Mechanikai érzékelők II. Szenzorok

Mechanikai érzékelők II.

Mechanikai érzékelők II. Szenzorok Battistig Gábor

MTA EK Műszaki Fizikai és Anyagtudományi Intézet Mikrotechnológiai laboratórium [email protected]

1

Mechanikai érzékelők II.

MECHANIKAI ÉRZÉKELŐK Érzékelő: a mérendő fizikai, kémiai, biológiai, stb. mennyiséget alakítja át mérhető, elektromos mennyiséggé. Mit akarunk mérni? • Elmozdulás • Gyorsulás • Forgás • Erő • Nyomaték • Mechanikai feszültség • Nyomás • Áramlási sebesség • Tömeg (súly) • Sűrűség • Viszkozitás …

Hogyan tudjuk mérni? • Ellenállás, ellenállás változás • Piezoelektromosság • Piezoellenállás • Kapacitásváltozás • Mágneses indukció • Optikai módszerek • Sugárzás (Doppler effektus) • Áramlási sebesség • Hőmérsékletváltozás (surlódás) …

2

Mechanikai érzékelők II. Szenzorválasztás – a feladatnak megfelelően • • • •

Mechanikai kialakítás – méret és üzemi körülmények figyelembevételével – TOKOZÁS! Mérési tartomány – feladatnak megfelelő Pontosság – legyen a feladatnak megfelelő Hőmérsékleti tényezők – félvezetők általános működési tartománya: -40 ÷ 120 °C – ellenállásváltozás, hőtágulás figyelembevétele – hőkompenzálás • Kiolvasás – elektromos csatlakozás – áram, feszültség, áramhurok, szabványos csatlakozás, I2S, … • Szenzorrendszer • Adattárolás, feldolgozás, továbbítás

3

Mechanikai érzékelők II. Pozíció, elmozdulás (hossz) Abszolút pozíció: ??? Mihez képest? GPS … Relatív pozíció: végálláskapcsoló, optokapú, indukciós közelítéskapcsoló, elmozdulás-, gyorsulás-, elfordulásmérés De: egy munkadarab mozgatásánál (robotkar, mintaasztal) a kiindulási pont meghatározása után az elmozdulásból az adott rendszerben a pozíció meghatározható.

Precíziós x-y asztal 4

Mechanikai érzékelők II. Induktív közelítéskapcsolók: alapvetően fémek érzékelése, kis távolság, nagyon változatos kiviteli alakok, elektromégneses zavarokkal szemben kevésbé védett

Optikai kapcsolók: optokapu – optikai út megszakítása „zászlóval”, egyszerű használat, zavarokkal szemben ellenálló

Felületről reflektál fény érzékelése 5

Mechanikai érzékelők II. Mágneses kapcsolók: Hall-szonda – állandó mágnes jelenléte – egyszerű, zavarvédett, magas hőmérsékleten (> ≈200°C) nem működik

6

Mechanikai érzékelők II. Elmozdulás-, útmérés

A felbontást a kialakítás határozza meg.

Valós idejű, érintésmentes, magas fokú linearitás, erősen dinamikus, nagy folyamati sebességű alkalmazásokban is optimális visszajelzést adnak a pozícióról, energiahatékony, akár 1 µm-es felbontás, néhány mikrométeres pontosság. 7

Mechanikai érzékelők II.

LVDT – lineáris differenciál transzformátor

8

Mechanikai érzékelők II. Érintőképernyő

Kapacitív érzékelés, üvegen transzparens vékonyréteg fémezés, elektronikus kiolvasás és jelfeldolgozás.

9

Mechanikai érzékelők II. Optikai útmérés A lézerfény futásidején alapul A felület tulajdonságaitól független stabil mérés Hatótávolság változhat, optimalizálható Nagy ismétlési pontosság Felbontás a milliméteres tartományban Alkalmazás • Fém és műanyag alkatrészek méreteinek ellenőrzése • Robotok pozicionálása az autóiparban • Átmérő, vastagság folyamatos ellenőrzése

10

Mechanikai érzékelők II. MEMS – mikrogépészet

Mechanikai szerkezetek az 1-100 µm tartományban, kombinálva elektromos „alkatrészekkel”. Felületi mikrogépészet • Föláldozható és funkcionális vékonyrétegek leválasztása • Föláldozható réteg szelektív kémiai marása

Tömbi mikrogépészet • A tömbi hordozó nedves vagy plazmakémiai marása • A hordozó Si egykristály anizotróp marása • Funkcionális vékonyrétegek kialakítása a tömbi hordozó felületén

11

Mechanikai érzékelők II. Kantilever struktúra Tömbi MEMS

Felületi MEMS

12

Mechanikai érzékelők II.

Miért kell mérni a gyorsulást? Gravitáció irányának és nagyságának mérése • dőlés, elfordulás • 2D és 3D pozíció a térben • Csak olyan érzékelők alkalmazhatók, amelyek állandó gyorsulást is érzékelnek Mozgásérzékelés • gyorsulásmérés, integrálással sebesség meghatározása • gyorsulásmérés, kétszeres integrálással pozíciómeghatározása Vibráció vagy sokk érzékelése • rendellenes mechanikai működés kimutatása • nagy mechanikai erőhatások érzékelése – ütközés (légzsák indítása)

13

Mechanikai érzékelők II. Gyorsulásérzékelők Alapképlet:

Newton-törvénye:

a = dv/dt = d2s/dt2 F=ma

Gyorsulás Lineáris

Rezgés

Sokk

Jellemző gyorsulások • 1g a Föld gravitációs mezejében ható nehézségi gyorsulás (1g=9,81m/s2) • 0-2g emberi mozgások közben fellépő gyorsulás • 5-30g gépjármű mozgáskor • 100-2000g nagyobb közlekedési balesetkor • 5000g rakéta becsapódásakor 14

Mechanikai érzékelők II. MEMS gyorsulásérzékelők A gyorsulásérzékelő lényegében egy rugó és egy elmozduló tömeg (szeizmikus vagy inerciális tömeg) által alkotott rendszer. Ha a gyorsulás állandó, a szeizmikus tömeg elmozdul (x), míg a rugóerő ki nem egyenlíti a tehetetlenségi erőt.

Frugó = Kx

és

Finerciális = ma

a = Kx/m

vagy

x = am/K

Mikromechanikai és mikroelektronikai kivitelben a gyorsulásmérők kizárólag rugalmas lemezre (membrán) erősített szeizmikus tömegből állnak. Mind a rugalmas membrán mind a szeizmikus tömeg szilíciumból (Si) kialakítható.

15

Mechanikai érzékelők II. Gyorsulásérzékelők

16

Mechanikai érzékelők II.

Mérési/érzékelési elvek és módszerek A gyorsulás okozta elmozdulás (x) érzékelésére szolgáló három általános módszer: 1. kapacitás mérés elmozduló és álló elektródák között. 2. a rugóban ébredő feszültségek/deformációk mérése piezoellenállásos módszerrel; 3. a rugóban ébredő mechanikai feszültség által a piezoelektromos hatás révén létrehozott töltés/elektromos feszültség mérése.

17

Mechanikai érzékelők II. Érzékelési módok összehasonlítása Kapacitás

Piezo-ellenállás

Piezo-elektromos

Impedancia Méret Hőmérsékleti tartomány

nagy közepes igen széles

alacsony közepes közepes

nagy kicsi széles

Linearitási hiba DC válasz AC válasz (f) Csillapítás Érzékenység Túlterhelés okozta nullpont eltolódás

nagy igen széles igen nagy nem

alacsony igen közepes igen közepes nem

közepes nem széles nem közepes igen

Elektronika Költségek

kell közepes

nem alacsony

kell magas

18

Mechanikai érzékelők II. Kapacitív elvű gyorsulásérzéklő

Az inerciális tömeg (egyben a mozgó elektród) két pyrex üveg vagy szilícium lemez között van felfüggesztve, melyeken az ellenelektródok is helyet kapnak. A szimmetrikus elrendezés minimalizálja a hőmérséklet okozta méretváltozások hatását, így általában nincs is szükség aktív hőfokkompenzációra.

19

Mechanikai érzékelők II. Kapacitív elvű mikroelektronikai gyorsulásérzéklő

Kis deformációkra a d légrések d megváltozásai arányosak a mérendő gyorsulással (k a megfelelően definiált rugóállandó):

d/d = ma/kd A kétoldali kapacitás C1 = const/(d - d) illetve C2 = const/(d + d) Kis deformációknál sorfejtéssel adódik

d /d= (C1 - C2)/(C1 + C2)

20

Mechanikai érzékelők II. Piezorezisztív gyorsulásmérő

Gyorsulás hatására a súly meggörbíti a piezoellenállást így megváltozik az ellenállása. Előnye a piezoelektromos gyorsulásmérőhöz hasonlítva, hogy a gyorsulás nagyon lassú változásai is pontosan kimutathatók vele. 5g-10000g max. gyorsulás között gyártják.

Mechanikai érzékelők II. Si kapacitív gyorsulásérzékelő 1. Rugóztattottan felfüggesztett szeizmikus tömeg az elektródákkal 2. Rugó 3. Rögzített elektródák

22

Mechanikai érzékelők II. Si kapacitív gyorsulásérzékelő

23

Mechanikai érzékelők II.

Jellemzők

Nagyobb gyorsulás illetve lassulásértékek (50 ... 100 g) mérésére használják Mérési frekvencia 0 Hz-től (azaz lehetőség van statikus mérésre is) akár több kHz-ig Tipikus élhosszúságuk 100 és 500 mikron közötti ”one-chip” design Olcsó

24

Mechanikai érzékelők II. MEMS gyorsulásérzékelő

Szilíciumon kialakított, gépkocsiban (légzsák) alkalmazott mikroelektronikai gyorsulásérzékelő 25

Mechanikai érzékelők II. 1D-s és 3D-s gyorsulásérzékelők

26

Mechanikai érzékelők II. Példák Lengő tömeg és rugókialakítások felületi mikrogépészettel

Mechanikai érzékelők II. MEMS inerciális szenzorok

28

Mechanikai érzékelők II. Giroszkóp – szögelfordulás mérése

29

Mechanikai érzékelők II. Szabad hőáramlás elvén működő gyorsulás érzékelő Ezen szenzorok működési elve a természetes hőáramlás fizikáján alapszik Kialakításának köszönhetően alkalmas statikus (DC) gyorsulások mérésére is A rendszer tulajdonképpen mozgó alkatrész nélkül működik (az egyetlen mozgó „elem” maga a levegő)

Nyugalmi állapot, amikor a rendszerre nem hat gyorsulás

A szenzorra vízszintes gyorsulás hat (balra)

30

Mechanikai érzékelők II.

Egy irányban érzékeny hőáramlás alapú gyorsulásmérő

A termoelemek által mért hőmérséklet gyorsulás hatására

31

Mechanikai érzékelők II. 2D hőáramlás alapú gyorsulásmérő

32

Mechanikai érzékelők II. Erő, nyomás, nyomaték 3D erőmérő

Membrán kialakítás, tömbi mikromechanika, plazmamarás,középen maradó joystick, piezorezisztív kiolvasás, hátoldali ellenállások, membrán átmérő 500 µm, membrán vastagság: 50 µm, chipméret: 2 × 2 mm2

33

Mechanikai érzékelők II.

3D erőmérő kiolvasása

34

Mechanikai érzékelők II.

Nyomásmérő

Key Features • 260 to 1260 hPa absolute pressure range • Current consumption down to 4 μA • High overpressure capability: 20x full-scale • Embedded temperature compensation • 24-bit pressure data output • 16-bit temperature data output • ODR from 1 Hz to 75 Hz • SPI and I²C interfaces • Embedded FIFO • Interrupt functions: Data Ready, FIFO flags, pressure thresholds • Supply voltage: 1.7 to 3.6 V • High shock survivability: 22,000 g • Small and thin package • ECOPACK®lead-free compliant 35

Mechanikai érzékelők II. Hőmérséklet és páratartalom érzékelők

Mérési tartomány: 300-1100 hPa (felbntás 0.01 hPa) 0-100% rH -40 - +85°C 1s válaszidő I2S digitális interface

36

Mechanikai érzékelők II. Alkalmazások - autóipar A legtöbb MEMS szenzort napjainkban a járművekben és a mobileszközökben találjuk. • 3D gyorsulásmérő • 3D giroszkóp • Elmozdulásérzékelőkk • Áramlásérzékelők • Gázérzékelők • Pozícióérzékelők •…

37

Mechanikai érzékelők II.

Olvasnivalók: http://www.mogi.bme.hu/TAMOP/mikromechanika/math-index.html http://www.slideshare.net/smilingshekhar/mechanical-sensors-2-24677162?qid=ec08a37f-5a254908-a699-72058c30c4a4&v=qf1&b=&from_search=2

http://www.slideshare.net/bapikumar144/mechanical-sensor?related=1 http://www.slideshare.net/kumarsri526/mechanical-sensors?related=2

38