/oC, ∆f mezi nejvyšší a nejnižší teplotou je 800 kHz. Vyhodnocování změny fáze nebo amplitudy přijímaného signálu s rezonátorem


61




Mikrosenzor magnetického pole

Chemické senzory - princip činnosti Selektivně citlivá vrstva na různé plyny nebo páry na povrchu SAW. Vrstvy reagují s daným plynem nebo párou (Přímá reakce senzoru na absorbované plyny nebo páry by nebyla výrazná a reprodukovatelná). Reakcí se mění hmotnost nebo mechanické vlastnosti vrstvy. Větší citlivosti se dosahuje při větších tloušťkách. Změna hustoty nebo tloušťky citlivé vrstvy způsobují posuv ∆f rezonanční frekvence senzoru.

Působením vnějšího magnetického pole na tenkou magnetickou vrstvu, kterou se šíří povrchově akustická vlna, dochází k modulaci akustických parametrů magnetoelastických materiálů. Mikrosenzor má digitální výstupního signálu.


62

63


64



Chemické senzory – konstrukce senzoru

Senzor síly a mechanického namáhání

Příklad Senzor - dva interdigitální měniče na Si substrátu. IDT obsahuje 50 dvojic palců z dvojvrstvy Cr/Au, šířka palců je 25 um, vzdálenost 25 mm, překrytí palců je 7250 nm.Vzdálenost obou IDT je 2 cm. Citlivá vrstva je z polymetylmetakrylátu nebo polyizoprénu.

• Podložka je na jednom konci pevně uchycená a na druhém konci je namáhaná axiální nebo radiální silou. • Frekvence oscilátoru je 100 MHz, citlivost při axiálním namáhání je 50 až 90 Hz/N,

Poznámka Lze detekovat přítomnost plynů (SO2) s koncentrací menší než např. 100 ppb (tj. 100 mg SO2 v 1 t plynu (vzduchu)). polymetylmetakrylát

polyizoprénem


65


66

Aplikace SAW senzorů Senzor síly a mechanického namáhání modifikace principu pro měření úhlu působení síly F a) kruhová podložka přizpůsobená pro proti sobě působící síly b) závislost citlivosti na úhlu působení síly


Aplikace implantovatelných SAW tlakových senzorů v medicíně

67


68

Goal

Some Contributions to Market Size UK Figures

Implant a sensor element yielding localised pressure measurement for long-term monitoring of patients in the hospital or at home with minimal risk.

• • •

Applications in Clinical Care Where implantation could accompany an existing intervention or replace catheterisation: Cardiovascular system: Intra-cardiac post transplant or post valve replacement Chronic heart disease Arterial grafts Aneurism repair Hypertension

Neurological system :

Intra-cranial pressure

Implanted heart valves (mechanical or biological) c. 6,500 pa Heart or Heart&Lung Transplants c. 400 pa Heart assist devices (implanted variety) n/a

Major cardiac intervention where implanting would marginally alter the risk. Benefits: - Local pressure measurement in one or more chambers. - Continuous and instantaneous measurement. - No further intervention (catheterisation)

Abdominal Aortic Aneurism • • •

(High mortality 8,500 deaths/year (England & Wales) High volume (15,000 year (England & Wales) Small increase in Risk

Gastro-Intestinal system :Bladder pressure


Ch.M.Leod Ch. Leod,, R. Dickinson Dickinson,, A.Sabkha Sabkha,, Ch Ch..Toumazou Toumazou,, 69 Applications for implantable SAW pressure sensors, 2004

Ch..M .Leod Ch Leod,, R. Dickinson Dickinson,, A.Sabkha Sabkha,, Ch Ch..Toumazou Toumazou,,

70


72

ČVUT FEL Praha, Prof. Ing. Miroslav Husák, CSc. Applications for implantable SAW pressure sensors, 2004

Some Contributions to Market: Hypertension & Risk Hypertension • •

High total number: c. 1 million Risk assessment by classification: Grade 1,2,3 (Systolic >140, 160, 180 and Diastolic >90, 100, 110) WHO/ISH1 Stratification of Risk to Quantify Prognosis Other Risk Factors and Disease History I No other risk factors II 1-2 risk factors III >/= 3 risk factors or TOD or ACC

Blood Pressure Grade 1 Grade 2 Grade 3 Low Medium High Medium Medium High High High High

Factors: Age, Smoking, Cholesterol >61mmol/L, Family history, Obesity. ACC, associated clinical condition; TOD, target organ damage 1International

Society of Hypertension


Ch.M .Leod Ch. Leod,, R. Dickinson Dickinson,, A.Sabkha Sabkha,, Ch Ch..Toumazou Toumazou,, 71 Applications for implantable SAW pressure sensors, 2004


SAW Wireless Passive Remote Sensor

• SAW Sensor Unit • Local Readout (Interrogation Unit) Transmitter/Receiver held in close vicinity of implanted sensor. Could be worn.

• Remote Readout Logs data from local readout via wire/Bluetooth/GSM network to a physician on duty in the hospital. Ch..M .Leod Ch Leod,, R. Dickinson Dickinson,, A.Sabkha Sabkha,, Ch Ch..Toumazou Toumazou,, Applications 73

ČVUT FEL Praha, Prof. Ing. Miroslav Husák, CSc. for implantable SAW pressure sensors, 2004

Advantages of implantation

•Single intervention –v- multiple catheterisations (cost) •Single intervention – greatly reduced infection risk •Continuous monitoring possible over years; cf Holter ECG Alarm Control

•Confirmed monitoring site •No interference with normal physiology

Features for Long Term Use •Frequency Range in Use Industrial Scientific Medical (ISM) band, which requires no licence.

•Power Requirement Passive; no battery; infinite life. There is a maximum allowed radiated power, but it is adequate.

•Range & Accuracy Measurable range (0-250mm Hg), with an accuracy of approx. 1%.

•Biocompatibility & Safety Made from inert silicon and hermetically encapsulated. Extremely stable and do not suffer from drift. No battery; no replacement; no leaking chemicals. Ch..M .Leod Ch Leod,, R. Dickinson Dickinson,, A.Sabkha Sabkha,, Ch Ch..Toumazou Toumazou,,

74


Development programme

•Proof of Principle : Use existing SAW pressure sensors + readers •Bench-testing : Simulated implants immersed in saline – communication

optimisation and physiological pressure range sensitivity and accuracy.

•Animal testing : Biocompatability, fixing, thrombogenesis. •Approvals : Manufacturing process (BS 9002/IEC) and MHRA / FDA •Human clinical testing : Trials : Integrated with arterial grafts Intra-cardiac : single, then multiple

•Reader development for remote monitoring : Bluetooth/GSM-linked.

Ch..M .Leod Ch Leod,, R. Dickinson Dickinson,, A.Sabkha Sabkha,, Ch Ch..Toumazou Toumazou,, Applications 75

ČVUT FEL Praha, Prof. Ing. Miroslav Husák, CSc. for implantable SAW pressure sensors, 2004


76


Použitá literatura

Alternative /Competing Technologies

1. Beeby,S. – at al.: MEMS Mechanical Sensors. Artech House, 2004. 2. Martínek,R.: Senzory v průmyslové praxi. Ben, 2004.

MEMS devices:

Pressure-dependent Capacitance Pressure-dependent Inductance CardioMEMS Inc. Atlanta GA USA

3. Fraden,J.: Handbook of Modern Sensors. AIP Press, 1996. 4. Nyce,D.S.: Linear Position Sensors. Wiley, 2004. 5. Ďaďo,S. – Kreidl,M.: Senzory a měřicí obvody. ČVUT, 1996. 6. Gardner,J.W. at al.: Microsensors MEMS and Smart Devices. Wiley, 2001. 7. Vlastní materiál, příspěvky z konferencí a články v časopisech 8. Humlhans,J.: Zajímavá zapojení – 3.díl. Ben, 2005 9. Honeywell, datasheets, 2006. 10. Zehnula,: Snímače neelektrických veličin. SNTL, 1989


77


Otázky Senzory s piezoelektrickým principem 1. Princip činnosti, podélný a příční piezoelektrický jev 2. Napište vztah pro závislost napětí na polepech piezoelektrického materiálu na síle a geometrii materiálu 3. Nakreslete princip příčné, podélné, střihové a objemové deformace piezoelektrického materiálu 4. Elektronické zapojení pro vyhodnocování signálu z piezoelektrického senzoru, jaký musí mít vstupní odpor 5. Co to je impedanční transformátor 6. Co to je nábojový zesilovač 7. Příklady typického použití piezoelektrického senzoru Senzory s ultrazvukovým principem 1. Jaká je přibližná velikost rychlosti šíření zvuku při 20 oC a při normálním tlaku 2. Na čem závisí rychlost šíření zvuku ve volném prostranství ve vzduchu 3. Základní princip činnosti vlastního ultrazvukového měniče – konstrukce 4. Princip elektronického zapojení pro měření vzdálenosti – jednokanálové a dvoukanálové 5. Aplikace pro měření výšky hladiny, přiblížení, počítání předmětů na lince, apod. Senzory s principem SAW (Surface Acoustic Wave) 1. základní princip činnosti senzorů s povrchově akustickou vlnou (SAW) 2. Princip vytvoření povrchové akustické vlny 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10. 11.

Co to je interdigitální struktura budící a snímací u senzoru SAW Základní elektronické zapojení senzoru SAW pro vyhodnocování měření nakreslete principiální zapojení senzoru SAW v ob vodu oscilátoru Princip aplikace SAW pro měření síly a mechanického namáhání Princip aplikace SAW pro měření tlaku Princip aplikace SAW pro měření teploty Princip aplikace SAW pro měření vlhkosti Princip aplikace SAW pro měření chemických veličin Princip aplikace SAW pro měření magnetického pole


79


78

5. Senzory na principu: Piezoelektrickém Ultrazvuk SAW. A) Senzory s piezoelektrickým principem. b a. b a

Recommend Documents