SZENZOROK ÉS MIKROÁRAMKÖRÖK

Átírás

1 SZENZOROK ÉS MIKROÁRAMKÖRÖK 4. ELŐADÁS: HŐMÉRSÉKLETÉRZÉKELŐK I 2014/2015 tanév 2. félév 1 1. Hőmérsékletérzékelők, általános bevezető 2. Hőtani alapok 3. Sugárzásos hőmérsékletérzékelés 4. Piroelektromos hőmérsékletérzékelés 2 1

2 HŐMÉRSÉKLET ÉS A MINDENNAPI TAPASZTALAT - Hideg a sör - Meleg a leves - Forróság a napon - Hideg a tél Számszerűsíteni kell a mindennapi tapasztalatokat! 3 HŐMÉRSÉKLETMÉRÉS A legtöbb hőmérő a saját hőmérsékletét méri! A hőmérséklet mérésre alkalmas elvek: Anyag hőtágulása, Hővezetés, Villamos ellenállás változás, Két fém kapcsolódásánál fellépő potenciálkülönbség (PtRh 10 -Pt), Anyag hőmérsékletből eredő sugárzás, Stb.. 4 2

3 HŐMÉRSÉKLET MÉRÉS ÉS ÉRZÉKELÉS A hőmérséklet az iparban a leggyakrabban mért paraméter. A hőmérséklet villamos jellé való átalakításának, és így a hőmérsékletnek elektromos úton való érzékelésének és mérésének három klasszikus eszköze - a termoelem, - az ellenállás-hőmérő - és a termisztor. A termoelem generátor típusú, a másik kettő pedig modulátor típusú érzékelő. 5 HŐMÉRSÉKLETÉRZÉKELÉS: IPAR Thermistance (RTD - resistance temperature detector): metal whose resistance depends on temperature: (Cu, Ni, Pt) cheap, robust, high temperature range ( -180ºC...600ºC), require current source, non-linear. Thermistor (NTC - negative temperature coefficient): semiconductor whose resistance depends on temperature: very cheap, sensitive, low temperature, imprecise, needs current source, strongly non-linear, fragile, self-heating 6 3

4 HŐMÉRSÉKLETÉRZÉKELÉS: IPAR Thermo-element (Thermoelement, thermocouple): pair of dissimilar metals that generate a voltage proportional to the temperature difference between warm and cold junction (Seebeck effect) high precision, high temperature, punctual measurement low voltage, requires cold junction compensation, high amplification, linearization 7 HŐMÉRSÉKLETÉRZÉKELÉS: IPAR Spectrometer: measures infrared radiation by photo-sensitive semiconductors highest temperature, measures surfaces, no contact highest price Bimetal (Bimetall, bilame): mechanical (yes/no) temperature indicator using the difference in the dilatation coefficients of two metals, very cheap, widely used (toasters...) 8 4

5 IPARI HŐMÉRÉSÉKLET-ÉRZÉKELÉS 9 T-MÉRÉS: BIMETÁL How to measure T: Bi-metal Classical measurement due to thermal expansion Thermal expansivity of metals: 5 δl / l = / K Still in use for simple thermometers and thermostats Large hysteresis In microsystems used as actors There are many unwanted bimetals which cause thermal stress 5

6 FOLYADÉK/GÁZ HŐMÉRŐ Expansion of a fluid or gas Conventional thermometer with mercury or alcohol Gas thermometer is standard method Application: T switch in old fridges 11 TERMOLELEM: ALKALMAZÁSOK Űrtechnológiában Háztartásban 12 6

7 SUGÁRZÁSÉRZÉKELŐS T MÉRÉS 13 HŐMÉRSÉKLET ÉS ENERGIA Egy fizikai rendszer vagy állapotát a rendszer belső energiájával lehet jellemezni. Ez egy szerkezeti energia, az illető rendszer mint makroszkópikus test mozgási (kinetikus) és potenciális energiája nem számítandó hozzá. A hőmérséklet mely egy termodimamikai intenzív paraméter a belső energiával áll kapcsolatban. Az energia és a hőmérsékleti skálák közötti összefüggés E = kt k Boltzmann állandó 1,38x10-23 Joule/K. 14 7

8 A HŐMÉRSÉKLET SI MÉRTÉKEGYSÉGE A hőmérséklet SI mértékegysége a kelvin (K). Definicíója: a víz (H 2 O) hármaspontja (termodinamikai) hőmérsékletének 1/273,16 szorosa. Abszolút skála, mely a Carnot-féle körfolyamat hatásfoka, vagy az ideális gáz állapotegyenlete (pv = nrt) szerint lehet definiálni. A kelvin a m, kg, s, A, és a cd mellett az SI (Systȇme International) mértékrendszer hatodik alapegysége. 15 HŐMÉRSÉKLETMÉRÉS A TÖRTÉNELEM TÜKRÉBREN 1592: Galilei: a levegő tágulásával jellemez egy hőmérsékleti állapotot (egyik végén zárt üvegcső másik vége folyadékba merül) 1665: Boyle 1688: Dalence: két fixpontot javasol (mély pince és az olvadó vaj hőmérséklete) 1693: Halley: felismeri a víz forráspontjának az állandóságát és higanyt használ hőmérsékletmérésre 1694: Renaldini: javasolja fixpontul a víz fagyás- és forráspontját 1699/1703: Amontons: Gay-Lussac törvények (gázok hőtágulása, elképzelés az abszolút nullapontról) 1742: Celsius: 100 fokos osztás, 0 C forráspont, 100 C fagyáspont 1750: Strömer: megfordítja a celsius skálát 1848: Thomson (Lord Kelvin): termodinamikai hőmérsékletskála 16 8

9 HŐMÉRSÉKLETI SKÁLÁK 0 80 Abszolút (termodinamikai, Kelvin) és relatív (Réaumur, Farenheit, Celsius) skálák. A relatív skálák alappontjai a víz olvadás- és forráspontja. A víz olvadásponja 0 o (R,C), illetve 32 o (F), a forráspont és az olvadáspont közötti távolságot pedig 80, 180 illetve 100 részre osztják. 17 HŐMÉRSÉKLETI SKÁLÁK ÖSSZEHASONLÍTÁSA 18 9

10 FAJHŐ ÉS HŐKAPACITÁS A fajhő az a hőmennyiség (energia) mely ahhoz szükséges, hogy egységnyi tömegű anyag hőmérséklete egy fokkal (K vagy o C emelkedjék. Q c = T dimenziója J/kg K A hőkapacitás a tömeg és a fajhő szorzata C th = c m dimenziója J/K 19 HŐÁTADÁS A hőátadás befolyásolja a hőmérsékletérzékelők működését. A hőmérsékletérzékelők általában a saját hőmérsékletüket mérik, és a hőátadási viszonyoktól függ, hogy ez mennyire egyezik meg a mérendő objektum hőmérsékletével, illetve mennyire tér el attól. Hőátadás mechanizmusai: - hővezetés; - hőáramlás (konvekció); - hősugárzás

11 HŐÁRAMLÁS (KONVEKCIÓ) A hőáramlás a hőterjedés egyik módja: A folyadékokban, illetve gázokban a hő (energia) az anyag részecskéinek (molekulák) elmozdulása (helyváltoztatás, áramlás) révén terjed. Magasabb hőmérséklet - nagyobb energiájú részecskék Alacsonyabb hőmérséklet - kisebb energiájú részecskék 21 HŐVEZETÉS Fizikai mechanizmus: Közvetlenül érintkező, különböző hőmérsékletű anyagrészecskék közötti hőkicserélődés. A hő a magasabb hőmérsékletű helyről az alacsonyabb hőmérsékletű hely felé áramlik. Q = κ T A t / l κ T A l t - hővezetési együttható W/m K - hőmérséklet-különbség - áramlási keresztmetszet - áramlási hossz - idő 22 11

12 HŐVEZETÉS: ELEKTROMOS ANALÓGIA Hővezetés Ohm törvénye Q / t = P = κ T A / l Hőtani paraméter Hőmérséklet ( T) Hőáram ( P= Q/t) Hővezetőképesség (κ) Elektromos paraméter Feszültség (U) Áram (I) Vezetőképesség (σ) Stb. 23 HŐVEZETÉSI EGYÜTTHATÓ Anyag κ (W/cm K) T = 300 K CNT, grafén C (gyémánt) 6,6 Ag 4,18 Cu 3,85 GaN 1,3 Si 1,5 GaAs 0,46 Ge 0,6 Pb 0,38 SiO 2 0,

13 HŐVEZETÉS MECHANIZMUSAI Rácsrezgések (fononok) és szabad elektronok (lyukak). Fémek jó elektromos és hővezetők, κ és σ arányos egymással (Wiedemann-Franz törvény). Egykristályok (félvezetők is) általában jó hővezetők. Amorf, polikristályos anyagok, ötvözetek (rendezetlen szerkezetű anyagok általában) rossz hővezetők. 25 HŐSUGÁRZÁS Sugárzás(EM) elnyelés és kibocsájtás (kb µm). Stefan-Boltzmann törvény: Q = ε σ T 4 ε - emisszíós tényező (<1) σ - abszolút fekete test sugárzási tényezője (Stefan-Boltzmann állandó, σ = π 2 k 4 /(60h 3 c 2 ) = 56,7x10-9 W/m 2 K 4 ) 26 13

14 HŐMÉRSÉKLETI SUGÁRZÁS Az anyagi testek hőmérsékletüktől függően elektromágneses sugárzást bocsátanak ki. A kibocsátott EM (fény) energia a hőmérséklettel emelésével rohamosan (az abszolút hőmérséklet negyedik hatványával) nő. A sugárzás spektruma a teljes (0, ) tartományra kiterjed, és a spektrális maximum helye hullámhosszban az abszolút hőmérséklettel fordítva arányos. Alapvető fizikai törvények: Planck féle sugárzási törvény Wien féle eltolódási törvény Stefan-Boltzmann törvény (Rayleigh-Jeans törvény) 27 TERMIKUS SUGÁRZÁS SPEKTRUMA o C o C o C o C o C o C o C o C o C o C o C 28 14

15 FEKETE TEST SUGÁRZÁSA Egységnyi felületről egységnyi térszögbe egységnyi hullámhosszon (1 µm) kisugárzott teljesítmény a hullámhossz (µm) függvényében. (Az egyenes a Wien-féle eltolódási törvény) 29 INFRAVÖRÖS SUGÁRZÁS P IR = const A ε T ε R = emissivity; ε = 1: black body R R 4 At λ=10µm most materials show ε = 0,95...1,0 (except metals, they reflect) The sensor also emits IR radiation: P IR 4 = const( ε T ε object Object sensor T 4 sensor ) 15

16 PONTHŐMÉRSÉKLETMÉRÉS INFRAVÖRÖS (IR) SUGÁRZÁS ALAPJÁN Környezeti hőmérséklet visszaverődő sugárzása A tárgy hőmérsékleti sugárzása Minden tárgy elnyel (abszorbeál) és kibocsát (emittál) sugárzást. A tárgy a hőmérsékletének megfelelő energia szinten bocsát ki energia sugárzást, anyagától és felületi minőségétől függő mértékben. SUGÁRZÁSI PIROMÉTER FELÉPÍTÉSE A tárgy hősugárzása az infravörös sugárzásra készített optikán keresztül jut az érzékelőre. A sugárzás intenzitása a Stefan-Boltzman törvény alapján a hőmérséklet 4-ik hatványával arányos W=σT 4 A kapcsolat tehát nem lineáris, alacsony hőmérsékleten a jel nagyon kicsi. 1 - tárgy 2 optika 3 modulátor (mechanikai) 4 detektor 5 - referencia 32 16

17 TESTHŐMMÉRSÉKLET ELOSZLÁS A test hőmérséklet eloszlását láthatóvá tevő kamera és képernyő. Az emberi test vizsgálatánál 2-3 o C-os mérettartományban 0,1 o C-os pontossággal lehet hőtérképet készíteni Gyulladások, vérkeringési eltérések láthatóvá tehetők HŐÁTADÁS A hővezetés, a hőáramlás és sokszor a hősugárzás is együtt lép fel. Ez az összetett jelenség a hőátadás. A hőátadás fenomenologikus alapegyenlete Q = α A T t Q α A T t - átadott hő (energia) Joule - hőátadási tényező W/m 2 K - érintkezési felület - hőmérsékletkülönbség - hőcsere ideje 34 17

18 HŐÁTADÁS A hőátadás fenomenologikus alapegyenlete Q = α A T t Szilárdtest-folyadék, illetve szilárdtest-gáz határfelületén csak nyugvó közegekre érvényes. Áramló folyadék vagy gáz esetén javul a hőátadás, lamináris áramlásnál kisebb, turbulens áramlásnál nagyobb mértékben. Az áramlási sebesség növekedésével Q is növekszik. 35 PIROELEKTROMOS EFFEKTUS Spontán polarizáció, illetve megváltozása hőmérséklet hatására. Q = p x A x T dt = 0 dp = 0 dt 0 dp 0 Spontán polarizáció: piezoelektromos, ferroelektromos, elektret anyagok. Nyugalmi állapotban a töltéssemlegesség miatt nem észlelhető a polarizáció. Hőmérsékletváltozás polarizációváltozás, ez érzékelhető, utána lecseng. 18

19 PIROELEKTROMOS EFFEKTUS Piroelektromos együttható p = P/ T Sikkondenzátorban dielektrumként elhelyezett piroelektromos anyag esetén U = p d T / ε r ε o Nagy érzékenység Statikus mérés nem lehetséges Anyagok: turmalin, NaNO 2, LiTaO 3, TGS (triglicin-szulfát) 37 PIROELEKTROMOS ANYAGOK 38 19

20 PIROELEKTROMOS CELLA besugárzás sugárzást elnyelõ réteg elektróda piroelektromos anyag elektróda 39 PIROELEKTROMOS HŐMÉRSÉKLETÉRZÉKELÉS Insulator wafer Triglycine sulface-d Temperature dependent electric polarization Generally disappears when electric field is removed For pyroelectric materials T dependent capacitor is created Fast response time Usage FT-IR detector Night vision system 40 20

21 PIROELEKTROMOS DETEKTOROK Intruder detection and burglar alarms Flame detector and fire detector Temperature measurement Automatic door switch IR spectrometer Pollution monitors Light control 41 SUGÁRZÁS MÉRÉS Kis T változás is jól mérhető hatást idéz elő. Leginkább hőmérsékletérzékelésre használható, közvetve nagypontosságú távhőmérséklet-mérést tesz lehetővé (hősugárzás a felületi hőmérséklet függvénye). Statikus megfigyelés a sugárzás mesterséges megszakításával, pl. forgótárcsával. Alkalmazás pl. mozgásdetektor, piroelektromos IR vidikon 42 21

22 MOZGÁS ÉRZÉKELÉS: MŰKÖDÉSI ELV 43 MOZGÁS ÉRZÉKELÉS 44 22

23 1-D linear arrays: infrared gas detectors arrays: capnography 2-D arrays: high quality IR images fire fighting land mine detection process control facial recognition traffic control DETECTOR ARRAYS FABRICATION TECHNOLOGY Two main concepts: Hybride assembly Thermal insulation cantilever formed using micromachining techniques Micromachining techniques: Bulk micromachining linear arrays Surface micromachining 2D arrays 23

24 Fabrication process of a pyroelectric TFFE (thin film ferroelectric) pixel FELHASZNÁLÁS Hősugárzás érintésmentes mérésére. Előnyös, hogy az érzékenység független a sugárzás hullámhosszától. Csak a sugárzás változását képes érzékelni, lassan változó sugárzás esetén blendét/szaggatót kell használni. Gyakran használják tűz- és betörésjelző berendezésekben (a behatoló testhőmérsékletének sugárzását képes érzékelni)

25 DIÓDA (PN ÁTMENET) HŐMÉRSÉKLETÉRZÉKLŐ Nyitóirányban előfeszített és állandó árammal átjárt pn átmeneten eső feszültség függ a hőmérséklettől, a hőmérséklet növekedésével csökken. Ennek oka a pn átmenet telítési áramának hőmérsékletfüggése I sat ~ n i2 ~ exp(-e G /kt) Si alapanyagra szobahőmérséklettől nem túl távol (du D /dt) I=const -2 mv/k 49 DIÓDÁS HŐMÉRSÉKLETÉRZÉKELŐ A legegyszerűbb p-n átmenetes hőérzékelő a félvezető dióda. Ezeket széles körben használják, mert olcsók, és a C -os hőmérsékleti tartományt elfogadható linearitással és üzembiztosan mérik. Az érzékelő időállandója a dióda hőtehetetlenségétől függ és hűtőborda segítségével szinte tetszőlegesre növelhető T 2 > T

26 MÉRŐKAPCSOLÁS 51 TRANZISZTOR MINT ÉRZÉKELŐ A diódákhoz hasonlóan a tranzisztor is alkalmazható hőmérséklet érzékelésre. Ekkor az emitter-bázis nyitófeszültség hőmérsékletfüggését mérik úgy, hogy a kollektoráramot állandó értéken tartják, és a tranzisztort földelt bázisú kapcsolásban működtetik. A tranzisztoroknál szűk a hőmérsékletfüggés lineáris tartománya, viszont a kollektoráram változtatásával különböző hőmérséklettartományokra állítható be a linearitás

27 BÁZIS-EMITTER DIÓDA SZENZOR Tranzisztoroknál a nyitóirányú bázis-emitter dióda I C -U BE karakterisztikáját lehet felhasználni. 53 BIPOLÁRIS TRANZISZTOROS ÉRZÉKELŐ 54 27

28 PN ÁTMENETES HŐMÉRSÉKLETÉRZÉKLŐ A bonyolultabb, kifejezetten hőmérsékletérzékelésre gyártott p-n átmenetes hőérzékelők pl µa-es áramtartományra és C-os hőmérséklettartományra kaphatók. A diódák és tranzisztorok hőmérsékleti linearitása javítható, ha a szenzorelemet komplett áramkörré egészítjük ki. A teljes áramkört a mérendő hőtérbe téve az alapkapcsolás kimeneti feszültségének hőfüggését mérik. Az ilyen áramköröket monolit integrált áramkörként alakítják ki. A p-n átmenetes hőérzékelő eszközt a kapcsolási rajzban áramgenerátorral helyettesítik, amelynek forrásárama a hőionizáció okozta töltésáram. 55 PN ÁTMENETES HŐMÉRSÉKLETÉRZÉKLŐ 56 28

29 SI PN ÁTMENETES HŐÉRZÉKELŐ A feszültségkülönbséget még tovább szokták erősíteni, ezzel integrált áramkörök 1mV/K vagy 1 µa/k érzékenységgel kaphatók. 0 C-nál a jelek 273,2 mv illetve 273,2 µa A jelleggörbe szigorúan egyenes, ezért nem szükséges linearizálni. Előnyös lehetőség ez érzékelő és az erősítő egy építőelembe integrálhatósága. Felhasználási hőmérséklettartomány: C 57 KVARCOSZCILLÁTOR HŐMÉRSÉKLETÉRZÉKELŐ Kvarclapkákat különböző orientációval lehet a kristályból kivágni. Idő- és frekvenciajeladókhoz olyan orientációt választanak, amelyeknél a frekvencia hőmérsékletfüggetlen. Hőérzékelőhöz olyan orientációt választanak, amelynél nagy a frekvencia hőmérsékletérzékenysége

30 KVARCOSZCILLÁTOR HŐMÉRSÉKLETÉRZÉKELŐ Jelleggörbe: a frekvencia hőmérsékletfüggése f(t)=f 0 [1+α(T-T 0 )+β(t-t 0 ) 2 +γ(t-t 0 ) 3 ] f 0 a frekvencia a referenciahőmérsékleten Az együtthatók értékei: α = 90x10-6 K -1 β = 60x10-9 K -2 γ = 30x10-12 K -3 Ha a kvarc frekvenciája 0 C-on f 0 =16 MHz, akkor 100 C-on 144 khz és a négyzetes tag miatt 9,6 khz a relatív változás. A relatív változás kicsi, de mivel frekvenciát nagy pontossággal lehet mérni, ezért ez a mérési eljárás nagy felbontású hőmérsékletmérésre alkalmas