7b. Tlakové senzory II piezoelektrické kapacitní pn přechod s Hallovým senzorem optické. 1. Piezoelektrické tlakové senzory. Tlakové senzory II

POLOVODIČOVÉ TLAKOVÉ SENZORY

7b. Tlakové senzory II piezoelektrické kapacitní pn přechod s Hallovým senzorem optické Přednášející:

PIEZOELEKTRICKÉ

PIEZOREZISTIVNÍ (PIEZOODPOROVÉ)

KAPACITNÍ JINÉ

Prof. Ing. Miroslav Husák, CSc. [email protected] tel.: 2 2435 2267 http://micro.feld.cvut.cz

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

1

Rezonance Přechod pn Hallův Optické atd.


2

Tlakové senzory II 1. Piezoelektrické 2. Kapacitní 3. Kapacitní s MOS strukturou (PSIGFET)

1. Piezoelektrické tlakové senzory

4. Přechod P-N 5. Hallův senzor 6. Optické


3


4



Princip činnosti - piezoelektrický jev (napětí při deformaci)

Aplikace – např. piezoelektrické kabely • Tlak nebo síla působí kolmo • Piezoelektrická keramika nebo polymer

Materiály – keramika, polymery, polovodiče Vyhodnocení signálu – zesilovače náboje (velké Rvst)

Použití – např. kontrola přejezdu aut na silnici (malý signál – malé auto, velký signál – velké auto)

p


5


6

Kapacitní polovodičové tlakové senzory Kapacitní tlakové senzory Princip a konstrukce Parametry membrán Konstrukční uspořádání Zdvojená struktura, prstencová a dvojprstencová Obvody pro vyhodnocování kapacity (vhodné pro integraci) Rozdělení, základní typy Impedanční můstky Kapacitně řízené oscilátory Spínané kapacitory Kapacitně řízené oscilátory Obvody PLL MOS struktura – PSIGFET

2. Kapacitní tlakové senzory polovodičové


7


8

2. Kapacitní tlakové senzory


Model kapacitního tlakového senzoru

Princip činnosti Kapacitor s jednou elektrodou s pružným deformačním členem Vyjimečnì jiné principy (změny permitivity dielektrika jako funkce tlaku). Deformační člen - pružná membrána. Pro mezeru jako funkci poloměru lze psát

Dielektrikum bývá nejčastěji vzduch nebo prostor mezi oběmi elektrodami je vyčerpán. Změnu kapacity C lze určit dle vztahu


9


10

2. Kapacitní tlakové senzory Obvody pro vyhodnocování změn kapacity

Převodní charakteristiky polovodičového kapacitního tlakového senzoru pro kruhovou membránu -C čtvercovou membránu -S

Převodní charakteristika


Citlivost senzoru

Materiál Membrána Tvar membrány Vzdálenost elektrod Plocha elektrod Kapacita Citlivost -

Si, sklo, atd. Pružná, Si čtvercová nebo kruhová μm ΔC 1-10 mm2 = velké Δp 1-10 pF velká

Teplotní závislost -

velmi malá

C ≠ f (ϑ ) ϑmax ≥ 300 o C

Teplotní hystereze zanedbatelná Rozměry velmi malé Technologická kompatibilita-CMOS Převodní charakteristika - nelineární Prof. Ing. Miroslav Husák, CSc. - ČVUT FEL Praha

11


12


2. Kapacitní tlakové senzory Parametry membrány

Princip činnosti mezni tlak Pm (m-measurable) Tlak, při kterém docházi k dotyku protilehlých elektrod, je a lze pro nì psát

C - kapacita při rozdílu tlaků p = pout -pin , Co je kapacita při nulovém tlaku ε je permitivita, h je vzdálenost elektrod při nulovém tlaku z - průhyb membrány, S - plocha elektrod.

čtvercová membrána (S-square)

kruhová nebo čtvercová membrána kruhová membrána (C-circular)

kruhová membrána vykazuje nepatrně vyšší citlivost vzdálenost ho je cca v µm plocha S je cca v mm2 Co je cca jednotky až desitky pF.

E -Youngův modul (pro Si[100] je 1,88.1011 Pa ), µp je Poissonovo číslo (proSi je 0,3), a je rozměr jedné strany čtvercové membrány, d je průměr kruhové membrány.

Mezni hodnota C - je dána mezi pevnosti Si membrány a nerovnoměrnostmi na protilehlých plochách elektrod Prof. Ing. Miroslav Husák, CSc. - ČVUT FEL Praha

13




Parametry membrány

Kruhová a čtvercová struktura

14

Tlak degradující membránu pR (R-rupture) tlak, při kterém dochází ke zničeni membrány čtvercová membrána (S-square) Kruhová membrána (C-circular) kde σmax je mez pružnosti (pro Si je 6,24.107 Pa),

Lze odvodit relativní tlakovou citlivost Sr jako funkce koeficientu γ

c je tloušťka Si membrány. Poznámka teplotní závislosti zapřičiněnou expanzi plynu v referenční dutině pokud dielektrikum není vakuum - rozdílné teplotní koeficienty roztažnosti křemíkového elementu a podložky, změnou permitivity podložky, což má vliv zejména na parazitní kapacity. Prof. Ing. Miroslav Husák, CSc. - ČVUT FEL Praha

Sr = 15


dC = f (γ ) dp 16



Kruhová a čtvercová struktura

Prstencová struktura

Závěr maximální citlivost Sr je pro γ = 0,6 Prof. Ing. Miroslav Husák, CSc. - ČVUT FEL Praha

36% plochy 17



18

2. Kapacitní tlakové senzory Dvouprstencová struktura

Dvouprstencová struktura


19


20



Kapacitní tlakové senzory – struktury použití INFINEON •Kapacitní tlakový senzor pro použití v automobilech (airbag) •senzor je zabudován ve dveřích •detekuje tlakové pulsy vzduchu (nehoda) •Senzor je plně kalibrován, obsahuje elektronické obvody (Sigma-Delta A/D převodník, digitální filtr, SPI interface) pro vyhodnocení signálu a vlastní diagnostiku •Přímé spojení s mikrokontrolérem •Výstupem je číslicový signál úměrný tlaku •Paralelně zapojené kapacitory - kapacita se mění s tlakem


21

Kapacitní tlakové senzory – fotografie čipu

Kapacitní tlakové senzory – struktury použití Supply Voltage

5V

Supply Current

2.5 mA

Operating Temperature

-40 to + 90 °C

External Clock

4 and 8 MHz Mode

Pressure Range

60 - 130 kPa (8.7 - 18.8 PSI)

Signal Bandwidth

0 to 380 Hz

Serial Port

SPI

Data Rate

7.8 kHz

Data Transfer Rate

up to 500 kHz

Resolution (Accuracy)

15 bits (12 bits)

Noise Equivalent Pressure

< 40 Pa

Offset Calibration Accuracy

< 2 kPa

Sensitivity

145 digits/kPa


22

2. Kapacitní tlakové senzory Vyhodnocovací obvody vhodné pro integraci na čipu Vyhodnocování relativních změn

C ⇒ U , I , f , atd . Co


23

Rozdělení vyhodnocovacích obvodů


24



1) Impedanční můstky - princip

1) Impedanční můstky – jednoduchý vyhodnocovací obvod

U vyst = konst ⋅ U z f (C − Co )

Q = C ⋅U


25

2. Kapacitní tlakové senzory 2) Kapacitně řízené oscilátory a) Převodník C/f

26

2. Kapacitní tlakové senzory 2) Kapacitně řízené oscilátory C nabíjen ze zdroje konstantního proudu b) Převodník C/t

•sinusový oscilátor

t = g (C )

•relaxační oscilátor

f = g (C )


•spojení integrátor a komparátor

I ·t = C·U 1 U = I ·t = konst. • t C

•multivibrátor •atd.

spojení integrátor a komparátor

Převodník C / čas b) převodník c) modifikované zapojení pro redukci vlivu teploty a stability frekvence Prof. Ing. Miroslav Husák, CSc. - ČVUT FEL Praha

27


28


2. Kapacitní tlakové senzory 3) Obvody se spínanými kapacitory

3) Obvody se spínanými kapacitory Převodník C/t

Q = C ⋅U

Zapojení

U = f (Q)

U vyst = U z

C − Co CF


29



30


4) Obvody PLL

PSIGFET tlakový senzor MOS se změnou kapacity hradla • Výstupní frekvence VCO je řízena přiloženým vstupním napětím Uc a kapacitou C. • Oba VCO jsou řízeny napěťovým signálem Uc. • Pokud je obvod PLL řízený vstupní referenční frekvencí fref, vnitřní VCO kmitá na stejné frekvenci, tj. fref a napětí Uc má určitou hodnotu. • Dva shodné VCO - kompenzace teplotních změn a změn dalších parametrů, Prof. Ing. Miroslav Husák, CSc. - ČVUT FEL Praha

31


32

2. Kapacitní tlakové senzory - PSIGFET Drain

Gate

2. Kapacitní tlakové senzory - PSIGFET Charakteristika senzoru

Source

Princip činnosti

• p-typ Si substrátu, ve kterém jsou vytvořeny dvě n+ oblasti, source a drain.

w ho +

n

L

• Gate je Al vrstva umístěná na membráně.

n+

• Prostor mezi Gate a oxidem je vakuum, popř. vzduchová mezera o tloušťce cca 0,5 μm.

Proud ID (µA)

P - substrát Si

• Tlak membránu prohýbá - změna kapacity Gate. • Modulace vodivost kanálu mezi source a drain. • Čip může mít rozměry 0,6x1,05 mm, membrána 0,2x0,2 mm. • Teorie popisující chování tranzistoru FET jako tlakového senzoru vychází ze základní teorie popisující tranzistor MOS. Prof. Ing. Miroslav Husák, CSc. - ČVUT FEL Praha

33


34

2. Kapacitní tlakové senzory - PSIGFET Výchozí vztahy pro odvození tlakové závislosti proudu kanálu Pro lineární oblast tranzistoru platí

3. Tlakové senzory s pn přechodem

kde Cox = CG v pevném MOSFET je kapacita mezi Gate elektrodou a povrchem kanálu, u je elektronová pohyblivost, W je šířka kanálu, L je délka kanálu, UG je napětí na Gate, UT je prahové napětí, pro které platí

(tlakový senzor změnou parametrů přechodu pn)

kde εs je dielektrická konstanta křemíku ( εs = 11,9 ), q je jednotkový náboj, Qf je pevný oxidový náboj v oxidové vrstvě, OB je potenciál, pro který platí kde k je Boltzmanova konstanta, T je absolutní teplota, NA je koncentrace pro p-typ substrátu, ni je intrinzická koncentrace. Prof. Ing. Miroslav Husák, CSc. - ČVUT FEL Praha

35


36



Senzor konstrukčně uspořádat jako

Aplikace se Zenerovou diodou

1.Velkoplošný senzor. 2.Působení hrotu na přechod p-n. 3.Řadové, maticové diody. 4.Vícenásobný přechod (piezotranzistor).

závislost výstupního napětí můstku, v němž v jedné větvi je zapojena v závěrném směru dioda 1NZ70

Piezotranzistor • Při namáhání vícenásobného přechodu se účinky zesilují. • Konstrukce piezotranzistoru je velmi náročná. • Je vhodný pro měření malých sil a pro dynamická měření. • Má velmi malé rozměry a hmotnost. Posuv voltampérových charakteristik diody při působení síly na přechod Prof. Ing. Miroslav Husák, CSc. - ČVUT FEL Praha

37


38

4. Tlakové senzory s Hallovým senzorem Princip

4. Tlakové senzory s Hallovým senzorem


39


40

5. Optoelektronické tlakové senzory Optoelektronický tlakový senzor Výhody • jednoduché pouzdření • malá teplotní závislost

5. Optoelektronické tlakové senzory

• vysoké rozlišení • vysoká přesnost Princip využití interference Optosenzorový čip 3 pn fotodiody Princip činnosti - měření modulace vlnové délky vysílaného a odraženého světla v závislosti na šířce FP dutiny


41

5. Optoelektronické tlakové senzory

42

Otázky Piezoelektrické tlakové senzory 1. Princip činnosti 2. Princip činnosti piezoelektrického kabelu 3. Elektronické obvody pro vyhodnocování signálu Kapacitní tlakové senzory polovodičové 1. Princip činnosti kapacitních polovodičových tlakových senzorů, základní matematické vztahy pro výpočet kapacity 2. Nakreslete geometrickou strukturu senzoru, kruhová a čtvercová membrána 3. Základní vlastnosti – linearita, citlivost, teplotní závislost, geometrické rozměry, převodní charakteristika 4. Citlivost senzoru a velikost plochy kapacity na membráně 5. Prstencová a dvouprstencová struktura - citlivosti versus rozměr kapacity na membráně 6. Základní elektronické zapojení vyhodnocovacích obvodů (princip) – impedanční můstky, kapacitně řízené oscilátorové obvody (např. převod C/f, C/t), obvody se spínanými kapacitory, obvody PLL PSIGFET (tlakový senzor MOS se změnou kapacity hradla) 1. Princip činnosti a geometrie struktury 2. Převodní charakteristiky Tlakové senzory s pn přechode m 1. Princip činnosti 2. Převodní charakteristiky Tlakové senzory s Hallov ým senzorem 1. Princip činnosti, geometrické uspořádání Optoelektronické tlakové senzory 1. Princip činnosti, geometrické uspořádání

Optoelektronický tlakový senzor Senzor •pasivní optický tlakový čip s Si membránou •LED (světelný zdroj) •konstrukce s kovovými vrstvami podobná kapacitnímu •Dutina tvoří Fabry- Perot interferometr (FP) •princip je založen na měření odchylky pomocí FP •FP je tvořen kovovými vrstvami se zrcadlem na Si membráně a pevným polopropustným zrcadlem na skle Princip činnosti měření modulace vlnové délky vysílaného a odraženého světla v závislosti na šířce FP dutiny Prof. Ing. Miroslav Husák, CSc. - ČVUT FEL Praha


43


44

7b. Tlakové senzory II piezoelektrické kapacitní pn přechod s Hallovým senzorem optické. 1. Piezoelektrické tlakové senzory. Tlakové senzory II

Recommend Documents