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

Hasonló dokumentumok
Mechanikai érzékelők II. Szenzorok

Mechanikai érzékelők I. Érzékelési módszerek

MIKROELEKTRONIKAI ÉRZÉKELİK I

Mérőátalakítók Összefoglaló táblázat a mérőátalakítókról

Mérés és adatgyűjtés

Fizika 1 Elektrodinamika beugró/kis kérdések

Speciális passzív eszközök

MEMS, szenzorok. Tóth Tünde Anyagtudomány MSc

-2σ. 1. A végtelen kiterjedésű +σ és 2σ felületi töltéssűrűségű síklapok terében az ábrának megfelelően egy dipól helyezkedik el.

Vezetők elektrosztatikus térben

Mérésadatgyűjtés, jelfeldolgozás.

Elektrotechnika. Ballagi Áron

1. ERŐMÉRÉS NYÚLÁSMÉRŐ BÉLYEG ALKALMAZÁSÁVAL

Fizika 1 Elektrodinamika belépő kérdések

Az elektromágneses tér energiája

MIKROELEKTRONIKAI ÉRZÉKELİK I

Elektromos áramerősség

Gépészmérnöki alapszak, Mérnöki fizika 2. ZH, december 05. Feladatok (maximum 3x6 pont=18 pont)

Méréstechnika. Rezgésmérés. Készítette: Ángyán Béla. Iszak Gábor. Seidl Áron. Veszprém. [Ide írhatja a szöveget] oldal 1

1 kérdés. Személyes kezdőlap Villamos Gelencsér Géza Simonyi teszt május 13. szombat Teszt feladatok 2017 Előzetes megtekintés

Hiszterézis: Egy rendszer kimenete nem csak az aktuális állapottól függ, hanem az állapotváltozás aktuális irányától is.

1. feladat R 1 = 2 W R 2 = 3 W R 3 = 5 W R t1 = 10 W R t2 = 20 W U 1 =200 V U 2 =150 V. Megoldás. R t1 R 3 R 1. R t2 R 2

Magnesia. Itt találtak már az ókorban mágneses köveket. Μαγνησία. (valószínű villámok áramának a tere mágnesezi fel őket)

Mágneses erőtér. Ahol az áramtól átjárt vezetőre (vagy mágnestűre) erő hat. A villamos forgógépek mutatós műszerek működésének alapja

Elmozdulás mérés BELEON KRISZTIÁN BELEON KRISTIÁN - MÉRÉSELMÉLET - ELMOZDULÁSMÉRÉS 1

9. Laboratóriumi gyakorlat NYOMÁSÉRZÉKELŐK

KÖZEG. dv dt. q v. dm q m. = dt GÁZOK, GŐZÖK ÉS FOLYADÉKOK ÁRAMLÓ MENNYISÉGÉNEK MÉRÉSE MÉRNI LEHET:

Jelenlét, pozíció, elmozdulás érzékelők

Pótlap nem használható!

Moore & more than Moore

Orvosi jelfeldolgozás. Információ. Információtartalom. Jelek osztályozása De, mi az a jel?

10. Laboratóriumi gyakorlat TENZOMETRIKUS ÁTALAKÍTÓK

MIKROELEKTRONIKAI ÉRZÉKELŐK I

Nyomás fizikai állapotjelző abszolút és relatív fogalom

7. L = 100 mh és r s = 50 Ω tekercset 12 V-os egyenfeszültségű áramkörre kapcsolunk. Mennyi idő alatt éri el az áram az állandósult értékének 63 %-át?

7. Laboratóriumi gyakorlat KIS ELMOZDULÁSOK MÉRÉSE KAPACITÍV ÉS INDUKTÍV MÓDSZERREL

SZENZOROK ÉS MIKROÁRAMKÖRÖK 9. ELŐADÁS: MECHANIKAI ÉRZÉKELŐK I: NYOMÁS ÉS ERŐÉRZÉKELŐK

Minden mérésre vonatkozó minimumkérdések

2.) Fajlagos ellenállásuk nagysága alapján állítsd sorrendbe a következő fémeket! Kezd a legjobban vezető fémmel!

SZENZOROK ÉS MIKROÁRAMKÖRÖK

Galvanomágneses jelenségek

71. A lineáris és térfogati hőtágulási tényező közötti összefüggés:

Jegyzetelési segédlet 8.

Érzékelők és beavatkozók

Aktuátorok korszerű anyagai. Készítette: Tomozi György

MEMS eszközök redukált rendű modellezése a Smart Systems Integration mesterképzésben Dr. Ender Ferenc

Fémtechnológiák Fémek képlékeny alakítása 1. Mechanikai alapfogalmak, anyagszerkezeti változások

Elektromos áram. Vezetési jelenségek

PÉLDÁK ERŐTÖRVÉNYEKRE

Az elektromágneses indukció jelensége

Méréselmélet és mérőrendszerek

A mágneses szuszceptibilitás vizsgálata

MÉRÉSTECHNIKA. BME Energetikai Gépek és Rendszerek Tanszék Fazekas Miklós (1) márc. 1

Mit nevezünk nehézségi erőnek?

= Φ B(t = t) Φ B (t = 0) t

3. Laboratóriumi gyakorlat A HŐELLENÁLLÁS

Gyakorlat 30B-14. a F L = e E + ( e)v B képlet, a gravitációs erőt a (2.1) G = m e g (2.2)

MÁGNESES TÉR, INDUKCIÓ

MÁGNESESSÉG. Türmer Kata

A mechanikai alaptörvények ismerete

N I. 02 B. Mágneses anyagvizsgálat G ép A mérés dátuma: A mérés eszközei: A mérés menetének leírása:

HŐMÉRSÉKLET MÉRÉS I. Mérésadatgyűjtés, jelfeldolgozás. 2010/2011.BSc.II.évf.

Mágneses mező jellemzése

Transzformátor rezgés mérés. A BME Villamos Energetika Tanszéken

Mérés és adatgyűjtés

Mágneses szuszceptibilitás mérése

FIZIKA II. Egyenáram. Dr. Seres István

7. Mágneses szuszceptibilitás mérése

Rezgés, Hullámok. Rezgés, oszcilláció. Harmonikus rezgő mozgás jellemzői

9. évfolyam. Osztályozóvizsga tananyaga FIZIKA

2. Érzékelési elvek, fizikai jelenségek. a. Termikus elvek

Fogorvosi anyagtan fizikai alapjai 6.

2. Ideális esetben az árammérő belső ellenállása a.) nagyobb, mint 1kΩ b.) megegyezik a mért áramkör eredő ellenállásával

Jegyzőkönyv. mágneses szuszceptibilitás méréséről (7)

A munkavégzés a rendszer és a környezete közötti energiacserének a D hőátadástól eltérő valamennyi más formája.

Mágnesesség, elektromágnes, indukció Tudománytörténeti háttér Már i. e. 600 körül Thalész felfedezte, hogy Magnesia város mellett vannak olyan talált

A mágneses tulajdonságú magnetit ásvány, a görög Magnészia városról kapta nevét.

VILLANYSZERELŐ KÉPZÉS MÁGNESES TÉR ÖSSZEÁLLÍTOTTA NAGY LÁSZLÓ MÉRNÖKTANÁR

Elektromos alapjelenségek

Időben állandó mágneses mező jellemzése

SZENZOROK ÉS MIKROÁRAMKÖRÖK 10. ELŐADÁS: MECHANIKAI ÉRZÉKELŐK II

Vizsgatémakörök fizikából A vizsga minden esetben két részből áll: Írásbeli feladatsor (70%) Szóbeli felelet (30%)

Elektromágnesség tesztek

Hangfrekvenciás mechanikai rezgések vizsgálata

Forgójeladók (kép - Heidenhain)

Elektrosztatika Mekkora két egyenlő nagyságú töltés taszítja egymást 10 m távolságból 100 N nagyságú erővel? megoldás

A II. kategória Fizika OKTV mérési feladatainak megoldása

Fizika A2 Alapkérdések

Hangfrekvenciás mechanikai rezgések vizsgálata

A töltőfolyadék térfogatváltozása alapján, egy viszonyítási skála segítségével határozható meg a hőmérséklet.

MIKROELEKTRONIKAI ÉRZÉKELİK I

TxBlock-USB Érzékelőfejbe építhető hőmérséklet távadó

Újpesti Bródy Imre Gimnázium és Ál tal án os Isk ola

TARTALOMJEGYZÉK. Előszó 9

Elektron mozgása kristályrácsban Drude - féle elektrongáz

Mágneses szuszceptibilitás mérése

Mágneses szuszceptibilitás mérése

Fizika A2 Alapkérdések

6 az 1-ben digitális multiméter AX-190A. Használati útmutató

azonos sikban fekszik. A vezetőhurok ellenállása 2 Ω. Számítsuk ki a hurok teljes 4.1. ábra ábra

Átírás:

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

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)

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

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

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.

Anyagi jellemzők Fémek: tenzometrikus hatás a domináns a fajlagos ellenállásuk első közelítésben nem változik. Tipikus gauge-factor: 1.8 2.2 Félvezetők: a piezorezisztív hatás a domináns a fajlagos ellenállásváltozás jelentős. Tipikus gauge faktor: 100 120 1000

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

A nyúlásmérő bélyeg anyagfüggő jellemző karakterisztikája

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.

Egykristályos félvezetők piezorezisztivitása

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

Piezorezisztív együttható (Si)

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.

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.

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

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

Mikrogépészettel megvalósított kapacitív nyomásmérő chip

Mikrogépészettel megvalósított kapacitív nyomásmérő chip

MEMS nyomás / gyorsulás érzékelők

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

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

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: http://www.mogi.bme.hu/tamop/mikromechanika/math-index.html http://www.slideshare.net/smilingshekhar/mechanical-sensors-2-24677162?qid=ec08a37f-5a25-4908-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

2. Érzékelési elvek, fizikai jelenségek d. Mágneses elvek

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)

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.

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

Anyag és mágnesség Csoport Anyag Szuszceptibilitás Permeabilitás diamágneses Cu, Ag, Au, Bi szupravezetők kicsi és negatív -10-5 -1 kb. 1 paramágneses Al, Pt kicsi és pozitív 10-3 10-5 kb. 1 0 ferromágneses Fe, Co, Ni, ritka földfémek, pl. Sm, Dy nagy és pozitív 50-10 4 50-10 4 ferrimágneses Fe 3 O 4 nagy és pozitív nagy és pozitív

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,

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

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.

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

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

Félvezető Hall szenzor Működési hőmérséklettartomány: -40 C + 175 C!!!

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

Nyugalmi indukció Mozgási indukció

Mágneses érzékelés Induktivitás Differenciál transzformátor Örvényáram Hall szonda

Elmozdulás LVDT lineáris differenciál-transzformátor

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

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

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: http://www.mogi.bme.hu/tamop/mikromechanika/math-index.html http://www.slideshare.net/smilingshekhar/mechanical-sensors-2-24677162?qid=ec08a37f-5a25-4908-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

4. Integrált érzékelő rendszerek b) Szenzorhálózatok, IoT

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

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)

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)

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, I 2 S, Szenzorrendszer Adattárolás, feldolgozás, továbbítás

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

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

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

LVDT lineáris differenciál transzformátor

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

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.

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

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

MEMS mikrogépészet Mechanikai szerkezetek az 1-100 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

Kantilever struktúra Tömbi MEMS Felületi MEMS

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)

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 100-2000g nagyobb közlekedési balesetkor 5000g rakéta becsapódásakor

Gyorsulásérzékelők

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.

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.

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.

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 )

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.

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

Si kapacitív gyorsulásérzékelő

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

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

1D-s és 3D-s gyorsulásérzékelők

Példák Lengő tömeg és rugókialakítások felületi mikrogépészettel

MEMS inerciális szenzorok

Giroszkóp szögelfordulás mérése

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)

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

2D hőáramlás alapú gyorsulásmérő

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

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

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

3D erőmérő kiolvasása

MOEMS Mikro-Optikai Elektro-Mechanikus Rendszerek

Projektor kép megjelenítése, gyorsan, nagy felbontással, színhelyesen.

Projektor egy pixel MEMS megvalósítás

Hőmérséklet és páratartalom érzékelők Mérési tartomány: P =300-1100 hpa (felbontás 0.01 hpa) RH= 0-100% rh T= -40 - +85 C Válaszidő = 1s I2S digitális interfész

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

Olvasnivalók: http://www.mogi.bme.hu/tamop/mikromechanika/math-index.html http://www.slideshare.net/smilingshekhar/mechanical-sensors-2-24677162?qid=ec08a37f-5a25-4908-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