Mikrosenzory a mikroelektromechanické systémy Ing. Jaromír Hubálek, Ph.D. Ústav mikroelektroniky U7/104 Tel. 54114 6163
[email protected] http://www.umel.feec.vutbr.cz/~hubalek
Obsah • • • • • • • • • • •
Úvod do senzorové techniky Základy mikroelektronických technologií Odporové senzory Kapacitní senzory Indukčnostní senzory Generátorové senzory Polovodičové senzory Optoelektronické senzory Speciální druhy senzorů Chemické senzory Mikroelektromechanické systémy
Úvod do senzorové techniky • • • •
Definice senzoru Základní pojmy Rozdělení senzorů Parametry
Definice senzoru • Pod pojmem senzor je chápáno zařízení, které snímá sledovanou fyzikální, chemickou nebo biologickou veličinu a dle určitého definovaného principu ji transformuje fyzikálním převodem na veličinu výstupní. Stav sledované veličiny snímá citlivá část senzoru občas označovaná jako čidlo a zpracovává vyhodnocovací obvod senzoru. Výstupní informací z vyhodnocovacího obvodu senzoru je kvantitativní, obvykle elektrický signál, který je vyhodnocen elektronickým detektorem a lze ho dále zpracovat dalšími obvody. SENZOR Podnět, prostředí Fyzikální, chemický proces
Snímací převodník (čidlo)
Vyhodnocovací obvod – elnic. detektor, DSP
Další obvody, komunikace
výstupní veličina kvantitativní
Základní pojmy • Senzorová pole – vícero integrovaných senzorů se stejnou nebo podobnou funkcí. • Multisenzor – se skládá z několika senzorů se stejnou nebo podobnou funkcí. • Multifunkční senzor – je jednoduchý integrovaný senzor, který může realizovat několik rozdílných snímacích funkcí za různých podmínek. • Inteligentní senzor – je zařízení, které v sobě obsahuje citlivou část (čidlo) a obvody pro převod, úpravu, autokalibraci, autodignostiku, řízení a komunikaci s dalšími zařízeními v jediném celku. Senzor s citlivou částí oddělenou od mikroelektronické části, pokud je její vzdálenost od čidla minimální a bude tvořit s čidlem jediný mechanicky, elektricky a funkčně uzavřený celek. Citlivá část je s mikroelektronickou spojena nejčastěji elektricky nebo opticky. – Vstupní část – převod, linearizace, filtrace, zesílení – Výstupní část – komunikace s okolím po sběrnici – Vnitřní část – autokalibrace, autodiagnostika, řízení rozsahů
Generace senzorů •
První generace senzorů – makroskopické principy elektromechanické, elektrochemické nebo mechanické ( senzory odporové kontaktové, kapacitní)
•
Druhá generace senzorů – využívá elektronické jevy v tuhých látkách (piezoelektrický jev, magnetostrikční jev, fotoelektrický jev apod.) a v plynech (nárazová ionizace). Polovodičové senzory zejména mikroelektronické senzory slučitelné s integrovanými obvody ( jednočipové inteligentní senzory, označované též jako SMART převodníky, respektive SMART senzory)
•
Třetí generace senzorů – využívá působení neelektrické veličiny na svazek světelného záření. Tato generace senzorů je označována zkratkou OVS (Optické Vláknové Senzory). Při jejich konstrukci se využívají principy optoelektroniky a integrované optiky
•
MEMS - nová generace senzorů, založená na mikroelektromechanických systémech umožňující miniaturizaci druhé a třetí generace
Vývoj senzorů podle složitosti struktury Inteligentní senzor Senzor s digitálním zpracováním Název Senzor s electronickým detektorem Čidlo -převodník Podmět, prostředí (měřená veličina)
Převod neelektrická Analogové veličina/ elektrická vyhodnocení veličina signálu
A/D převodník
Mikroprocesorové řízení
Signál ke sběrnici (výstupní veličina)
SMART senzor – jen tehdy, je-li celý systém realizován na jednom substrátu monolitickou technologií
Senzory v technologickém procesu • Měřicí řetězec (kanál) je soubor měřicích členů (jednotek) účelně uspořádaných tak, aby bylo možno co nejlépe získat informaci o velikosti měřené fyzikální veličiny
Obecné rozdělení senzorů • podle vstupní veličiny – geometrických veličin (měření polohy, posunutí, atd.), – mechanických veličin (měření rychlosti, akcelerace, síly, tlaku, průtoku, mechanického napětí, atd.), – teplotních veličin (teplota, tepelný tok, atd.), – elektrických a magnetických veličin, – intenzity vyzařování (elektromagnetické, radiační veličiny ve viditelném, infračerveném a jiném spektru, zvukové, atd. ), – chemických veličin (koncentrace iontů nebo plynů, pH, iontově selektivní analýza atd.), – biologických veličin (koncentrace enzymů, DNA analýza, atd.).
Obecné rozdělení senzorů • podle výstupní veličiny: – elektrický signál (senzory odporové, indukčnostní, indukční, kapacitní) – optický (změna barvy nebo jasu) – mechanický (posunutí ukazatele) – dále na analogový a digitální
• dle styku senzoru s měřeným prostředím: – dotykové. – bezdotykové,
Obecné rozdělení senzorů • podle principu převodu – fyzikálním převodem – fyzikální děj (mechanicko-elektrický, termorezistivní, termoelektrický, pyroelektrický, piezoelektrický, piezorezistivní, Hallův jev, magnetorezistivní, magnetostrikční, magnetoanizotropní, vnitřní a vnější fotoelektrický jev, atd.) – chemickým převodem – chemická reakce na rozhraní analyt-senzor (adsorbce, absorpce, redukce, oxidace, …), – biochemickým převodem – tvoří samostatnou část chemických senzorů, ke své činnosti využívají biologicky aktivní látky (enzymy, protilátky, …).
Obecné rozdělení senzorů • podle chování výstupu (též dle transformace signálu) – chová-li se výstup senzoru jako zátěž s definovanými parametry nebo jako zdroj signálu. – generátorové (též aktivní) – působením měřené veličiny se senzor chová jako zdroj energie (senzory pracující na principu převodu termoelektrickém, piezoelektrickém, elektromagnetickém indukčním, fotoelektrickém, elektrochemickém, atd., – pasivní – působením měřené veličiny se mění některý z parametrů senzoru (často elektrická veličina, např. indukčnost, kapacita, odpor; nebo optická veličina např. změna barvy). Veličinu je transformována na analogový napěťový nebo proudový signál.
Obecné rozdělení senzorů • podle převodu neelektrické veličiny – senzory s jednoduchým převodem – měřená veličina se mění přímo na veličinu výstupní, – senzory s několikanásobným převodem – měřená veličina se mění nejprve na jinou veličinu a tato se mění dále na veličinu výstupní (převod může být i vícenásobný)
• podle výrobní technologie – např. senzory elektromechanické, mechanické, pneumatické, elektrické, elektronické, mikroelektronické (technologie tlustých vrstev, technologie tenkých vrstev, polovodičová technologie), elektrochemické, optoelektronické
Základní parametry senzorů Požadavky: • jednoznačná závislost výstupní veličiny na veličině měřené • velká citlivost senzoru • vhodný průběh základních statických charakteristik • velká přesnost a časová stálost • minimální závislost na vlivech okolního prostředí • minimální zatěžování měřeného objektu • vysoká spolehlivost • velmi nízká pořizovací cena a nízké náklady na provoz • jednoduchá obsluha a údržbu
Základní parametry senzorů • Statické vlastnosti senzoru vyjadřuje vlastnosti při neměnném (DC) nebo velmi pomalu měnícím se signálu • Dynamické vlastnosti vyjadřují chování na rychle měnící se signál – odezva na skokovou změnu nebo harmonických signál • Další vlastnosti
Statické vlastnosti •
Statická přenosová charakteristika y=f(x) Ideální křivka – známá na základně exaktních poznatků kalibrační křivka – určena z kalibračního měření a body proloženy matematickou funkcí obecně y=(a0+a1x+a2x2+……anxn)x Lze stanovit regresí z naměřených výsledků •
Kalibrace vystavení senzoru různým standardům o známé hodnotě. Kalibrační body by měly uzavírat pracovní oblast senzoru, aby nebylo třeba provádět extrapolace.
y=(a0+a1x+a3x3)x
Statické vlastnosti • Korekční křivka rozdíl mezi naměřenými hodnotami a kalibrační křivkou – slouží k určení chyby, odklonu od předpokladu • Citlivost sklon statické charakteristiky udává citlivost senzoru K = a0 = ∆y/ ∆x u lineární charakteristiky je konstanta u nelineárních se forma zápisu liší – rozdělení do rozsahů, logaritmická citlivost (ln K), aj.
Statické vlastnosti • Linearita (též chyba linearity, nelinearita nebo integrální nelinearita) udává maximální odchylku kteréhokoliv kalibračního bodu od odpovídajícího bodu na ideální statické přenosové charakteristice. • Limit detekce nejmenší měřitelná hodnota - odpovídá střední kvadratické odchylce šumu senzoru • Rozlišení nejmenší inkrement výstupu senzoru, který senzor zaznamená při změně vstupu (absolutní nebo relativní chyba senzoru).
Statické vlastnosti • Plný rozsah nejvyšší hodnota měřené veličiny, která může být senzorem detekována. • Dynamický rozsah dán intervalem dolní a horní hranicí měřícího rozsahu, tj. mezi limitem detekce a plným rozsahem. • Relativní chyba δ vztažená k horní hranici rozsahu rozsah lze rozdělit na pásma o šířce ∆yp = 2δ xmax rozlišitelných pásem n = xmax / ∆yp = 1 / 2δ množství informace získané ze senzoru I = log2 1 / 2δ
Statické vlastnosti •
Hystereze maximální rozdíl ve výstupu při jakékoliv hodnotě měřeného rozsahu, kdy hodnota je měřena nejdříve při zvyšování a poté při snižování měřené veličiny.
• Selektivita (vliv interferencí) Odezva senzoru by měla být reakce pouze na přítomnost měřené veličiny, ostatní by se neměly v odezvě projevit. V praxi je nutné tyto rušivé (ostatní) veličiny dostatečně potlačit. Využít 1 i více senzorů (pole senzorů) s různou citlivostí na měřenou veličinu a použitím diskriminačních metod (neronová síť, fuzzy logika, wavelet transformace apod.)
Statické vlastnosti • Rychlost odezvy je určována zejména fyzikálními vlastnostmi senzoru (velikost). Závisí na rychlosti působení měřené veličiny na převodník (na elektrickou veličinu) nebo-li na rychlosti přeměny na elektrické veličiny (většinou elektrony).
• Doba odezvy se obvykle určuje jako čas potřebný k dosažení určité velikosti signálu v konečném ustáleném stavu (t → ∞), např. t95 pro dosažení 95%.
Statické vlastnosti • Šum je neužitečný signál, který je vždy namodulován na signálu odezvy senzoru. Vzniká zejména průnikem elektromagnetických vln (frekvence 50 Hz rozvodné sítě, měniče napájecích zdrojů), teplotními změnami v materiálu (tepelný šum) nebo chemickými či elektrochemickými reakcemi.
• Dlouhodobá stabilita
Dynamické vlastnosti • Přechodová charakteristika – je průběh výstupní veličiny v závislosti na čase při skokové změně vstupní veličiny. • Frekvenční charakteristika – udává závislost přenosu a fázového úhlu na frekvenci, tj. rozdíl amplitudy a fáze výstupního signálu oproti signálu vstupnímu v závislosti na frekvenci.
Dynamické vlastnosti • měřená a výstupní veličina je funkcí času • dynamický systém lze popsat lineární nebo po částech lineární diferenciální rovnicí s konstantními koeficienty • přenosová funkce (p) a kmitočtová charakteristika (jω): F(p) =
(1 + pT1 )(1 + pT2 )...(1 + pTm ) Y(p) =K X(p) (1 + pt1 )(1 + pt 2 )...(1 + pt n )
parametry: časová odezva a konstanta, šířka pásma, frekvenční rozsah, rychlost přenosu, atd.
Další parametry • posun nuly vlivem teplotního, časového, napájecího a jiného driftu, doba odezvy, selektivita, doba života, kvantizační chyba, počet bitů, • rušivé vlivy (teplota, tlak, vlhkost, radiace, elektrické a magnetické pole, atd.)
