Mechanikai érzékelők I. Érzékelési módszerek Battistig Gábor MTA EK Műszaki Fizikai és Anyagtudományi Intézet Mikrotechnológiai laboratórium battistig@mfa.kfki.hu 1
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) 2
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 3
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 4
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. 5
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 6
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 7
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. 9
Egykristályos félvezetők piezorezisztivitása 10
11
Piezorezisztív együttható Longitudinális és tranzverzális piezorezisztív együttható. Az érzékelőkben leggyakrabban előforduló esetek 12
Piezorezisztív együttható (Si) 13
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. 15
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.
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 17
Mikrogépészettel megvalósított kapacitív nyomásmérő chip 18
Mikrogépészettel megvalósított kapacitív nyomásmérő chip 19
MEMS nyomás / gyorsulás érzékelők 20
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 21
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 22
Mágneses elven történő érzékelés Közvetlen Érzékelhet egy mágneses teret (direkt alkalmazás), pl. mint 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. 23
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 dipólusmomentum M [Am 2 /m 3 = A/m] azaz mágnesezettség M = m H m : mágneses szuszceptibilitás azaz B = o (1 + m )H = o r H r = 1 + m 24
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 25
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, 26
Lorentz erő Mágneses térben mozgó töltésre erő hat F = q v B F a töltésre ható erő q a részecske töltése B a mágneses indukció (vektor) v a részecske sebessége (vektor) 27
Hall effektus Ha egy vezetőben vagy félvezetőben áram folyik, és azt mágneses térbe helyezzük, akkor a vezetőben mozgó elektronokra ható Lorentz-erő miatt a vezető két oldalán poteciálkülönbség lép fel, ez a Hall-feszültség. A jelenség jól keskeny mintában lép fel, 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. 28
A Hall elektromos tér p-típusú mintában a lyukak sebessége -x irányú, a lyukakra ható F = q v B Lorentz erő iránya -y, és 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-konventráció 29
Anyagok Félvezetők vezetőképessége, illetve fajlagos ellenállás: σ = 1 ρ = q n μ Hall állandó: q : töltés, n : töltéshordozó koncentráció, : mozgékonyság R H = 1 q n 30
Félvezető Hall szenzor Működési hőmérséklettartomány: -40 C + 175 C!!! 31
Induktív érzékelés 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 32
Nyugalmi indukció Mozgási indukció 33
Mágneses Induktivitás Differenciál transzformátor Örvényáram Hall szonda 34
LVDT lineáris differenciál transzformátor 35
LVDT kimeneti jelalakok 36
Örvényáramú érzékelés Váltakozó mágneses tér örvényáramot indukál a fémes mintadarabnak. Az örvényáramok mágneses tere detektálható. 37
Optikai érzékelés Optokapu egyszerű kapcsoló Egyszerű módszer forgó vagy egyenes vonalú elmozdulás érzékelésére optokapu + kódtárcsa Incrementális jeladó Abszolút pozíció 38
Félvezető fotodetektor Fotoelektromos effektus A félvezető pn átmenetére beérkező fotonok töltéshordozókat generálnak. 39
Doppler-hatás egy sugárzás hullámhosszában megjelenő változás, mely amiatt alakul ki, mert a hullámforrás és a megfigyelő egymáshoz képest mozog. Ha a mozgó forrás f 0 frekvenciájú hullámot bocsát ki, akkor a közeghez képest álló megfigyelő az alábbi módon meghatározható f frekvenciát észlel: c : a hullám sebessége a közegben v : a hullámforrás sebessége a közeghez képest (pozitív = közeledő, negatív = távolodó) 40
Interferometria Optikai úthosszváltozás érzékenyen detektálható Előnyök: nincs elektromos vagy mágneses zavarás, nagy érzékenység/felbontás (λ/2, λ/4, λ/8, λ/16 Hátrányok: kicsit bonyolultabb kiértékelés, őmérsékletváltozásra érzékeny lehet 41
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 42