9. ELADÁS: NYOMÁS, ER ÉS GYORSULÁS
ÉRZÉKELK I
1. Mechanikai érzékelk (összefoglaló)
Dr. Pdör Bálint Óbudai Egyetem KVK Mikroelektronikai és Technológia Intézet
10. ELADÁS: MECHANIKAI ÉRZÉKELK II GYIRSULÁSÉRZÉKELK
2. Integrált nyomásérzékel 3. Gyorsulásérzékelés 4. Si alapú gyorsulásérzékelk
2010/2011 tanév 2. félév
1
1
2
2
JELLEMZ GYORSULÁSOK
1g a Föld gravitációs mezejében ható nehézségi gyorsulás (1g=9,81m/s2) 0-2g emberi mozgások közben fellép gyorsulás 5-30g gépjárm mozgáskor 100-2000g nagyobb közlekedési balesetkor >5000g rakéta becsapódásakor 4
MIKRORELEKTRONIKAI GYORSULÁSÉRZÉKELK
4
GYORSULÁSÉRZÉKELK
A gyorsulásérzékel 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 rugóer ki nem egyenlíti a tehetetlenségi ert. Frugó = Kx és Finerciális = ma a = Kx/m vagy x = am/K Mikromechanikai és mikroelektronikai kivitelben a gyorsulásmérk kizárólag rugalmas lemezre (membrán) ersített szeizmikus tömegbl állnak. Mind a rugalmas membrán mind a szeizmikus tömeg szilíciumból (Si) kialakítható. 5
5
6
6
MÉRÉSI/ÉRZÉKELÉSI ELVEK ÉS MÓDSZEREK
MKÖDÉSI ELVEK Felületi mikromechanikai eljárással készült, kapacitív elv szenzorok
A gyorsulás okozta elmozdulás (x) érzékelésére szolgáló három általános módszer: 1. kapacitás mérés elmozduló és álló elektródák között.
Tömbi mikromechanikai eljárással készült kapacitív elv szenzorok
2. a rugóban ébred feszültségek/deformációk mérése piezoellenállásos módszerrel;
Piezorezisztív elven mköd szenzorok Piezoelektromos elven mköd szenzorok
3. a rugóban ébred mechanikai feszültség által a piezoelektromos hatás révén létrehozott töltés/elektromos feszültség mérése. 7
Termodinamikai (szabad háramlás) elven mköd szenzorok 7
ÉRZÉKELÉSI ELVEK ÉS TECHNOLÓGIÁK Kapacitás
Piezoellenállás
Piezoelektromos
Impedancia Méret Hmérsékleti 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 9
8
8
GYORSULÁSMÉR ALKALMAZÁSOK
9
KAPACITÍV ELV GYORSULÁSÉRZÉKL
10
10
KAPACITÍV ELV MIKROELEKTRONIKAI GYORSULÁSÉRZÉKL
Kis deformációkra a d légrések ±Dd megváltozásai arányosak a mérend gyorsulással (k a megfelelen definiált rugóállandó): Dd/d = ma/kd A kétoldali kapacitás 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 hmérséklet okozta méretváltozások hatását, 11 11 így általában nincs is szükség aktív hfokkompenzációra.
C1 = const/(d - Dd) illetve C2 = const/(d + Dd) Kis deformációknál sorfejtéssel adódik
Dd C1 - C2 ¾¾ = ¾¾¾ d C1 + C2
12
12
PIEZOREZISZTÍV GYORSULÁSMÉR
TECHNOLÓGIAI FOLYAMATÁBRA Si szelet ß több lépéses anódos marás (SiO2 maszk)
pyrex üveglemez ß elektródák: porlasztás
ß átvezet lyukak ß ß lemez szint anódikus kötés ß ellenrz mérések ß darabolás ß 13 érzékel chip
Gyorsulás hatására a súly meggörbíti a piezoellenállást így megváltozik az ellenállása. Elnye a piezoelektromos gyorsulásmérhöz hasonlítva, hogy a gyorsulás nagyon lassú változásai is pontosan kimutathatók vele. 5g-10000g max. gyorsulás között gyártják. 13
JELLEMZK
14
Si GYORSULÁSÉRZÉKEL
Kis gyorsulások és lassulások mérésére használják (< 2g) Mérési frekvencia nagyon alacsony, a statikus méréstl általában párszor 100 Hz-ig terjed two chip koncepció (külön van a szenzor-IC, és külön egy CMOS kiértékel és jelátalakító áramkör) Ütésállóságuk nagyon jó
15
15
Si GYORSULÁSÉRZÉKEL
17
Si piezorezistive acceleration sensor fabricated by bulk micromachining 16
16
Si KAPACITÍV GYORSULÁSÉRZÉKEL
17
Accelerometer based on Si surface micromachining 18
18
A SZENZOR KIALAKÍTÁSA
JELLEMZK Nagyobb gyorsulás illetve lassulásértékek (50 ... 100 g) mérésére használják Mérési frekvencia 0 Hz-tl (azaz lehetség van statikus mérésre is) akár több kHz-ig Tipikus élhosszúságuk 100 és 500 mikron közötti one-chip design
1.Rugóztattottan felfüggesztett szeizmikus tömeg az elektródákkal 2. Rugó 19 3. Rögzített elektródák 19
MIKROELEKTRONIKAI GYORSULÁSÉRZÉKEL
Szilíciumon kialakított, gépkocsiban (légzsák) alkalmazott mikroelektronikai gyorsulásérzékel 21
20
20
1D-S ÉS 3D-S GYORSULÁSÉRZÉKELK
21
22
22
MEMS GYORSULÁSÉRZÉKLEK
3D GYORSULÁSÉRZÉKEL IC
23
Olcsó
23
24
24
MEMS INERCIÁLIS SZENZOROK
25
DLÉSSZÖG ÉRZÉKLEÉS
25
PIEZOELEKTROMOS GYORSULÁSÉRZÉKL
26
26
PIEZOELEKTROMOS GYORSULÁSÉRZÉKL
The sensing element is a crystal which has the property of emitting a charge when subjected to a compressive force. In the accelerometer, this crystal is bonded to a mass such that when the accelerometer is subjected to a 'g' force, the mass compresses the crystal which emits a signal. This signal value can be related to the 27 27 imposed 'g' force
MEMS GYORSULÁSÉRZÉKEL IC GÉPKOCSIHOZ
29
28
28
BEVEZET ÁTTEKINTÉS
29
30
30
MKÖDÉSI VÁZLAT
SZENZOR LEÍRÁSA Integrált Si gépjárm gyorsulásérzékel (integrated silicon automotive accelerometer, ISAAC) felépítése: differenciális kapacitív mikrogépészeti érzékel chip és egy CMOS jelkondicionáló chip közös IC tokban. Az érzékel elem torziós mikroszerkezet, mely fF szint differenciális kapacitásváltozást generál. Az érzékel chipet a közös tokban lév CMOS chip-pel huzalok kötik össze. A jelfeldolgozó áramkör delta-szigma modulációs elvvel a kapacitásváltozásból a gyorsulással arányos ismétldési frekvenciájú impulzussorozatot állít el. Az áramkör a kalibráció,beállítás stb. céljaira EPROM-ot, és D/A konvertert is tartalmaz. 31
31
32
32
KAPACITÁS-GYORSULÁS KARAKTERISZTIKA
TECHNOLÓGIA
0 g : CA,CB 150 fF 33
33
JELFELDOLGOZÓ ÁRAMKÖR
Full scale (50 g) 15 fF change
34
34
36
36
TOKOZÁS
Jelfeldolgozó áramkör egyszersített vázlata: delta-szigma modulátor és kalibrációs áramkörök 35
35
SZABAD HÁRAMLÁS ELVÉN MKÖD GYORSULÁS ÉRZÉKEL
MKÖDÉS
Ezen szenzorok mködési elve a természetes háramlás fizikáján alapszik Kialakításának köszönheten alkalmas statikus (DC) gyorsulások mérésére is A rendszer tulajdonképpen mozgó alkatrész nélkül mködik (az egyetlen mozgó elem maga a leveg)
Offset: 100 kHz (0 g gyorsulás/lassulás) Érzékenység: 3 kHz/g Linearitás: jobb mint 2 % Tartomány: 50 g 37
37
38
38
Nyugalmi állapot, amikor a rendszerre nem hat gyorsulás 39
39
A szenzorra vízszintes gyorsulás hat (balra)
40
40
A termoelemek által mért hmérséklet gyorsulás hatására A valóságos kialakítás rajza 41
41
42
42
legújabb fejlesztés gyorsulásszenzorok közül egyenlre ez a típus rendelkezik a legfinomabb felbontással (~1 mg)
VÉGE
Hátránya az alacsony mérési frekvencia (kb. 100 Hz) és az ára
43
43
45
45
44
44
