2. Érzékelési elvek, fizikai jelenségek. b. Ellenállás, ellenállás változás

Átírás

1 2. Érzékelési elvek, fizikai jelenségek b. Ellenállás, ellenállás változás

2 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)

3 Ellenállásváltozás Potenciométer Ellenállás Csúszka V 0 R 0 R 1 V 1 V 1 = R 1 R 0 V 0 Elmozdulással arányos ellenállás/feszültség változás

4 Ellenállásváltozás alakváltozás hatására Prizmatikus, hossz mentén állandó keresztnetszetű fém rúd ellenállása: R = ρ l q ρ : fajlagos ellenállás l : hossz q : keresztmetszet Ha a rúdra húzórő hat, a hossza megnövekszik, a keresztmetszete lecsökken, a fajlagos ellenállása is változhat. A mechanikai feszültség - alakváltozást okoz tenzometrikus hatás - fajlagos ellenállás változást okoz - piezorezisztív hatásnak

5 Nyúlásmérő bélyeg Alapegyenlete: k = dr R dl l = 1 + 2υ + dρ ρ dl l k : gauge faktor bélyegállandó ν : Poisson-tényező dl/l = ε : fajlagos nyúlás A bélyegállandó a legfontosabb szenzorjellemző, megadja a kapcsolatot a mechanikai és az elektromos jellemzők között adott nyúláshoz mekkora ellenállásváltozás tartozik.

6 Anyagi jellemzők Fémek: tenzometrikus hatás a domináns a fajlagos ellenállásuk első közelítésben nem változik. Tipikus gauge-factor: Félvezetők: a piezorezisztív hatás a domináns a fajlagos ellenállásváltozás jelentős. Tipikus gauge faktor:

7 Fémes alapú, fólia nyúlásmérő bélyegek Előnyök: nagyon egyszerű használat, sokféle geometria, elektromos zavarok alig befolyásolják Hátrányok: kis elmozdulások mérhetők csak, rugalmas tulajdonságok meghatározóak, termikus hatások jelentősek

8 A nyúlásmérő bélyeg anyagfüggő jellemző karakterisztikája

9 Piezorezisztív hatás Piezorezisztiviás: Δρ ρ = ΠT T : mechanikai feszültség (másodrendű tenzor) : piezorezisztív együttható (negyedrendű tenzor) : fajlagos ellenállás Előny a statikus mérés lehetősége. A piezorezisztív együttható anyagfüggő!!! Legtöbbet alkalmazott félvezető anyag a szilícium.

10 Egykristályos félvezetők piezorezisztivitása

11

12 Piezorezisztív együttható Longitudinális és tranzverzális piezorezisztív együttható. Az érzékelőkben leggyakrabban előforduló esetek

13 Piezorezisztív együttható (Si)

14

15 Piezorezisztív együttható (Si) A piezorezisztív együtt-ható koncentráció és hőmérsékletfüggése szilíciumban Az együttható növekvő koncentrációval és hőmérséklettel csökken. A gyakorlatban a kis T K érdekében nagy adalék-koncentrációt használnak még az érzékenység romlása árán is.

16 Piezorezisztív elven működő Si MEMS nyomásmérő A külső nyomás hatására deformálódik a vékony egykristály Si. A megfelelő kristálytani irányokban kialakított ellenállásokkal mérhető a membránban kialakuló mechanikai feszültség.

17 2. Érzékelési elvek, fizikai jelenségek c. Kapacitív érzékelés, Piezoelektromosság

18 Kapacitív érzékelés elve A mérendő jelet kapacitásváltozás Párhuzamos elektródájú elrendezés C 0 = ε A d ε : dielektromos állandó A : elektróda felszíne d : elektródák távolsága Kis elmozdulásokra (marad síkkondenzátor) ΔC Δd = ε A d 2 Előnyök: nagy érzékenység, csak a geometriai paraméterektől és a rugalmassági állandótól függ, hőmérsékletfüggés csak a hőtágulásból adódik Hátrányok: nem-lineáris karakterisztika, nem egyenletes deformációból adódó kapacitásváltozás, nem elhanyagolható szórt kapacitások

19 Mikrogépészettel megvalósított kapacitív nyomásmérő chip

20 Mikrogépészettel megvalósított kapacitív nyomásmérő chip

21 MEMS nyomás / gyorsulás érzékelők

22 Piezoelektromosság Piezo- és inverz piezoelektromos effektus: a piezoelektromos effektus lényege, hogy mechanikai feszültség hatására elektromos polarizáció (töltésszétválasztás) lép fel bizonyos anyagokban. A fordított (inverz) effektus során villamos feszültség (villamos tér) hatására az anyagban alakváltozás jön létre. A keletkezett töltések az anyagban ébredő mechanikai feszültséggel arányosak, k egy anyagra jellemző állandó, A a piezoelektromos anyag (kristály) felülete. Leggyakrabban kvarc, ZnO, LiNbO 3, LiTaO 3, PZT q = k F A

23 Előnyök: nem kell tápfeszültség, egyszerű feszültségmérés, kis és nagy erők is jól mérhetőek, hőmérsékletváltozásra érzéketlen, sokféle geometria, elektromos zavarok alig befolyásolják Hátrányok: csak jól megválasztott anyagok alkalmazhatók, csak a mechanikai feszültség változása mérhető, kristálytani irányfüggő

24 Kérdések: 1. Mi az a nyúlásmérő bélyeg, mi működésének fizikai alapja? 2. Mi a gauge-faktor, mik a jellemző értékei? 3. Piezorezisztív hatás félvezető egykristályokban. 4. Hogyan lehet kihasználni a piezorezisztivitást MEMS eszközökben? 5. Mi a piezoelektromosság, mely anyagokban léphet fel? 6. Mágneses szempontból hogyan kategorizálhatók az anyagok, mik a jellemző paramétereik? 7. Mi az a Hall-effektus, mire lehet használni? 8. Differenciáltranszformátorral hogyan lehet elmozdulást mérni, milyen jelalakok mérhetőek? 9. Az optikai érzékelés főbb eszközei. Olvasnivalók:

25 2. Érzékelési elvek, fizikai jelenségek d. Mágneses elvek

26 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 (súrlódás)

27 Mágneses elven történő érzékelés Közvetlen Érzékelhet egy mágneses teret (direkt alkalmazás), pl. egy magnetométerben a Föld mágneseses terét, vagy egy adattároló készülékben az adathordozó (mágneses lemez, szalag, kártya, stb.) lokális mágnesezettségét. Közvetett A mágneses tér mint közvetítő eszköz szolgál nem-mágneses jelek érzékelésre (indirekt alkalmazás), mint pl. lineáris- vagy szöghelyzet, elmozdulás és sebesség érzékelés permanens mágnesekkel kontaktusmenetes módon, vagy áramérzékelés a mágneses tere révén, stb.

28 Alapfogalmak dióhéjban Mágneses térerősség: H [A/m] Mágneses indukció (fluxussűrűség): B [Vs/m 2 = Tesla] Mágneses permeabilitás: [Vs/Am] Vákuumban B = o H Anyag jelenlétében B = o (H + M) Térfogategységre eső mágneses M [Am 2 /m 3 = A/m] dipólusmomentum azaz mágnesezettség M = m H m : mágneses szuszceptibilitás azaz B = o (1 + m )H = o r H r = 1 + m

29 Anyag és mágnesség Csoport Anyag Szuszceptibilitás Permeabilitás diamágneses Cu, Ag, Au, Bi szupravezetők kicsi és negatív kb. 1 paramágneses Al, Pt kicsi és pozitív kb. 1 0 ferromágneses Fe, Co, Ni, ritka földfémek, pl. Sm, Dy nagy és pozitív ferrimágneses Fe 3 O 4 nagy és pozitív nagy és pozitív

30 Mágneses tér hatásai: érzékelés A legfontosabb, az érzékelőkben kihasznált effektusok: Mozgó töltéshordozók (áram) eltérítése (Lorentz erő) Hall-effektus (Lorentz erő) Mágneses ellenállásváltozás (többféle mechanizmus) Mágneses érzékelés Előnyei: változatos alak és kivitelezés, nagy felbontású mérés lehetséges, többféle mérhető mennyiség (amplitúdó, fázis), egyszerű elektromos jellé konvertálni. Hátrányai: külső mágneses tér zavarhat, anyagfüggű működési hőmérséklettartomány,

31 Lorentz erő Mágneses térben mozgó töltésre Ható erő F = q v B v F F a töltésre ható erő q a részecske töltése B a mágneses indukció (vektor) v a részecske sebessége (vektor) B

32 Hall effektus Ha egy áramjárta vezetőt vagy félvezetőt mágneses térbe helyezünk, akkor a vezetőben mozgó elektronokra ható Lorentz-erő miatt a vezető két oldalán potenciálkülönbség lép fel, ez a Hall-feszültség. A jelenség keskeny mintában erős, ahol a töltéshordozók a hossziránnyal párhuzamosan mozognak az ez irányban kapcsolt feszültség hatására. A vékony minta síkjára merőleges mágneses térben keresztirányú elektromos erőtér is kialakul, ami kompenzálja a mágneses mezőben haladó töltéshordozókra ható Lorentz-erőt. A Hall feszültség: U H = R HIB t t :a minta vastagsága, R H : a Hall-állandó.

33 A Hall elektromos tér p-típusú mintában a lyukak sebessége -x irányú, a lyukakra ható F = q v B Lorentz erő iránya -y, tehát lefelé téríti el a lyukakat. A lyukak az alsó lapon felhalmozódva egy +y irányú elektromos teret hoznak létre. Mivel az y irányban nem folyik áram, az y irányú tér (a Hall tér) egyensúlyt tart a Lorentz erő terével, E y = v B z Ekkor E y = V y /w = V H /w = R H j x B z és a Hall állandó R H = 1/qp p : lyuk-koncentráció

34 Hall-állandó különböző anyagokban Félvezetők vezetőképessége, illetve fajlagos ellenállása: σ = 1 ρ = q n μ q : elemi töltés, n : többségi töltéshordozó koncentráció, : mozgékonyság Hall állandó: R H = 1 q n

35 Félvezető Hall szenzor Működési hőmérséklettartomány: -40 C C!!!

36 A mágneses tekercs Biot Savart-törvény: a tekercs két kivezetése közé időben állandó áramforrást kapcsolva a meginduló elektromos áram mágneses mezőt hoz létre. Amper törvény: az elektromos áram és az általa gerjesztett mágneses mező kapcsolatát írja le. A mágneses térerősség tetszőleges zárt görbe menti integrálja egyenlő a görbe által határolt felületen átfolyó áramok előjeles összegével. Faraday törvény: ha egy mágneses erőtérben elektromosan vezető anyag relatív elmozdulása történik, és az elmozdulásnak van a mágneses erővonalak irányára merőleges összetevője, akkor a vezetőben elektromos feszültség indukálódik. Tekercs induktivitása: A : a tekercs keresztmetszete l : a tekercs ( mágneses erővonalak ) hossza N : a tekercs menetszáma µ 0 : a vákuum permeabilitása µ r : a tekercsbe helyezett mágneses anyagra jellemző szorzószám

37

38

39

40 Nyugalmi indukció Mozgási indukció

41 Mágneses érzékelés Induktivitás Differenciál transzformátor Örvényáram Hall szonda

42 Elmozdulás LVDT lineáris differenciál-transzformátor

43 LVDT kimeneti jelalakok A: differenciális AC kimenőjel B: kimenőjel fázisszöge a primer jelhez képest C: Egyenirányított DC kimenet (elektronika)

44 Örvényáram érzékelés Elve: Váltakozó mágneses tér örvényáramot indukál a fémes mintadarabban. Az örvényáramok mágneses tere detektálható.

45 Kérdések: 1. Mágneses szempontból hogyan kategorizálhatók az anyagok, mik a jellemző paramétereik? 2. Mi az a Hall-effektus, mire lehet használni? 3. Differenciáltranszformátorral hogyan lehet elmozdulást mérni, milyen jelalakok mérhetőek? Olvasnivalók:

46 4. Integrált érzékelő rendszerek b) Szenzorhálózatok, IoT

47 Intelligens rendszerek: Moore törvény szerint <-> Moore törvényen túl Moore törvény: egységnyi felületre integrált elemek száma 18 havonta megduplázódik Moore törvényen túl: növekszik az eszközök komplexitása, azonos térfogatban egyre több funkció Processor Storage Radio Power Sensor Actuator Moore s Law More than Moore

48 Funkciók Baseline CMOS Memory RF HV Power Passives Sensors Actuators Bio-logic Fluidics SSL More Moore Compute Storage More than Moore Sense, Interact, Empower Digital content Complex Design (SoC) Non-digital content Multi-level hetero Integration (SiP)

49 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)

50 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: C ellenállásváltozás, hőtágulás figyelembevétele hőkompenzálás Kiolvasás elektromos csatlakozás áram, feszültség, áramhurok, szabványos csatlakozás, I 2 S, Szenzorrendszer Adattárolás, feldolgozás, továbbítás

51 3. Érzékelési módszerek, alkalmazások a) Hossz, elmozdulás b) Sebesség, gyorsulás c) Nyomás, erő, nyomaték d) Kémiai érzékelés

52 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

53 Mágneses kapcsolók: Hall-szonda állandó mágnes jelenléte egyszerű, zavarvédett, magas hőmérsékleten (> 200 C) nem működik

54 LVDT lineáris differenciál transzformátor

55 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

56 Elmozdulás-, útmérés A felbontást a geometriai 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.

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

58 4. Integrált érzékelő rendszerek a) Technológiai alapok, MEMS, NEMS, OEMS lsd: 2017-Mikrotechnologia.pdf

59 MEMS mikrogépészet Mechanikai szerkezetek az µm tartományban, kombinálva elektromos alkatrészekkel. Felületi mikrogépészet Föláldozható és funkcionális vékonyrétegek leválasztása Föláldozható réteg szelektív kémiai marása, eltávolítása Tömbi mikrogépészet A tömbi hordozó nedves- vagy plazmakémiai marása A hordozó Si egykristály anizotróp marása Funkcionális vékonyrétegek kialakítása a tömbi hordozó felületén

60 Kantilever struktúra Tömbi MEMS Felületi MEMS

61 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 pozíció meghatározása Vibráció vagy sokk érzékelése rendellenes mechanikai működés kimutatása nagy mechanikai erőhatások érzékelése ütközés (légzsák indítása)

62 Gyorsulásérzékelők Alapképlet: a = dv/dt = d 2 s/dt 2 Newton-törvénye: F = m a Gyorsulás Lineáris Rezgés Sokk Jellemző gyorsulások 1g a Föld gravitációs mezejében ható nehézségi gyorsulás (1g=9,81m/s 2 ) 0-2g emberi mozgások közben fellépő gyorsulás 5-30g gépjármű mozgáskor g nagyobb közlekedési balesetkor 5000g rakéta becsapódásakor

63 Gyorsulásérzékelők

64 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. F rugó = Kx és F inerciális = 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.

65 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.

66 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.

67 Kapacitív elvű mikroelektronikai gyorsulásérzéklő Kis deformációkra a d légrések d megváltozásai arányosak a mérendő gyorsulással (k a rugóállandó): d/d = ma/kd A kétoldali kapacitás C 1 = const/(d - d) illetve C 2 = const/(d + d) Kis deformációknál sorfejtéssel adódik d /d= (C 1 - C 2 )/(C 1 + C 2 )

68 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.

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

70 Si kapacitív gyorsulásérzékelő

71 Jellemzők Nagyobb gyorsulás illetve lassulásértékek ( 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

72 MEMS gyorsulásérzékelő Szilíciumon kialakított, gépkocsiban (légzsák) alkalmazott mikroelektronikai gyorsulásérzékelő

73 1D-s és 3D-s gyorsulásérzékelők

74 Példák Lengő tömeg és rugókialakítások felületi mikrogépészettel

75 MEMS inerciális szenzorok

76 Giroszkóp szögelfordulás mérése

77 Szabad hőáramlás elvén működő gyorsulásérzékelő megvalósítása 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)

78 Egy irányban érzékeny hőáramlás alapú gyorsulásmérő A termoelemek által mért hőmérséklet gyorsulás hatására

79 2D hőáramlás alapú gyorsulásmérő

80 Gyorsulásérzékelési módszerek összehasonlítása Kapacitás Piezoellenállás Piezoelektromos Impedancia nagy alacsony nagy Méret közepes közepes kicsi Hőmérsékleti tartomány igen széles közepes széles Linearitási hiba nagy alacsony közepes DC válasz igen igen nem AC válasz (f) széles közepes széles Csillapítás igen igen nem Érzékenység nagy közepes közepes Túlterhelés okozta nullpont eltolódás nem nem igen Elektronika kell nem kell Költségek közepes alacsony magas

81 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 mm 2

82 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

83 3D erőmérő kiolvasása

84 MOEMS Mikro-Optikai Elektro-Mechanikus Rendszerek

85 Projektor kép megjelenítése, gyorsan, nagy felbontással, színhelyesen.

86 Projektor egy pixel MEMS megvalósítás

87 Hőmérséklet és páratartalom érzékelők Mérési tartomány: P = hpa (felbontás 0.01 hpa) RH= 0-100% rh T= C Válaszidő = 1s I2S digitális interfész

88 Alkalmazások - autóipar A legtöbb MEMS szenzort napjainkban a járművekben és a mobileszközökben találjuk. 3D gyorsulásmérő 3D giroszkóp Elmozdulásérzékelőkk Áramlásérzékelők Gázérzékelők Pozícióérzékelők

89 Olvasnivalók: