7b. Tlakové senzory II piezoelektrické kapacitní pn přechod s Hallovým senzorem optické. 1. Piezoelektrické tlakové senzory. Tlakové senzory II

Transkript

1 POLOVODIČOVÉ TLAKOVÉ SENZORY Přednášející: 7b. Tlakové senzory II piezoelektrické kapacitní pn přechod s Hallovým senzorem optické Prof. Ing. Miroslav Husák, CSc. husak@fel.cvut.cz tel.: PIEZOREZISTIVNÍ (PIEZOODPOROVÉ) PIEZOELEKTRICKÉ JINÉ KAPACITNÍ Rezonance Přechod pn Hallův Optické atd. 1 2 Tlakové senzory II 1. Piezoelektrické 2. Kapacitní 3. Kapacitní s MOS strukturou (PSIGFET) 4. Přechod P-N 1. Piezoelektrické tlakové senzory 5. Hallův senzor 6. Optické 3 4

2 1. Piezoelektrické tlakové senzory Princip činnosti - piezoelektrický jev (napětí při deformaci) Materiály keramika, polymery, polovodiče Vyhodnocení signálu zesilovače náboje (velké R vst ) 1. Piezoelektrické tlakové senzory Aplikace např. piezoelektrické kabely Tlak nebo síla působí kolmo Piezoelektrická keramika nebo polymer p Použití např. kontrola přejezdu aut na silnici (malý signál malé auto, velký signál velké auto) 5 6 Kapacitní polovodičové tlakové senzory polovodičové Kapacitní tlakové senzory Princip a konstrukce Parametry membrán Konstrukční uspořádání Zdvojená struktura, prstencová a dvojprstencová Obvody pro vyhodnocování kapacity (vhodné pro integraci) Rozdělení, základní typy Impedanční můstky Kapacitně řízené oscilátory Spínané kapacitory Kapacitně řízené oscilátory Obvody PLL MOS struktura PSIGFET 7 8

3 Model kapacitního tlakového senzoru Princip činnosti Kapacitor s jednou elektrodou s pružným deformačním členem Vyjimečnì jiné principy (změny permitivity dielektrika jako funkce tlaku). Deformační člen - pružná membrána. Pro mezeru jako funkci poloměru lze psát Dielektrikum bývá nejčastěji vzduch nebo prostor mezi oběmi elektrodami je vyčerpán. Změnu kapacity C lze určit dle vztahu 9 10 Převodní charakteristiky polovodičového kapacitního tlakového senzoru pro kruhovou membránu -C čtvercovou membránu -S Převodní charakteristika Citlivost senzoru Obvody pro vyhodnocování změn kapacity Materiál - Si, sklo, atd. Membrána - Pružná, Si Tvar membrány - čtvercová nebo kruhová Vzdálenost elektrod - μm Plocha elektrod mm 2 ΔC = velké Kapacita pf Δp Citlivost - velká Teplotní závislost - velmi malá C f (ϑ) o ϑ max 300 C Teplotní hystereze - zanedbatelná Rozměry - velmi malé Technologická kompatibilita-cmos Převodní charakteristika - nelineární 11 12

4 Princip činnosti C - kapacita při rozdílu tlaků p = p out -p in, C o je kapacita při nulovém tlaku ε je permitivita, h je vzdálenost elektrod při nulovém tlaku z - průhyb membrány, S - plocha elektrod. Parametry membrány mezni tlak Pm (m-measurable) Tlak, při kterém docházi k dotyku protilehlých elektrod, je a lze pro nì psát čtvercová membrána (S-square) kruhová nebo čtvercová membrána kruhová membrána vykazuje nepatrně vyšší citlivost vzdálenost h o je cca v µm plocha S je cca v mm 2 Co je cca jednotky až desitky pf. Mezni hodnota C - je dána mezi pevnosti Si membrány a nerovnoměrnostmi na protilehlých plochách elektrod kruhová membrána (C-circular) E -Youngův modul (pro Si[100] je 1, Pa ), µ p je Poissonovo číslo (prosi je 0,3), aje rozměr jedné strany čtvercové membrány, d je průměr kruhové membrány Parametry membrány Kruhová a čtvercová struktura Tlak degradující membránu p R (R-rupture) tlak, při kterém dochází ke zničeni membrány čtvercová membrána (S-square) Kruhová membrána (C-circular) kde σ max je mez pružnosti (pro Si je 6, Pa), c je tloušťka Si membrány. Lze odvodit relativní tlakovou citlivost S r jako funkce koeficientu γ Poznámka teplotní závislosti zapřičiněnou expanzi plynu v referenční dutině pokud dielektrikum není vakuum - rozdílné teplotní koeficienty roztažnosti křemíkového elementu a podložky, změnou permitivity podložky, což má vliv zejména na parazitní kapacity. dc S r = = dp f (γ ) 15 16

5 Kruhová a čtvercová struktura Prstencová struktura Závěr maximální citlivost S r je pro γ = 0,6 36% plochy Dvouprstencová struktura Dvouprstencová struktura 19 20

6 Kapacitní tlakové senzory struktury použití INFINEON Kapacitní tlakový senzor pro použití v automobilech (airbag) senzor je zabudován ve dveřích detekuje tlakové pulsy vzduchu (nehoda) Senzor je plně kalibrován, obsahuje elektronické obvody (Sigma-Delta A/D převodník, digitální filtr, SPI interface) pro vyhodnocení signálu a vlastní diagnostiku Přímé spojení s mikrokontrolérem Výstupem je číslicový signál úměrný tlaku Paralelně zapojené kapacitory - kapacita se mění s tlakem Kapacitní tlakové senzory struktury použití Supply Voltage 5 V Supply Current 2.5 ma Operating Temperature -40 to + 90 C External Clock 4 and 8 MHz Mode Pressure Range kpa ( PSI) Signal Bandwidth 0 to 380 Hz Serial Port SPI Data Rate 7.8 khz Data Transfer Rate up to 500 khz Resolution (Accuracy) 15 bits (12 bits) Noise Equivalent Pressure < 40 Pa Offset Calibration Accuracy < 2 kpa Sensitivity 145 digits/kpa Kapacitní tlakové senzory fotografie čipu Vyhodnocovací obvody vhodné pro integraci na čipu Vyhodnocování relativních změn C Co U, I, f, atd. Rozdělení vyhodnocovacích obvodů 23 24

7 1) Impedanční můstky - princip Q = C U U = konst U f C C ) vyst z ( o 1) Impedanční můstky jednoduchý vyhodnocovací obvod ) Kapacitně řízené oscilátory a) Převodník C/f sinusový oscilátor relaxační oscilátor 2) Kapacitně řízené oscilátory b) Převodník C/t t = g(c) C nabíjen ze zdroje konstantního proudu spojení integrátor a komparátor f = g(c) spojení integrátor a komparátor multivibrátor atd. I t = C U 1 U = I t C = konst. t Převodník C / čas b) převodník c) modifikované zapojení pro redukci vlivu teploty a stability frekvence 27 28

8 3) Obvody se spínanými kapacitory Převodník C/t Q = C U U = f (Q) 3) Obvody se spínanými kapacitory Zapojení U vyst = U z C C C F o ) Obvody PLL Výstupní frekvence VCO je řízena přiloženým vstupním napětím Uc a kapacitou C. Oba VCO jsou řízeny napěťovým signálem Uc. Pokud je obvod PLL řízený vstupní referenční frekvencí fref, vnitřní VCO kmitá na stejné frekvenci, tj. fref a napětí Uc má určitou hodnotu. Dva shodné VCO - kompenzace teplotních změn a změn dalších parametrů, PSIGFET tlakový senzor MOS se změnou kapacity hradla 31 32

9 - PSIGFET - PSIGFET Princip činnosti w Drain Gate Source Charakteristika senzoru p-typ Si substrátu, ve kterém jsou vytvořeny dvě n+ oblasti, source a drain. Proud ID (µa) n + L n + P - substrát Si h o Gate je Al vrstva umístěná na membráně. Prostor mezi Gate a oxidem je vakuum, popř. vzduchová mezera o tloušťce cca 0,5 μm. Tlak membránu prohýbá - změna kapacity Gate. Modulace vodivost kanálu mezi source a drain. Čip může mít rozměry 0,6x1,05 mm, membrána 0,2x0,2 mm. Teorie popisující chování tranzistoru FET jako tlakového senzoru vychází ze základní teorie popisující tranzistor MOS PSIGFET Výchozí vztahy pro odvození tlakové závislosti proudu kanálu Pro lineární oblast tranzistoru platí kde Cox = CG v pevném MOSFET je kapacita mezi Gate elektrodou a povrchem kanálu, u je elektronová pohyblivost, W je šířka kanálu, L je délka kanálu, UG je napětí na Gate, UT je prahové napětí, pro které platí kde ε s je dielektrická konstanta křemíku ( ε s = 11,9 ), q je jednotkový náboj, Q f je pevný oxidový náboj v oxidové vrstvě, O B je potenciál, pro který platí 3. Tlakové senzory s pn přechodem (tlakový senzor změnou parametrů přechodu pn) kde k je Boltzmanova konstanta, T je absolutní teplota, N A je koncentrace pro p-typ substrátu, n i je intrinzická koncentrace

10 3. Tlakové senzory s pn přechodem Senzor konstrukčně uspořádat jako 1.Velkoplošný senzor. 2.Působení hrotu na přechod p-n. 3.Řadové, maticové diody. 4.Vícenásobný přechod (piezotranzistor). 3. Tlakové senzory s pn přechodem Aplikace se Zenerovou diodou závislost výstupního napětí můstku, v němž v jedné větvi je zapojena v závěrném směru dioda 1NZ70 Piezotranzistor Při namáhání vícenásobného přechodu se účinky zesilují. Konstrukce piezotranzistoru je velmi náročná. Je vhodný pro měření malých sil a pro dynamická měření. Má velmi malé rozměry a hmotnost. Posuv voltampérových charakteristik diody při působení síly na přechod Tlakové senzory s Hallovým senzorem Princip 4. Tlakové senzory s Hallovým senzorem 39 40

11 5. Optoelektronické tlakové senzory Optoelektronický tlakový senzor Výhody jednoduché pouzdření 5. Optoelektronické tlakové senzory malá teplotní závislost vysoké rozlišení vysoká přesnost Princip využití interference Optosenzorový čip 3 pn fotodiody Princip činnosti - měření modulace vlnové délky vysílaného a odraženého světla v závislosti na šířce FP dutiny Optoelektronické tlakové senzory Otázky Optoelektronický tlakový senzor Senzor pasivní optický tlakový čip s Si membránou LED (světelný zdroj) konstrukce s kovovými vrstvami podobná kapacitnímu Dutina tvoří Fabry- Perot interferometr (FP) princip je založen na měření odchylky pomocí FP FP je tvořen kovovými vrstvami se zrcadlem na Si membráně a pevným polopropustným zrcadlem na skle Princip činnosti měření modulace vlnové délky vysílaného a odraženého světla v závislosti na šířce FP dutiny Piezoelektrické tlakové senzory 1. Princip činnosti 2. Princip činnosti piezoelektrického kabelu 3. Elektronické obvody pro vyhodnocování signálu Kapacitní tlakové senzory polovodičové 1. Princip činnosti kapacitních polovodičových tlakových senzorů, základní matematické vztahy pro výpočet kapacity 2. Nakreslete geometrickou strukturu senzoru, kruhová a čtvercová membrána 3. Základní vlastnosti linearita, citlivost, teplotní závislost, geometrické rozměry, převodní charakteristika 4. Citlivost senzoru a velikost plochy kapacity na membráně 5. Prstencová a dvouprstencová struktura - citlivosti versus rozměr kapacity na membráně 6. Základní elektronické zapojení vyhodnocovacích obvodů (princip) impedanční můstky, kapacitně řízené oscilátorové obvody (např. převod C/f, C/t), obvody se spínanými kapacitory, obvody PLL PSIGFET (tlakový senzor MOS se změnou kapacity hradla) 1. Princip činnosti a geometrie struktury 2. Převodní charakteristiky Tlakové senzory s pn přechodem 1. Princip činnosti 2. Převodní charakteristiky Tlakové senzory s Hallovým senzorem 1. Princip činnosti, geometrické uspořádání Optoelektronické tlakové senzory 1. Princip činnosti, geometrické uspořádání 43 44